Оптимальні поперечні перерізи стиснуто-зігнутих і розтягнуто-зігнутих сталевих стержнів за умови міцності в області обмежених пластичних деформацій

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

05.23.01. - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оптимальні поперечні перерізи стиснуто-зігнутих і розтягнуто-зігнутих сталевих стержнів за умови міцності в області обмежених пластичних деформацій

Кузенко Лариса Михайлівна

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Миколаївській державній аграрній академії Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент ПАСТУШЕНКО Сергій Іванович, Миколаївська державна аграрна академія, декан факультету механізації сільського господарства (м.Миколаїв ).(м.Миколаїв).

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор ГОРДЄЄВ Вадим Миколайович, ВАТ “УкрНДІ Проект сталь конструкція” імені В.М. Шимановського, перший заступник голови правління (м.Київ);

- кандидат технічних наук, доцент КУПЧЕНКО Юрій Вікторович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій (м.Одеса).

Провідна установа - Донбаська державна академія будівництва та архітектури, кафедра металевих конструкцій, Міністерство освіти і науки України (м.Донецьк).

Захист відбудеться “ 8 ” жовтня 2002 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 в Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м.Київ-37, Повітрофлотський пр-кт, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м.Київ-37, Повітрофлотський пр-кт, 31.

Автореферат розісланий “ 5 ” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., с.н.с. В.Г.Кобієв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах реалізації економічних реформ, відродження та розвитку національної ринкової економіки України найважливішими завданнями в галузі будівництва є створення ефективних металевих конструкцій, яким притаманна висока міцність, відносна легкість, технологічність виготовлення, надійність і довговічність в процесі експлуатації, шляхом економії металу та розробки нових методів розрахунку металевих конструкцій, прискоренням впровадження результатів науково-дослідницьких робіт через систему нормативних документів. На сучасному етапі розвитку металевих конструкцій є кілька найбільш поширених методів розв'язання задач зниження металомісткості. По-перше, це оптимальне проектування металевих стержнів (і в цілому металевих конструкцій), яке передбачає отримання раціонального варіанту і забезпечує економію матеріалу з одночасним зменшенням витрат на виготовлення при повному виконанні будівельних норм і правил. Становлення і розвиток теорії оптимальних систем в нашій країні належать А.І.Виноградову, К.Г.Протасову, Ю.А.Радцигу, К.М.Хуберяну та іншим вченим. По-друге, розрахунки елементів металевих конструкцій за граничними станами з урахуванням пластичної стадії деформування сталі. Деформаційна природа більшості граничних станів, яка вперше була встановлена М.С.Стрелецьким, в теперішній час визнана за основні положення проектування будівельних конструкцій. Певних результатів в теоретичних пошуках роботи металевих конструкцій за граничними станами досягли В.О.Балдін, М.П.Бєленя, В.В.Бірюльов, Б.М.Броуде, О.В.Геммерлінг. Введення критерію обмежених пластичних деформацій при розрахунках сталевих конструкцій за дослідами М.Д.Жудіна, Г.Є.Бєльського, М.М.Стрелецького, О.І.Стрельбицької, М.Л.Чернова, А.А.Чираса, В.С.Шебаніна надало подальший поштовх в пошуках по обгрунтуванню урахування обмежених пластичних деформацій на широкий клас статично навантажених конструкцій, а також розробку відповідних методик розрахунку елементів стержневих металевих конструкцій. Крім того, додаткові резерви економії металу надає проектування конструкцій із бісталевих стержнів, методика розрахунку яких представлена в роботах цілого ряду вчених.

Кожний із відмічених вище напрямів проектування металевих конструкцій дає свої позитивні результати щодо підвищення їх економічності, проте в комплексі вони до цього часу не розглядалися. Тому, вважається доцільним поєднання цих методів, зокрема дослідження по оптимізації перерізів стиснуто-зігнутих та розтягнуто-зігнутих моно- та бісталевих стержнів за умови міцності в області обмежених пластичних деформацій, що відкриває додаткові шляхи економії металу, можливість подальшого удосконалення методів розрахунку металевих конструкцій.

