Delist.ru

 Совершенствование конструктивных решений, методов моделирования и расчета гофрированных элементов (29.10.2008)

Автор: Рыбкин Иван Сергеевич

Как видно из полученных по результатам данного исследования графиков (рис. 9), трапецеидальный профиль гофров наиболее эффективен при относительно малой гибкости стенки и при нагружении конструкции с формированием зоны чистого изгиба протяженностью L*2/3, т. е. при приложении сосредоточенной нагрузки вблизи опор.

Как и в случае волнового гофрирования стенки наблюдается эффект, который предлагается назвать «порогом устойчивости», предположительно вызванный «местной» потерей устойчивости стенки.

Из сопоставления результатов расчетов, сделано заключение, что в стенке, традиционно-гофрированной трапециевидным профилем, напряжения распределяются не так равномерно, как в аналогичной волнистой стенке. Имеются локализованные в сторонах трапеции гофров участки более высокой интенсивности напряжений. Общий уровень напряжений несколько выше, чем в волнистой стенке.

Рис. 9. Изменение коэффициента устойчивости конструкций при нагружении с зоной чистого изгиба, протяженностью: а - L/6; б – L/3; в –

Деформативность балки с трапецеидально-гофрированной стенкой мало отличается от балки со стенкой, гофрированной волнистым профилем. Форма потери устойчивости напоминает волновое гофрирование, однако, опорные участки стенки менее склонны к потере устойчивости.

При принятых в работе соотношениях геометрических параметров гофров и схемах загружения балка с трапециевидным профилем гофров стенки устойчивее балки с волнистой стенкой в 1.2-1.6 раза, но на 15% более металлоемка.

Сформулирован критериальный подход к оценке точности результатов расчета конструкций с применением МКЭ, реализуемым на ЭВМ. В данном подходе описаны причины наиболее распространенных ошибок при использовании компьютерной реализации МКЭ, а также рекомендации, приемы и подходы для минимизации и ликвидации ошибок и погрешностей расчета.

В пятой главе предложен критериальный подход к области применения гофрированных элементов, приведены система общих рекомендаций по их оптимальному проектированию, а также совершенствования существующих способов производства.

Критериальный подход основан на рациональном выборе конструкций и их видов, исходя из поставленных условий эксплуатации. В данном подходе демонстрируется возможность усовершенствования имеющихся конструктивных решений быстромонтируемых зданий из легких металлических конструкций, транспортных галерей, колонн промзданий и крановых эстакад на основе внедрения в их несущие конструкции традиционно- и переменно-гофрированных элементов, а также двутавровых конструкций с комбинированной стенкой. Таким образом, предлагается формировать систему несущих конструкций так, чтобы она наилучшим образом отвечала поставленным критериям, учитывая при этом унифицированность составляющих элементов. Рассмотрено как применение предлагаемого в данной работе переменно-гофрированного решения стенки позволит уменьшить характерные недостатки существующих конструктивных решений.

В рамках критериального подхода предлагается рассмотреть возможность создания универсальных наборных конструкций, которые в зависимости от поставленных условий выполняют роль различных функциональных элементов.

В приведенной системе общих рекомендаций по оптимальному проектированию показано, что оптимизация размеров гофрированных элементов неотъемлемо связана с параметризацией геометрии и, следовательно, с ее аналитическим описанием. Представленные в третьей и четвертой главах метод и методика, объединяют основные составляющие оптимизации размеров, а именно геометрическое моделирование и расчет конструкций с применением МКЭ. Кроме того, при изменении параметров модели аналитическая зависимость остается прежней в силу фиксированной топологии элемента. Таким образом, сформирован логический тандем подходов к вопросу оптимизации рассматриваемых элементов.

На основе проведенных в четвертой главе исследований и с учетом рекомендаций по оптимизиции разработаны принципы рационального распределения материала гофрированных элементов:

принцип относительной жесткости;

принцип равнопрочности;

принцип равного напряжения сечения;

применение материалов с соответствующими физико-механическими свойствами;

применение наиболее обоснованных конструктивных схем.

Разработаны усовершенствования производственных способов (гибка, штамповка, прокатка) изготовления строительных гофрированных элементов, позволяющих выпускать переменно-гофрированную продукцию. Некоторые из предложенных схем по производству переменно-гофрированных элементов основаны на существующих производственных мощностях и для своей практической реализации не требуют существенных капиталовложений.

