Стальні попередньо напружені перфоровані арки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Однією із найважливіших задач будівництва є подальше підвищення ефективності будівельних конструкцій за рахунок здешевлення ресурсів та витрат праці. Висунуті на даний час вимоги до надійності конструкцій, за одночасного збільшення їх ресурсу і зниження маси, ставлять ряд задач в області удосконалення старих та створення нових конструктивних форм та методів їх розрахунку, а також вивчення дійсної роботи конструкцій.

Аналіз існуючих рішень конструкцій покриття, а також наявних теоретичних і експериментальних досліджень дозволив у першому розділі обґрунтувати необхідність пошуку нових шляхів створення масових економічних конструкцій покриття. Поєднання різних видів конструкцій, таких як суцільні балки, крокв'яні ферми, рамні та арочні конструкції, кожна з яких має свої переваги та недоліки залежно від умов роботи та геометричних параметрів, дозволяє створити більш економічну конструктивну форму порівняно з існуючими. Використання арок є більш ефективним для будівель та споруд великих прольотів, але у випадку застосування в них додаткових елементів дозволяє використовувати їх з максимальною ефективністю і для середніх прольотів.

Поряд із пошуком нових конструктивних форм застосування більш ефективних профілів дозволяє отримати не менший економічний ефект. Одним з таких профілів є перфоровані елементи.

Ідея попереднього напруження металевих конструкцій полягає у створенні початкових зусиль і деформацій, які під час експлуатації дозволяють продовжити пружну роботу матеріалу, за допомогою незначних разових витрат матеріалу.

Мета і задачі досліджень. В дисертаційній роботі ставиться за мету розробити методику розрахунку стиснуто-згинальних перфорованих елементів стальних попередньо напружених арок за деформаційною схемою.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1) розробити нову ефективну конструкцію стальної попередньо напруженої перфорованої арки і встановити раціональні параметри її конструктивної схеми;

2) провести теоретичні дослідження напружено-деформованого стану стиснуто-згинальних перфорованих елементів з урахуванням деформаційної схеми їх роботи;

3) розробити алгоритм і методику розрахунку двошарнірної арки з поясами з перфорованих двотаврів постійної жорсткості;

4) провести експериментальні дослідження розробленої конструкції арки на зразку, виконаному в натуральну величину;

5) розробити рекомендації щодо комплексного розрахунку стальної попередньо напруженої перфорованої арки.

1. Огляд та аналіз праць вітчизняних та зарубіжних науковців, в яких вивчалась робота перфорованих елементів і конструкцій на їх основі

Проаналізовані всі можливі на теперішній час схеми розрізу вихідного профілю і утворення в подальшому перфорованого елемента. Також розглянуті питання розрахунку арочних конструкцій та окремих їх елементів за різних конструктивних умов.

Ідея утворення перфорованої балки з прокатної відома вже давно. Вперше такі балки були застосовані ще в 1910 році в конструкціях моста в м. Чікаго (США). М.С. Стрелецький говорив про можливість використання таких балок в СРСР ще в 1934 році, але рівень розвитку технології виготовлення стримував їх застосування, незважаючи на значну економію сталі. Вперше вони були застосовані в кінці 40-х років 20-го сторіччя Ленінградським відділенням „ЦНИИпроектстальконструкция” за ініціативою М.Б. Солодаря під час розробки покриття промислових будівель. Масове застосування такого типу стержнів почалося на початку 60-х років, коли були освоєні перші поточні лінії з виготовлення перфорованих стержнів.

На особливу увагу заслуговують, з огляду на питання, яке підняте в даній дисертаційній роботі, арки (ферми-балки) з перфорованим верхнім поясом виготовлені за серією 1.860-4 із розвинених (перфорованих) двотаврів, прольотом 18-21 м, які розроблені інститутом „ЦНИИЭПсельстрой” у 1974 році. Вони запроектовані трикутного обрису з жорстким фланцевим з'єднанням у гребеневому вузлі на болтах нормальної точності. Суттєвий внесок в теоретичні та експериментальні дослідження перфорованих профілів зробили М.М. Жербін, В.В. Бірюльов, А.І. Скляднев, С.І. Білик, В.С. Чорнолоз, О.І. Налепа, Л.Є Дроб'язко, П.Є. Бабичев, В.В. Романюк, в роботах яких досліджувались колони, ферми, рами, арки тощо.

Ефективність застосування прольотних конструкцій значно підвищується в умовах попереднього напруження як окремих елементів, так і конструкцій в цілому. Суть попереднього напруження полягає в тому, що ціною незначних разових витрат матеріалу і праці в конструкції створюються необхідні початкові зусилля і деформації, які під час експлуатації дозволяють продовжити пружну роботу матеріалу.