З цієї точки зору тема дисертаційної роботи є актуальною і має важливе значення для теорії розрахунків і практики проектування металевих конструкцій, тому що надає нові шляхи до підвищення ступеня рівноміцності і відчутної економії сталі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які проводились, входять до національних програм “Продовольство-95” та “Агропродкомплекс”. Вибраний напрямок роботи пов'язаний з виконанням бюджетних договорів на замовлення Мінагропромполітики України: “Розробка рекомендацій по розрахунку стійкості та деформативності несучих сталевих конструкцій сільськогосподарських споруд і впровадження їх у відомчі нормативні документи” (1994р., ДР 01960012897) та договору №11/3 від 4.10.2000р. “Розробка та впровадження збірно-розбірних монтажних з'єднань для сталевих каркасів споруд сільськогосподарського призначення, розробка методів їх розрахунку та технології виготовлення” (ДР 0100V003144). Автором розроблена методика розрахунку оптимальних двотаврових перерізів моно- та бісталевих стержнів і раціонального підбору сталевих прокатних стержнів, проведені експериментальні дослідження дійсної роботи оптимально спроектованих двотаврових перерізів при згині з поздовжньою силою за межею пружності.

Мета і задачі дослідження.Метою роботи є виявлення закономірності формоутворення та розробка методики розрахунку оптимальних двотаврових перерізів моно- та бісталевих стиснуто-зігнутих і розтягнуто-зігнутих стержнів в області обмежених пластичних деформацій, а також рекомендацій для їх використання у практиці проектування.

Для реалізації поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

1. Провести теоретичне дослідження напружено-деформованого стану двотаврових стиснуто-зігнутих та розтягнуто-зігнутих перерізів моно- та бісталевих стержнів на предмет виявлення закономірності їх формоутворення за умови міцності в області обмежених пластичних деформацій.

2. Розробити методику розрахунку оптимальних двотаврових перерізів з мінімальною площею на задане навантаження за умови міцності за межею пружності.

3. Розробити методику раціонального підбору сталевих прокатних стержнів при згині з поздовжньою силою в області обмежених пластичних деформацій. переріз пластичний деформація двотавровий

4. Виконати дослідне проектування та експериментальне дослідження дійсної роботи стиснуто-зігнутих та розтягнуто-зігнутих стержнів за межею пружності для з'ясування можливості підвищення навантажень, які сприймаються, і економії сталі при використанні запропонованої методики.

5. Розробити пропозиції по проектуванню, а також скласти програмний продукт для використання в практиці проектних організацій.

Об'єкт дослідження. Перерізи балок, сталевих стержнів статично визначних та невизначних стержневих конструкцій, які працюють при статичних навантаженнях в області обмежених пластичних деформацій.

Предмет дослідження. Оптимальне проектування перерізів сталевих балок та стержневих конструкцій. Вивчення та аналіз предмету дослідження проводилось шляхом класифікації можливих видів напружено-деформованого стану моно- та бісталевих стержнів за умови максимально повного використання матеріалу перерізу, коли нейтральна вісь проходить через середину висоти перерізу.

Методи дослідження. В основу розроблених методів оптимального проектування перерізів моно- та бісталевих балок та стержнів в області обмежених пластичних деформацій покладено методи класичної механіки в рамках автоматизованого проектування з детермінованою постановкою задач за принципом прямого проектування шляхом прямого перебору можливих варіантів із складанням алгоритму задачі лінійного програмування та експериментальні методи.

При дослідженні роботи сталевих стержнів використовувався критерій міцності у вигляді обмеження пластичної складової інтенсивності деформацій _ip,lim=0.002. Знаходження аналітичних залежностей проводилось методом апроксимації отриманих результатів розрахунків. Методика визначення останніх реалізує принцип зберігання традиційного виду розрахункових формул пружної стадії роботи, які використано за припущенням необмежено пружної роботи матеріалу з доповненням системою корегуючих розрахункових коефіцієнтів.

Теоретичні результати та дійсна робота стержнів досліджувались за допомогою використання методу одномасштабного моделювання, який забезпечує механічну подібність реальних стержнів і їх моделей, а також експериментальні випробування останніх на установці з точною системою контролю і чіткою схемою створення потрібного виду навантаження.

Наукова новизна одержаних результатів:

встановлена закономірність формоутворення оптимальних двотаврових перерізів за умови розвитку обмежених пластичних деформацій;

розроблена методика проектування моно- та бісталевих стержнів оптимального двотаврового перерізу при згині з поздовжньою силою за умови міцності в області обмежених пластичних деформацій;

обгрунтовані пропозиції щодо раціонального використання складених і прокатних сталевих стержнів за межею пружності.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення роботи полягає в тому, що: розроблено пакет прикладних програм, придатний до використання у практиці проектних організацій для оптимізації поперечних перерізів стержневих елементів сталевих конструкцій за умови міцності за межею пружності;

розроблені і використані для виконання розрахунків практичні методики безітераційного прямого підбору оптимальних двотаврових перерізів моно- та бісталевих стержнів за умови міцності, що працюють за межею пружності, які з достатньою мірою відповідають нормативним і конструктивним вимогам проектування.