Рассмотрены возможности изготовления как волнистого, так и трапецеидального и треугольного профилей гофров, односторонних и двусторонних относительно плоскости гофрируемого элемента.

Освещены вопросы назначения размеров заготовки, радиусов гибки, приведены соответствующие технологические рекомендации по производству. Описаны характерные достоинства, недостатки и особенности рассмотренных способов производства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен новый вид составных тонкостенных металлических конструкций – комбинированные конструкции, типом которых можно считать двутавровые конструкции с переменно-гофрированными, неподкрепленными стенками.

2. Уточнены коэффициенты в выражениях критических касательных напряжений стенки и сжатого пояса. Подтверждены выражения для определения нормальных критических напряжений стенки и сжатого пояса. Разработаны графики изменения коэффициентов, влияющих на напряженное состояние элементов конструкции с гофрированной стенкой и зависящих от их геометрических параметров, благодаря чему появляется новая возможность совершенствования конструктивных решений и облегчается оценка несущей способности элементов и конструкции в целом.

3. Разработан обобщенный метод компьютерного моделирования гофрированных и иных элементов (с учетом фактической геометрии).

4. Предложены новые конструктивные формы и решения стенок балок, колонн, арочных конструкций и опорных контуров, куполов, шатровых и складчатых поверхностей покрытий, а также других элементов схожей геометрии.

5. Разработана методика расчета и анализа конструкций с гофрированными элементами с применением МКЭ.

6. По результатам проведенных численных экспериментов и сравнительного анализа НДС двутавровых изгибаемых балок с традиционным и переменным гофрированием стенки, установлено, что балка с переменно-гофрированной стенкой эффективнее по металлоемкости на 8-9% при характерных нагружениях с образованием зоны чистого изгиба протяженностью одна треть и две трети пролета.

7. По результатам проведенных исследований устойчивости двутавровых изгибаемых балок с традиционно- и переменно-гофрированной стенкой разработаны графики, иллюстрирующие изменение коэффициента устойчивости (критического параметра нагрузки) в зависимости от гибкости стенки и показан эффект, названный «порогом устойчивости» конструкции.

8. По результатам проведенных численных экспериментов определены оптимальные диапазоны гибкостей переменно-гофрированных стенок двутавровых балок, нагруженных по рассмотренным в работе схемам.

9. Из сопоставления результатов расчетов НДС и устойчивости рассматриваемых конструкций по МКЭ с применением многофронтального метода и метода Гаусса, реализованных соответственно в КПК Scad и Лира, установлено, что данные методы дают расхождения в значениях мембранных напряжений в среднем 0.9%, в значениях коэффициентов запаса устойчивости в среднем 0.3%.

10. Подтверждены допущение исключения работы традиционно-гофрированной стенки поперек гофров, постоянство касательных напряжения по высоте сечения стенки и возможность их определения по известной формуле. Установлено, что при трапецеидальном гофрировании стенки уровень напряжений выше, чем в волнистой стенке в среднем на 15%. Определены формы потери устойчивости двутавровых изгибаемых балок с традиционно- и переменно-гофрированной стенкой.

11. Предложен критериальный подход к области рационального применения гофрированных элементов в строительстве.

12. Предложена обобщенная система рекомендаций оптимального проектирования конструкций с гофрированными элементами.

13. Предложены совершенствования существующих способов производства гофрированных элементов, представляющие возможность получения переменного гофрирования.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

Рыбкин И.С. Совершенствование конструктивных форм и оптимизация расчета металлических элементов с гофрированной стенкой.// Сб. Четвертой международной (Девятой межвузовской) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности». М.: ГОУ ВПО МГСУ, 2006. С. 49-53.

Рыбкин И.С. Применение тонкостенных металлических конструкций при мелиоративном и сельском строительстве. // Мелиорация и водное хозяйство. №2. М.,2007. С. 23-25.

Рыбкин И.С. О критериях оценки точности метода конечных элементов при расчетах гофрированных конструкций.// Материалы Пятой Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии». Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007. С. 35-39.

Рыбкин И.С. Аналитическое описание геометрии гофрированных элементов.// Научные труды Юбилейной Десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности». М.: ГОУ ВПО МГСУ, 2007. С. 113 - 118.

Рыбкин И.С. Анализ напряженно-деформированного состояния гофрированных изгибаемых металлических элементов. // Научные труды Юбилейной Десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности». М.: ГОУ ВПО МГСУ, 2007. С. 118-122.

загрузка...