Хоча ідея попереднього напруження відома вже давно, у середині минулого сторіччя вона пережила своє друге народження після появи на світ робіт Ф. Дишингера, В.М. Вахуркина, Ю.В. Гайдарова Є.І. Беленя, М.С. Стрелецького та інших. Нове розуміння можливості використання цієї ідеї призвело до надзичайного пожвавлення наукових досліджень в області попереднього напруження металевих конструкцій. Значна частина наукових винаходів, зроблених за останні десятиріччя, належить саме до попередньо напружених конструкцій.

Найбільш поширений розрахунок перфорованих елементів, який наведений у нормах проектування стальних конструкцій, використовує елементарну теорію згину і передбачає, що напруження в них обчислюються як у звичайній балці, послабленій отвором, з урахуванням додаткового згину поясу поперечною силою, яку сприймає цей пояс. Відповідно до основних положень цього розрахунку перевірка міцності здійснюється у послаблених отворами перерізах, які знаходяться поблизу кутів отворів за результуючим максимальним напруженням за згину, яке визначається як алгебраїчна сума напружень від згинаючого моменту і поперечної сили , тобто:

, (1)

У випадку перевірки міцності стиснуто-згинальних профілів у формулу (1) для визначення напружень додається складова напружень від дії поздовжньої сили в даному перерізі, тобто:

, (2)

Вперше цей спосіб розрахунку був запропонований Ф. Фальтусом у 40-х роках минулого сторіччя і повторений у подальшому багатьма іншими авторами.

2. Доцільність нової конструктивної форми двошарнірної стальної арки з перфорованим верхнім поясом і попередньо напруженою розпіркою

Встановлені оптимальні параметри розрізу вихідного двотавра за відомою комбінацією згинаючого моменту і поперечної сили у найбільш невигідному перерізі, а також можливість створення попереднього напруження в елементах конструкції, розглянуті на конкретному прикладі варіанти створення попередніх зусиль в арці і обраний найбільш ефективний спосіб.

Автор пропонує використовувати як вихідну систему двічі статично невизначну арочну конструкцію, яка складається із двосхилого верхнього поясу, елементи якого жорстко з'єднані у гребеневому вузлі, затяжки для сприйняття зусилля розпору, розпірки для можливості здійснення перерозподілу внутрішніх зусиль по довжині верхнього поясу та підвіски, яка призначена для підтримання затяжки від провисання під час транспортування та монтажу арки в проектне положення. Ухил верхнього поясу прийнятий i=0,5 і характеризується кутом б.

Робота верхнього поясу на стиск із згином викликає необхідність виконувати його із елементів, що мають велику згинальну жорсткість. Одним із найбільш ефективних елементів для сприйняття сумісної дії стискуючих та згинаючих зусиль є перфоровані двотаврові балки.

Значення згинаючого моменту M в найбільш напружених перерізах має вирішальний вплив на напружений стан цих перерізів. Тому пошук оптимальних конструктивних параметрів арки досліджується залежно від згинаючого моменту, величина якого по довжині поясу змінюється від нульових до певних екстремальних значень. Величина екстремальних значень М може бути різною і залежить від геометричних параметрів вихідної системи або ж величини створених у конструкції попередніх напружень. Кожен із запропонованих варіантів зменшує максимальні значення згинаючого моменту. Основна особливість розподілу внутрішніх зусиль полягає в тому, що значення поздовжньої сили по довжині поясу за фіксованих значень зовнішнього навантаження і геометричних параметрів системи знаходяться практично на одному рівні, а значення згинаючого моменту і поперечної сили змінюються від певних додатніх до від'ємних величин. Висота перерізу перфорованого елемента і його геометричні характеристики залежать від параметрів розрізу вихідних профілів, які завжди мають певні граничні значення. Найбільше розвинення висоти перерізу відбувається за використання мінімально можливого значення hт і максимально можливого значення висоти отвору d, причому значення d однозначно визначається значенням hт. Тому, поряд із збільшенням згинальної жорсткості всього елемента важливо забезпечити і необхідні значення геометричних характеристик окремих таврових перерізів. Тут спостерігається обернено пропорційна залежність: із збільшенням висоти перерізу Н та жорсткості всього профілю І зменшується висота перерізу hт і жорсткість таврів Іт, Wmin, Wmax, а також площа перерізу А в послаблених місцях і всі вони залежать від коефіцієнта розвитку висоти вихідного профілю k, який визначається як відношення висоти перерізу після перфорації до висоти вихідного профілю.