Результати наукової роботи використовувались при проектуванні і були впроваджені в експериментальне будівництво: при спорудженні ремонтної майстерні Гуменецької птахофабрики Кам'янець-Подільського району Хмельницької області виготовлено перекриття; на заводі ВАТ “Модуль” (м.Кам'янець-Подільський Хмельницької області) впроваджено у серійне виробництво несучі балки перекриттів виробничих приміщень прольотом від 12 до 24 метрів.

Особистий внесок здобувача. Особисто автору належать:

отримання теоретичного напружено-деформованого стану оптимальних двотаврових перерізів за умови міцності в області обмежених пластичних деформацій з урахуванням основних гіпотез та припущень;

алгоритм підбору двотаврових перерізів моно- та бісталевих стержнів при згині з поздовжньою силою за межею пружності з урахуванням оптимізації їх геометричних розмірів;

рекомендації по раціональному використанню прокатних сталевих стержнів в області обмежених пластичних деформацій;

результати експериментальних досліджень напружено-деформованого стану моделей моно- та бісталевих стержнів оптимального двотаврового перерізу;

пропозиції для використання в практиці проектування запропонованої методики оптимізації перерізів двотаврових моно- та бісталевих стержнів у формі алгоритмів та відповідних програм розрахунків на ПЕОМ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на V (м.Київ, 1992р.) та на VI (м.Миколаїв, 1996р.) Українських науково-технічних конференціях по металевим конструкціям; на Міжнародній конференції “Металлостроительство-96” (м.Донецьк-Макіївка, 1996р.); на Міжнародному симпозиумі “Расчет и оптимизация промышленных сооружений” (мВолодимир, Росія, 1996р.); на Науково-теоретичних конференціях професорсько-викладацького складу МДАА (м.Миколаїв, 1993, 1994, 1995, 1999р.); на Міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції із метала та дерева” (м.Одеса, 2001). У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на міжкафедральному семінарі кафедр теоретичної та прикладної механіки, вищої та прикладної математики і загально-технічних дисциплін Миколаївської державної аграрної академії та Миколаївського науково-дослідного інституту агропромислових об'єктів та учбово-інформаційних технологій, а також на кафедрі металевих та дерев'яних конструкцій Київського національного університету будівництва і архітектури.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 робіт, з них у фахових наукових журналах та збірниках - 5, у матеріалах та тезах конференцій - 9.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 178 сторінках, з яких 110 сторінок основного тексту; 8 сторінок таблиць; 30 рисунків; 184 найменувань літератури на 18 сторінках і 5 додатків на 19 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми, формулюється мета і задачі досліджень, визначається наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проводиться аналіз розвитку і сучасного стану досліджень по проблемі оптимального проектування перерізів металевих стержнів. Показано, що абсолютна більшість авторів робіт, присвячених даній проблемі, відмічають багатоваріантність рішень оптимізаційних задач. Прагнення дослідників скоротити коло розв'язуваних задач привело до обгрунтування ряду питомих комплексних показників економічності і раціональності перерізів. Але при визначенні оптимального перерізу виділяються для розгляду два аспекти: по-перше, визначити, який вплив має окрема частина профілю на його спроможність протистояти тому або іншому навантаженню; по-друге, яке співвідношення між його окремими параметрами дає найбільш ефективну форму. Відмічається внесок З.Р.Пацкевича, П.Ф.Папковича, В.М.Вахуркіна, О.І.Виноградова, М.І.Рейтмана та інших в розробку і розвиток методів оптимізації та вдосконалення методів розрахунку поперечних перерізів металевих стержнів.

При розгляданні методів розрахунку, особлива увага звернута на дослідження по розрахунку стержнів при врахуванні пластичних деформацій. Зокрема, теоретичні та експериментальні дослідження останніх років, проведені під керівництвом М.Л.Чернова і В.С.Шебаніна, свідчать, що оптимальне проектування стержнів доцільно виконувати з використанням критерію обмежених пластичних деформацій, який забезпечує однакове входження в пластичну область різних марок сталі в стані навантаження.

На підставі проведеного аналізу можна зробити висновок, що питання компоновки складених поперечних перерізів металевих стержнів розроблені недостатньо, необхідне подальше дослідження докритичної роботи металевих стержнів оптимальних перерізів в області обмежених пластичних деформацій.

Другий розділ присвячено дослідженню закономірності формоутворення оптимальних двотаврових перерізів моносталевих стержнів. Критерій оптимізації - мінімальна площа перерізу. Вирішується задача мінімізації площі перерізу сталевого стержня, де перемінними є площі верхньої і нижньої полиць, площа стінки, розрахунковий опір сталі перерізу, при роботі його на стиск і розтяг, за обмеженнями, що передбачені СНиП ІІ-23-81*: за умови стійкості стінки (п.7.16) і звисів полиць (табл.30), за умови міцності за деформаційним критерієм у вигляді обмеження граничної величини інтенсивності пластичних деформацій ?_ip,lim за межею пружності: _{Т lim} , де _Т - величина деформацій, яка відповідає границі текучості; - шукана деформація; _lim - величина повної деформації. Визначаються два головні напрямки отримання оптимальних рішень. По-перше, це реалізація принципів максимальної тонкостінності елементів перерізів, що регламентовані нормами проектування по виконанню умов стійкості, при цьому залежність для визначення оптимальної висоти стінки двотаврового перерізу має вид

, (1)

де А₂ - площа стінки; R_y - розрахунковий опір матеріалу; Е - модуль пружності.

По-друге, це створення умов максимально повного використання матеріалу, за рахунок його перерозподілу між окремими елементами перерізу. Проведений теоретичний аналіз можливих граничних випадків напружено-деформованого стану дав можливість сформулювати наступні з них:

нейтральна вісь проходить по середині висоти перерізу;

значення поздовжньої сили N визначається із умови

N = (A₁ - A₃)R_y , (2)

де A₁ , A₃ - площі відповідно більшої і меншої полиць.

На підставі наведених умов отримані наступні співвідношення між окремими елементами перерізу:

(3)

де А - повна площа перерізу; q - введене позначення величини відношення площі більшої полиці і площі стінки, q=А₁/A₂; n - позначення величини відношення поздовжньої сили до її граничного значення, n=N/N_lim, при N_lim=АR_y.

Із розгляду граничної епюри нормальних напружень оптимально завантаженого асиметричного двотаврового перерізу моносталевого стержня отримана аналітична залежність для визначення граничного моменту М_lim при виконанні прийнятих умов оптимізації (1), (2), (3)

. (4)

Отримана залежність (4) і прийняті умови оптимізації (1), (2) і (3) використані при складанні алгоритму розрахунку оптимального двотаврового перерізу моносталевого стержня, на підставі якого проведене дослідне проектування моносталевих стержнів. Аналіз результатів дослідного проектування показав, що формоутворення оптимальних двотаврових перерізів моносталевих стержнів має єдину закономірність. Це підтверджується тим, що для будь-яких значень повної площі А певним значенням відношення n=N/N_lim відповідають одні і тіж величини q=А₁/A₂. Графік залежності q=f(n) приведений на рис.1.

Аналіз графіків перерозподілу площ елементів перерізів А₁=f(n), А₂=f(n), А₃=f(n) ( рис.1 ) показує, що в проміжку поздовжніх сил n-0.73…0.73 відбувається “взаємопереливання” площ із однієї полиці в іншу, тобто здійснюється плавний розвиток тавра без нижньої полиці в симетричний двотавр і навпаки - симетричного двотавра в тавр без верхньої полиці. Розміри меж значень поздовжньої сили N виродження двотавра в тавр, а отже і меж, в яких задовольняються прийняті нами умови оптимізації, визначаються із залежності

n*=0.5+1/12(6_ip,limТ+3_ip,lim²+2_Т²)(_Т+_ip,lim)² . (5)

Залежність для визначення меж виродження двотавра в тавр при фіксованих неоптимальних значеннях q має вид

. (6)

Рис.1.Графіки залежностей основних параметрів оптимальних перерізів

M_lim=f(n); q=f(n); A₁=f(n); A₂=f(n); A₃=f(n).

З огляду на те, що запропонована методика розрахунку оптимальних перерізів передбачає їх компоновку із максимально можливими значеннями висоти, проведене дослідження впливу конструктивних обмежень висоти перерізу на його розміри. При дослідному проектуванні раціональних двотаврових перерізів з конструктивно обмеженою висотою використовувалась залежність

, (7)

де k_h - відношення заданої висоти перерізу h до максимально можливої висоти оптимального перерізу h_опт , розрахованого на те саме навантаження при відсутності конструктивного обмеження висоти, k_h=h/h_опт.