Напруження в перфорованому двотаврі обчислюються за відомими формулами:

; (3)

, (4)

де М, N, Q - розрахункові зусилля, які виникають в даному перерізі; Ат, Ix, I1, z1, ,yc, Н, d - геометричні характеристики і розміри перерізу двотавра (рис. 5); b - ширина отвору перфорації по осі двотавра в найбільш послабленому перерізі, яка попередньо задається.

Прирівнявши праві частини (3) і (4) і виконавши певні математичні операції, отримаємо:

. (5)

Після детального аналізу способів створення попереднього напруження в дисертаційній роботі прийнятий найбільш ефективний, на думку автора, варіант попереднього натягу розпірки, який дозволяє створити попередні внутрішні зусилля в арці, які в розрахунковому перерізі поясу, тобто поблизу приєднання до нього розпірки, мають значення зворотнього знаку порівняно із значеннями внутрішніх зусиль від дії зовнішнього симетричного навантаження.

3. Розрахункова схема перфорованого стиснуто-згинального поясу арки за деформаційною схемою, яка враховує зміщення осі поясу і виникнення внаслідок цього додаткових напружень від поздовжньої зусилля.

Розроблений алгоритм розрахунку стальної арки, в якому обґрунтовані: висота розміщення розпірки; ексцентриситет зміщення затяжки; величина попереднього натягу розпірки і запропоновані формули для визначення розрахункових зусиль M, N і Q.

При обчисленні теоретичних прогинів запропонованої конструкції стальної попередньо напруженої перфорованої арки, яка навантажена симетричним рівномірно розподіленим навантаженням q (рис. 9), враховується її складний деформований стан. Загальний прогин верхнього поясу арки складається з місцевого прогину самого поясу, а також з прогину, який виникає внаслідок деформації всієї конструкції за рахунок зміщення шарнірно рухомої опори:

, (6)

де - загальний прогин верхнього поясу арки; - місцевий прогин верхнього поясу; - прогин, який виникає внаслідок деформації всієї арки.

Для обчислення місцевого прогину верхнього поясу арки використовуються формули методу початкових параметрів (7), в яких прогини поясів в опорних та гребеневому вузлах дорівнюють нулю.

, (7)

де , - кут повороту та прогин в перерізі, що розглядається; , - кут повороту та прогин елемента на початку системи (початкові параметри); , , - відповідно зосереджені моменти, зосереджені сили та величина рівномірно розподіленого навантаження, які діють на конструкцію; - відстань від початку системи до перерізу, в якому обчислюється деформація; , , - відстані від початку системи до точок прикладання відповідно зосереджених моментів, зосереджених сил та до початку ділянок прикладання розподіленого навантаження; - момент інерції перерізу (для перфорованих елементів це момент інерції у послабленому отвором перерізі, що домножується на коефіцієнт 0,95, який враховує деяке збільшення прогину за рахунок податливості перемичок); - модуль пружності сталі.

Після підстановки цих параметрів у систему формул (7), та урахування критичної сили Ейлера для стиснуто-згинальних елементів формула для визначення місцевого прогину у будь-якому перерізі напівпоясу арки за дії симетричного рівномірно розподіленого навантаження має вигляд:

, (8)

де хі - відстань від опорного вузла до перерізу в якому обчислюється деформація; Р1, P2 - величини зусиль в затяжці і розпірці відповідно; Q0 - значення поперечної сили, яка виникає в поясі в опорному вузлі; е0 - ексцентриситет зміщення затяжки.

Вертикальне переміщення гребеневого вузла (див. рис. 9), яке виникає внаслідок деформації всієї конструкції за рахунок зміщення шарнірно рухомої опори, визначається із умови рівності гіпотенуз квадратних трикутників:

, (9)

де - вертикальне переміщення гребеневого вузла; - горизонтальне зміщення шарнірно рухомої опори, яке визначається за видовженням затяжки.

Прогин, який виникає внаслідок деформації всієї конструкції за рахунок зміщення шарнірно рухомої опори, у будь-якій точці перерізу на відстані хі:

. (10)

Враховуючи, що елементи арки (напівпояси) деформуються рівномірно по всій довжині між точками закріплення в площині арки, максимальний ексцентриситет прикладання поздовжнього зусилля на будь-якій ділянці поясу між точками прикладання зосереджених сил має вигляд:

, (11)

де ех - максимальний ексцентриситет прикладання поздовжнього зусилля на будь-якій ділянці поясу між точками прикладання до нього зовнішнього навантаження; - максимальний місцевий прогин стиснуто-згинального елемента; - довжина ділянки поясу між точками прикладання зосереджених сил; - довжина поясу між точками закріплення його в площині арки.