Аналіз результатів дослідного проектування дозволив обгрунтувати єдину методику врахування конструктивних обмежень по висоті перерізу, відповідно якій за заданою схемою навантаження визначаються параметри оптимального перерізу в припущенні, що обмеження по висоті перерізу немає, а отримані параметри перерізу корегуються в залежності від величини обмеження висоти. З цією метою проведені розрахунки коефіцієнтів корегування.

Розроблена методика оптимального проектування складених двотаврових перерізів моносталевих стержнів дозволяє проводити раціональний підбір прокатних сталевих стержнів.У вихідні дані алгоритму розрахунку оптимальних двотаврових перерізів вводяться геометричні параметри профілю вибраного сортаменту на задані значення N_x і М_x та визначається граничний згинаючий момент М_x^*, що витримується даним профілем площею А^*. Якщо М_lim^* < М_x , то відшукується профіль сортаменту з площею А^**, для якого А^** >А^* , а М_lim^** > М_x .

У третьому розділі розглянуто особливості формоутворення оптимальних двотаврових перерізів бісталевих стержнів. Теоретичний аналіз граничних епюр нормальних напружень двотаврових перерізів бісталевих стержнів, полиці яких виконані із сталі з більшим розрахунковим опором R_f ніж стінка - R_w, тобто R_f>R_w , показав, що умови і методика їх компоновки аналогічна із моносталевими. Особливістю розрахунку перерізів бісталевих стержнів в області обмежених пластичних деформацій є те, що розвиток пластичних деформацій можна враховувати двома способами, коли пластичні деформації враховуються тільки в стінці перерізу і коли розвиток пластичних деформацій дозволяється не тільки в стінках, але і в полицях. Другою особливістю розрахунку оптимальних двотаврових перерізів бісталевих стержнів є проблема вибору марок сталей, або співвідношень розрахункового опору матеріалу стінки і полиць. Урахування відзначених особливостей дозволило отримати наступну залежність визначення граничного згинаючого моменту, який витримує переріз площею А:

,

(8)

де k_r - відношення розрахункових опорів сталі стінки і полиць, k_r =R_w /R_f .

Як показали результати дослідного проектування, залежність параметрів двотаврових перерізів від співвідношення розрахункового опору сталі стінки і полиць для різних за величиною площ мають однаковий характер, тому зроблені висновки про єдину закономірність формоутворення оптимальних двотаврових перерізів бісталевих стержнів.

На відміну від перерізів моносталевих стержнів підвищення розрахункового опору сталі полиць набагато підвищує їх роль в забезпеченні несучої здатності перерізу в цілому, на що вказують і значно більші, в порівнянні з моносталевими перерізами, значення співвідношень площ більшої полиці і стінки q. Встановлена прямо пропорційна залежність інтенсивності зростання величини граничного згинаючого моменту M_lim від інтенсивності зростання розрахункового опору сталі полиць по відношенню до сталі стінки, тобто

M_lim =C_N R_f , % . (9)

де C_N - коефіцієнт пропорційності, який залежить від значення поздовжньої сили; М_lim і R_f - відповідно зростання граничного згинаючого моменту і розрахункового опору сталі в порівнянні з моносталевими перерізами, %.

Виявлена залежність (9), а також розраховані коефіцієнти пропорційності використовуються у запропонованій методиці розрахунку оптимальних двотаврових перерізів бісталевих стержнів. При цьому, на задану схему навантаження визначаються параметри оптимального двотаврового перерізу моносталевого стержня, виготовленого із сталі стінки з розрахунковим опором R_w .

Далі, в залежності від заданих умов, на отримання певних значень М_lim і А , визначається величина R_f=(R_f -R_w)/ R_w, а по ній k_r=R_w/R_f і, використовуючи розраховані коефіцієнти корегування величин h і q, визначаються параметри бісталевого двотаврового перерізу.

У четвертому розділі викладено результати експериментальних досліджень по вивченню дійсної роботи моно- і бісталевих стержнів при згині з поздовжньою силою за межею пружності. Випробувано 28 моделей стержнів різних серій, які були розраховані і спроектовані у відповідності із цілями, поставленими перед експериментальними дослідженнями. Навантаження моделей, що випробовувались, проводилось етапами по розробленій методиці навантаження і замірювання необхідних даних, при цьому максимальне навантаження було розділене на 7 етапів. В ході експериментальних випробувань в найбільш напружених крайніх волокнах полиць досліджуваних моделей стержнів деформації вимірювались механічними індикаторними тензометрами оригінальної конструкції з базою 20 мм і ціною поділок 0.002мм. Деформації в стінці і всіх точках полиць вимірювались тензорезисторами з базою 20 мм і опором 200 Ом з використанням вимірювача статичних деформацій ИД-61М. Прогини вимірювались прогиномірами.