Ексцентриситет прикладання поздовжнього зусилля для будь-якого перерізу ділянки напівпоясу:

, (12)

де ехі - ексцентриситет прикладання поздовжнього зусилля у будь-якому перерізі напівпоясу; сi - менша з відстаней від точки прикладання навантаження до перерізу, в якому необхідно визначити ексцентриситет прикладання поздовжнього зусилля.

З урахуванням деформаційної схеми для розрахунку стиснуто-згинального перфорованого елемента формули для обчислення напружень в розрахункових точках перерізу поясу мають вигляд:

. (13)

Застосування деформаційної схеми перфорованого елемента дозволяє враховувати додаткові напруження в його перерізах за рахунок деякого збільшення або зменшення згинаючого моменту. В результаті цього напруження по висоті перерізу збільшуються або ж зменшуються залежно від того, де знаходиться розрахункова точка перерізу - в розтягнутій чи стиснутій зоні.

4. Аналіз експериментальних досліджень стальної арки з перфорованим верхнім поясом прольотом 9 м за різних схем навантаження і її конструктивних особливостей

Наведена характеристика матеріалів з яких виготовлена дослідна конструкція, схема експериментальної установки та методика проведення випробувань.

Виходячи з поставленої мети та задач досліджень, була запроектована і виготовлена конструкція експериментального зразка в спеціалізованій майстерні Національного університету водного господарства та природокористування (НУВГП) прольотом 9 м і стрілою підйому 2,25 м.

Дослідна конструкція складається з двох напівпоясів, які виготовлені з вихідного двотавра №12 за ГОСТ 8239-72*, в результаті перфорації якого висота перерізу поясу збільшилась на 22%, затяжки, яка складається з двох стержнів діаметром 16 мм та розпірки, що запроектована з двох кутиків L63Ч6 за ГОСТ 8239-72*, складених тавром. Фасонки, фланці та опорні вузли арки виготовлені із листової сталі товщиною 10 мм за ГОСТ 103-76.

Для вивчення дійсної роботи розробленої конструкції стальної попередньо напруженої перфорованої арки запроектована та виготовлена спеціальна установка, яка дозволяє проводити випробування конструкцій прольотом до 9 м, стрілою підйому до 3 м і з погонним навантаженням до 30 кН/м. Експериментальна установка включає в себе дослідну конструкцію, систему закріплення дослідної конструкції в проектне положення, систему створення навантаження, систему передачі навантаження на конструкцію і систему контролю за станом конструкції.

В експериментальних дослідженнях використовувались стандартні прилади для статичних випробувань двох видів: 1) для вимірювання переміщень - прогиноміри та індикатор годинникового типу; 2) для вимірювання деформацій волокон матеріалу - тензорезистори.

Випробування конструкції проводилось за трьома схемами навантаження, а саме: симетричній, несиметричній і монтажній. Крім того, для підтвердження доцільності застосування розробленої конструкції, проводились випробування арки за кожною із схем навантаження за відсутності розпірки, з розпіркою, за різних значень ексцентриситету зміщення затяжки і з попереднім натягом розпірки.

Експериментальні дослідження в цілому підтвердили розроблену методику розрахунку і доцільність застосування ексцентриситету зміщення затяжки або ж попереднього натягу розпірки. Було встановлено, що при досягненні рівня розрахункового навантаження видимих руйнувань в елементах арки не відбулось, отримані напруження не перевищили розрахункового опору сталі, а вертикальні переміщення вузлів арки були не більше 1/200 прольоту. За вузлового навантаження величиною 13,8 кН відбулась втрата стійкості лівої напіварки з площини дії навантаження між точками прикладання навантаження. Запас несучої здатності склав 1,15.

Аналіз напруженого стану перфорованого стиснуто-згинального поясу арки здійснювався шляхом порівняння теоретичних і експериментальних напружень у 28-ми його перерізах (14 на кожну напіварку) на всьому прольоті (рис. 13). Теоретичні напруження обчислені за виразом 13, а експериментальні - виміряні за допомогою тензорезисторів.

Порівняння теоретичних та експериментальних результатів проводилось по площам епюр напружень. Середнє відхилення склало: для верхньої полиці - 14-20%; для нижньої полиці - 11-19%, що співпадає з результатами інших дослідників.

Найбільша розбіжність між теоретичними та експериментальними напруженнями для арки з розпіркою, спостерігається на ділянці напіварки поблизу прикріплення до неї розпірки. Це пояснюється більшою згинальною жорсткістю поясів в цих перерізах за рахунок приварених до них фасонок, і тим, що в теоретичних розрахунках зусилля, яке передається на напіварки від розпірки, приймається у вигляді зосередженої сили, хоча в дійсності воно передається через фасонки, які приварюються до поясів на ділянці довжиною 30 см, тобто у вигляді розподіленого навантаження.

Зміщення шарнірно-рухомої опори в горизонтальному напрямку вимірювалось за допомогою індикатора годинникового типу і порівнювалось з теоретичним видовженням затяжки від дії розтягуючого зусилля в ній. Розбіжність склала до 6%.

Висновки

двотавр перфорований деформований

1. В дисертаційній роботі запропонована і обгрунтована нова конструктивна форма двошарнірної стальної арки з перфорованим верхнім поясом і попередньо напруженою розпіркою. Розроблена методика, яка дозволяє встановити раціональні параметри її конструктивної схеми.

2. Запропонована і обґрунтована деформаційна схема арки в цілому і її перфорованого поясу зокрема, яка враховує зміщення осі поясу і виникнення внаслідок цього додаткових напружень від дії поздовжнього зусилля. Пропонується визначати загальні деформації як суму деформацій арки, що виникають внаслідок зміщення шарнірно-рухомого вузла і місцевого прогину перфорованого поясу між точками його закріплення.

3. Встановлені оптимальні параметри розрізу вихідного двотавра за відомою комбінацією згинаючого моменту і поперечної сили в найбільш напруженому перерізі.

4. Розроблений алгоритм і методика розрахунку напружено-деформованого стану арки з перфорованим верхнім поясом постійної по довжині жорсткості і попередньо напруженої розпірки з урахуванням деформаційної схеми їх роботи в якому обґрунтовані: висота розташування розпірки f1; ексцентриситет зміщення затяжки e0; величина попереднього напруження розпірки P2 і запропоновані формули для визначення розрахункових зусиль М, Q i N.

5. Розроблена експериментальна установка, яка дозволила закріпити арку відповідно до її розрахункової схеми і прикласти до неї навантаження за різними реально можливими схемами навантаження.

6. Результати експериментальних досліджень арки з перфорованим поясом підтвердили основні теоретичні передумови її розрахунку за деформаційною схемою. Виявлено, що відхилення експериментальних значень напружень від теоретичних в характерних перерізах напівпоясу арки з розпіркою склало до 20% в запас міцності. Сумарні експериментальні деформації арки відрізнються від теоретичних, визначених за запропонованою методикою, на 8% проти 21% порівняно із розрахунком за недеформаційною схемою.

7. Руйнування арки з попередньо напруженою розпіркою відбулось через втрату стійкості стиснуто-згинального перфорованого поясу конструкції із її площини між точками прикладання навантаження на відстані 1 м від лівої опори. Коефіцієнт запасу несучої здатності становить 1,15. За дії розрахункового навантаження максимальні напруження в перерізах арки склали 0,93 Ryc.

8. Розроблені рекомендації щодо комплексного розрахунку стальної попередньо напруженої перфорованої арки на конкретному прикладі.

Література

1. Романюк В.В, Супрунюк В.В. Ефективна конструкція стальної двошарнірної арки // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. - Рівне, 2003. - Вип. 9. - С. 288-293.

2. Романюк В.В, Супрунюк В.В. Перевірка міцності перфорованих згинальних та стиснуто-згинальних стальних елементів за деформованою та недеформованою схемами // Вісник НУВГП - Рівне. 2004. - Вип. 3 (27) - С. 186-191.

3. Романюк В.В, Супрунюк В.В. Експериментальна установка для дослідження стальної арки та методика проведення досліду // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація: Зб. наук. ст. - Кривий Ріг: КТУ, 2004. - Вип. 6. -- С. 225-229.

4. Романюк В.В., Супрунюк В.В. Удосконалена конструкція стальної арки // Матеріали VIII Міжнар. наук.-практ. конф. „Наука і освіта `2005” (Будівництво та архітектура). - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - Т. 55 - С. 17-20.

5. Супрунюк В.В. Алгоритм розрахунку сталевої арки // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. - Рівне, 2005. - Вип. 12. - С. 325-329.

6. Романюк В.В, Супрунюк В.В. Експериментальні дослідження напружено-деформованого стану сталевої попередньо-напруженої перфорованої арки // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. - Рівне, 2006. - Вип. 14. - С. 309-317.

7. Стальна двосхила попередньо напружена перфорована арка: Деклр. пат. UА (11) 4373 Україна. МПК 7 Е04В1/32 / Романюк В.В., Супрунюк В.В. - № 2004042521; Заявл. 05.04.2004; Опубл. 17.01.2005, Бюл. №1. - 4 с.

Размещено на Allbest.ru