Після обробки результатів експериментальних досліджень, отриманих на кожному етапі навантаження, будувались такі графічні залежності: епюри деформацій в найбільш напружених перерізах стержнів; залежності деформацій по краях полиць від поздовжньої і поперечних сил; залежності значень максимальних прогинів стержня від поздовжньої і поперечних сил.

Проведені експериментальні випробування підтвердили отримані теоретичні результати; показали, що розроблена методика оптимального підбору перерізів сталевих стержнів при проектуванні забезпечує необхідний запас міцності при їх роботі в області обмежених пластичних деформацій; підтвердили достатньо повне витримування гіпотези плоских перерізів в межах пружної роботи матеріалу і за межею пружності при пластичних складових деформацій _ip,lim=0.1...0.3%, а також якісне співпадання форми і характерних особливостей теоретичних і експериментальних графіків залежностей прогинів і деформацій від величини згинаючих моментів і наявний запас міцності в межах 7...15%.

В п'ятому розділі надана методика практичного розрахунку і компоновки оптимальних двотаврових перерізів моно- та бісталевих стержнів, а також наведені результати оптимального проектування двотаврових перерізів на конкретні схеми навантаження по розробленій методиці в порівнянні з розрахунковими згідно рекомендацій СНи ІІ-23-81*.

Аналіз отриманих результатів демонструє з одного боку доцільність і необхідність впровадження розробленої методики розрахунку оптимальних двотаврових перерізів моно- і бісталевих стержнів при їх роботі в області обмежених пластичних деформацій, яка відрізняється простотою, універсальністю і достовірністю отриманих результатів. З другого боку, отримані результати практичних розрахунків демонструють високу ефективність оптимізації розмірів поперечних перерізів стержнів, що підтверджується значною економією металу в порівнянні із стержнями, розрахованими за існуючими методиками. Зокрема, в залежності від умов навантаження при проектуванні моно- та бісталевих стержнів можна отримати економію металу в межах від 5 до 20%.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі оптимального проектування сталевих стержнів в області обмежених пластичних деформацій шляхом раціонального підбору перерізів стиснуто-зігнутих та розтягнуто-зігнутих моно- та бісталевих стержнів за умови міцності на підставі встановленої закономірності їх формоутворення в залежності від виду навантаження і матеріалу перерізу з метою підвищення ефективності металевих конструкцій і одержання економії металу.

2. Розроблена методика розрахунку та алгоритм підбору оптимальних двотаврових перерізів моно- та бісталевих стержнів передбачають забезпечення максимально повної роботи матеріалу перерізу, що досягається за умови реалізації принципів максимальної тонкостінності елементів перерізу та проходження нейтральної осі через середину висоти перерізу, що забезпечується для симетричних двотаврових перерізів при поздовжній силі N=0, для асиметричних - при значенні поздовжньої сили, яке задовольняє умові N=R_y(A₁-A₃).

3. Виявлена єдина закономірність формоутворення оптимальних двотаврових перерізів моно- та бісталевих стержнів за умови міцності, що підтверджується рівністю певних оптимальних значень q=A₁/A₂ при відповідних значеннях n=N/N_lim для будь-яких значень повної площі перерізу A.

4. Встановлені розміри меж виродження двотавра в тавр, що відбувається внаслідок зміни поздовжньої сили N від максимального стиску до максимального розтягу, при яких існує вирішення задачі відшукання двотаврових перерізів моносталевих стержнів. Для оптимальних двотаврових перерізів ці розміри залежать тільки від розрахункового опору матеріалу стержня R_f і прийнятої граничної величини інтенсивності пластичних деформацій _ip,lim, а при фіксованих неоптимальних значеннях q розміри меж визначаються із умови:

5. Параметри раціональних двотаврових перерізів моносталевих стержнів при введенні конструктивних обмежень по висоті рекомендується визначати шляхом корегування відповідних параметрів оптимальних двотаврових перерізів, розрахованих за умови відсутності конструктивних обмежень по висоті з використанням спеціально розрахованих коефіцієнтів корегування k_h, k_A, k_q.

6. Отримана прямопропорційна залежність приросту величини граничного згинаючого моменту M_lim від приросту величини розрахункового опору сталі полиць R_f вказує на необхідність врахування росту вартості матеріалу в порівнянні із зменшенням його ваги.

7. На основі аналізу результатів експериментальних досліджень та практичного проектування показано, що оптимізація параметрів двотаврових перерізів моно- та бісталевих стержнів за умови міцності при обмеженні інтенсивності пластичних деформацій з використанням розробленої методики приводить до значної економії сталі - до 40% у порівнянні із прокатними стержнями, розрахованими за СНиП ІІ-23-81* ; 5…20% у порівнянні із стержнями складених двотаврових перерізів, розрахованими за відомими методиками компоновки оптимальних перерізів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Кузенко Л.М. Оптимальне проектування симетричних перерізів двотаврів при складному опорі в межах обмежених пластичних деформацій //Вісник аграрної науки Причорномор'я. -Миколаїв:МСГІ - 1997. - Вип.1. - C.153-158.

2. Шебанін В.С., Пастушенко С.І., Кузенко Л.М. Оптимізація складених поперечних перерізів сталевих стержнів при згині з поздовжньою силою в області обмежених пластичних деформацій //Вісник аграрної науки Причорномор'я. - Миколаїв:МСГІ - 1997. - Вип.2. - С. 126-131.

3. Пастушенко С.І., Кузенко Л.М. Оптимальне проектування двотаврових перерізів при одноосному згині з поздовжньою силою за межами пружності //Вісник аграрної науки Причорномор'я. -Миколаїв: МДСГІ- 1998.- Вип.4. - С. 128-130.

4. Пастушенко C.І., Кузенко Л.М. Експериментальні дослідження дійсної роботи моносталевих стержнів з оптимальним вибором перерізів за межею пружності //Вісник аграрної науки Причорномор'я. - Миколаїв: МДАА -1999. - Вип.1(6). - С. 159-162.

5. Кузенко Л.М. Раціональне використання сталевих стержнів при роботі в області обмежених пластичних деформацій //Современные строительные конструкции из металла и древесины. - Одесса: ОГАСА, 2001. - С. 138-144.

6. Пастушенко C.И., Кузенко Л.М. Оптимальное проектирование сечений бистальных стержней в области ограниченных пластических деформаций //V Украинская научно-техническая конференция по металлическим конструкциям. - К:КИСИ, 1992. - С. 85

7.Пастушенко С.И., Кузенко Л.М. Учет начальных напряжений при оптимальном проектировании сечений стальных стержней в области малых пластических деформаций //V Украинская научно-техническая конференция по металлическим конструкциям. -К:КИСИ, 1992. - С. 84.

8. Кузенко Л.М. Оптимальне проектування перерізів бісталевих стержнів при забезпеченні міцності і стійкості в області обмежених пластичних деформацій //Соціально-економічні та технологічні проблеми АПК Причорномор'я і шляхи їх вирішення. - Миколаїв: МСГІ, 1993. - С.26-27.

9. Кузенко Л.М. Експериментальні дослідження роботи оптимальних перерізів моносталевих стержнів за межами пружності //Перспективи і напрямки розвитку АПК Причорноморського регіону. - Миколаїв: МСГІ, 1996.- С.85-86.

10. Пастушенко С.І., Кузенко Л.М. Методика розрахунку оптимальних перерізів моносталевих стержнів за межами пружності //Перспективні напрями розвитку АПК Причорноморського регіону. -Миколаїв:МСГІ, 1996. - С. 86-87.

11. Шебанин В.С., Пастушенко С.И., Кузенко Л.М. Оптимальное проектирование сечений моностальных стержней в области ограниченных пластических деформаций //Расчет и оптимальное проектирование строительных конструкций. Материалы международного симпозиума. -Владимир:Влад.гос.техн. ун-т, 1996. - С. 85-86.

12. Шебанин В.С., Пастушенко С.И., Кузенко Л.М. Оптимальное проектирование сечений составных стержней, выполненных из разных марок стали, с учетом ограниченных пластических деформаций //Международная конференция: “Металлостроительство -96”.- Донецк-Макеевка:ДонГАСА, 1996. - С. 25.

13. Пастушенко С.И., Кузенко Л.М. Оптимальное проектирование сварных стальных стержней с учетом ограниченных пластических деформаций //VI Украинская научно-техническая конференция . -Николаев-Киев: НСХИ-КИСИ, 1996. - С. 18-19.

14. Шебанин В.С., Пастушенко С.И., Кузенко Л.М. Экспериментальные исследования работы оптимальных сечений бистальных стержней за пределом упругости / VI Украинская научно-техническая конференция. -Николаев-Киев:НСХИ-КИСИ, 1996. - С. 72.

АНОТАЦІЯ

Кузенко Л.М.Оптимальні поперечні перерізи стиснуто-зігнутих і розтягнуто-зігнутих сталевих стержнів за умови міцності в області обмежених пластичних деформацій.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.01 -будівельні конструкції, будівлі та споруди. Київський національний університет будівництва і архітектури, м.Київ, 2002.

Дисертація присвячена питанням виявлення закономірності формоутворення та розробки методики розрахунку оптимальних двотаврових перерізів моно- та бісталевих стержнів. Запропоновано безітераційні алгоритми компоновки поперечних перерізів стиснуто-зігнутих і розтягнуто-зігнутих елементів конструкцій за умови міцності в області обмежених пластичних деформацій. Розроблені методики базуються на реалізації вимог оптимальності з урахуванням норм проектування і використані при оптимальному проектуванні стержневих конструкцій.

Ключові слова: закономірність формоутворення, компоновка оптимальних перерізів, область обмежених пластичних деформацій, оптимальне проектування.

АННОТАЦИЯ

Кузенко Л.М. Оптимальные поперечные сечения сжато-изогнутых и растянуто-изогнутых стальных стержней по условиям прочности в области ограниченных пластических деформаций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев, 2002.

Диссертация посвящена вопросам выявления закономерности формообразования и разработки методики расчета двутавровых сечений моно- и бистальных стержней. В диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

Проводится анализ развития и современного состояния исследований по проблеме оптимального проектирования сечений металлических стержней, методам их расчета при учете пластических деформаций. Указывается на недостаточность разработки вопросов оптимизации составных сечений моно- и бистальных стержней при изгибе с продольной силой при условии развития ограниченных пластических деформаций, что открывает дополнительные пути экономии металла.

Представлены исследования закономерностей формообразования оптимальных двутавровых сечений моно- и бистальных стержней. При этом выделены два основных направления получения оптимальных решений:

реализация принципов максимальной тонкостенности элементов сечений, регламентированные нормами проектирования по выполнению условий устойчивости;

создание условий максимально полного использования материала сечения за счет его перераспределения между отдельными элементами.

Проведенный теоретический анализ возможных предельных случаев напряженно-деформированного состояния, полученные аналитические зависимости при этом и результаты опытного проектирования показали, что формообразование оптимальных двутавровых сечений моностальных стержней имеет единую закономерность. Аналогична закономерность формообразования оптимальных двутавровых сечений и бистальных стержней.

Полученные результаты и аналитические зависимости использованы при составлении алгоритмов расчета и практической методики проектирования оптимальных двутавровых сечений моно- и бистальных стержней, методики учета конструктивных ограничений высоты сечения, а также методики рационального подбора прокатных стальных стержней.

Приведены результаты экспериментальных исследований по изучению действительной работы моно- и бистальных стержней оптимальных сечений, рассчитанных по предложенной методике. Изложена цель и задачи исследований, описаны установка, приборы и оборудование, приведены результаты исследований, подтвердившие достоверность разработанных методик расчета. При этом подтверждается достаточно полное соблюдение гипотезы плоских сечений в пределах упругой работы материала и за пределом упругости _ip,lim =0.1…0.3%, а также наличие запаса прочности оптимально спроектированных стержней при их работе в области ограниченных пластических деформаций в пределах 7…15%

Представлена методика практического расчета и компоновки оптимальных двутавровых сечений металлических стержней, приведены результаты оптимального проектирования по разработанной методике в сравнении с результатами расчетов по другим методикам и рекомендациям СНиП ІІ-23-81*.

Ключевые слова: закономерность формообразования; компоновка оптимальных сечений, область ограниченных пластических деформаций, оптимальное проектирование.

ABSTRACT

L.M.Kuzenko. Optimal cross section of bent-compressed and bent-tensile steel stems under strength conditions in the field of limited plastic deformation.- Manuscript.

The Ph.D. thesis for candidate of engineering science competition to speciality 05.23.01- Building Structures, Building and Construtions. Kyiv National University of Constrution and Architecture. Kyiv, 2002.

The problems of showing up of shapig regularity and design of mono- and bi-steel double-T sectional view calculation procedures are investigated in the thesis. Iteration-free configuration algorithms of optimal cross section of bent-compressed and bent-tensile steel stems under strength conditions are suggested. Designed procedures are based on optimal conditions implementation taking into consideration the designing regulations and used at optimal project of bar structures.

Key words: shapig regularity, optimal section configuration, limited plastic deformation, optimal design.

Размещено на Allbest.ru