Вибір оптимальних конструктивних рішень сталевих ферм покриттів

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Київський Національний Університет будівництва І архітектури

УДК 624.014.2 (519.168)

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вибір оптимальних конструктивних рішень сталевих ферм покриттів

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Білик Артем Сергійович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури (КНУБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Пермяков Володимир Олександрович, Київський національний університет будівництва і архітектури, кафедра металевих і дерев'яних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шевченко Євген Володимирович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, професор кафедри металевих конструкцій (м. Макіївка);

кандидат технічних наук, доцент Пелешко Іван Дмитрович, Національний університет «Львівська політехніка», доцент кафедри будівельного виробництва (м. Львів).

Захист відбудеться «18» грудня 2009 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, а. 466.

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

Автореферат розісланий «16» листопада 2009 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор О. А. Киричук.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний стан економіки України характеризується розвитком легкої та переробної промисловості а також збільшенням ролі наукомістких виробництв. Існуючий фонд промислового будівництва, незважаючи на великий ресурс площ, навіть за умови ефективної реорганізації не здатен повністю забезпечити технологічні потреби нових виробництв. Це зумовлює зростання питомої частки будівництва нових промислових об'єктів, особливо у галузі легкої промисловості. З іншої сторони, іде процес розвитку інфраструктури, яка також потребує ефективних вирішень інженерних та супроводжуючих будівель.

Головними факторами, що впливають на конструктивні вирішення будівель, є стисненість міської забудови і висока ринкова вартість землі під будівництво, особливо поблизу міських агломерацій. В таких умовах найбільше застосування знаходять швидкомонтовані будівлі помірних прольотів (12-36 м), які використовуються під склади, логістичні центри, станції технічного обслуговування, виставкові салони тощо. У якості несучих конструкцій покриття у таких будівлях найбільш широке застосування мають сталеві ферми.

Вибір оптимального конструктивного вирішення ферм покриття на стадії варіантного проектування з урахуванням конструктивних, технологічних, економічних та експлуатаційних вимог є важливою та актуальною задачею, особливо в умовах впливу часових та фінансових факторів, якими обмежений проектувальник. Зазвичай вибір вихідного варіанту принципового вирішення конструкції спирається на узагальнений досвід проектування конкретного проектувальника, а при відсутності необхідних аналогів на порівняння варіантів. Тому на першому рівні оптимізації будівельних конструкцій знаходиться варіантне проектування. При цьому розглядаються декілька варіантів майбутньої конструкції, що порівнюються за певними критеріями, в основному техніко-економічними показниками. Аналіз здійснюється шляхом осмислення особою, що приймає рішення, відповідності параметрів варіантних рішень заданим у технічному завданні на проектування умовам або обмеженням за кожним з критеріїв порівняння. Загальна методика вибору оптимального конструктивного вирішення ферм покриття з урахуванням конструктивних, технологічних, економічних та експлуатаційних властивостей досі не розроблена.

Актуальність роботи зумовлює також те, що вибір оптимального вирішення конструкції дозволяє запобігти виконанню окремого аналізу техніко-економічних показників проекту та підвищує його тендерну конкурентоспроможність, що в свою чергу cприяє захисту національного продукту в ринкових умовах та збереженню робочих місць.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі дослідження виконані в межах держбюджетної науково-дослідної роботи № 7-ДБ-2006 “Розвиток основи формоутворення і теорії розрахунку сталевих конструкцій з тонкостінних гнутих профілів несиметричного перерізу при розкріпленні в'язями зсуву” (на замовлення Міністерства освіти і науки України, номер державної реєстрації НДР 0106 U 000648). У даній темі автором була розроблена методика вибору оптимальної форми споруди при аналізі якісних параметрів.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики вибору оптимальних конструктивних вирішень сталевих ферм покриттів з простору можливих рішень з урахуванням конструктивних, технологічних, економічних та експлуатаційних вимог на стадії варіантного проектування.

Поставлена мета досягається на основі вирішення наступних задач досліджень:

Розробка методики вибору оптимальних рішень сталевих ферм, який здійснюється серед множини можливих альтернатив, що можуть відрізнятися топологією, геометрією, типами поперечних перерізів, абрисами та сполученням елементів у вузлах, але мають однакові параметри, зумовлені технічним завданням.

Вирішення задачі одностадійного оптимального проектування плоских сталевих ферм, що мають перерізи елементів із подвійних кутиків або гнутозварних замкнених профілів квадратного і прямокутного перерізу, працюють за балковою розрізною схемою при дії статичних навантажень, прикладених у вузлах.

Одержання цільових функцій критеріїв якості конструктивних рішень сталевих ферм покриттів на різних рівнях техніко-економічного аналізу з урахуванням конструктивних, технологічних, економічних та експлуатаційних вимог.

Розробка алгоритмів визначення оптимальних геометричних параметрів та вибору оптимальних рішень ферм на основі метода скінчених елементів та реалізація методики у вигляді об'єктно-орієнтованої експертної системи одностадійного проектування, що дозволяє на стадії варіантного проектування отримувати рішення у робочій стадії та здійснювати вибір оптимальних ферм покриттів серед множини можливих альтернатив за обраним критерієм якості.

Об'єкт досліджень: сталеві ферми покриттів будівель прольотами 12-36 м, що працюють за балковою розрізною схемою при дії статичних навантажень, прикладених у вузлах і мають елементи із подвійних кутиків та гнутозварних замкнених профілів квадратного і прямокутного перерізу.

Предмет досліджень: вибір оптимальних конструктивних вирішень сталевих ферм покриттів з урахуванням конструктивних, технологічних, експлуатаційних та економічних вимог.

Методи досліджень. При розрахунку та проектуванні конструкцій в дисертації використані методи класичної механіки. В основу розробленої методики вибору оптимальних рішень закладені методи дослідження операцій, математичного програмування, комп'ютерного моделювання тощо.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому що:

вперше сформульовано і вирішено задачу вибору оптимальних конструктивних рішень сталевих ферм покриттів будівель з урахуванням конструктивних, технологічних, економічних та експлуатаційних вимог;

вибір здійснюється серед конструкцій, які можуть відрізнятися топологією, геометрією, типами поперечних перерізів, абрисами та сполученням елементів у вузлах, але мають однакові параметри, зумовлені технічним завданням;

створено модель, що імітує дії раціонального експерта проектувальника плоских сталевих ферм, що мають перерізи елементів із подвійних кутиків або гнутозварних замкнених профілів квадратного і прямокутного перерізу, працюють за балковою розрізною схемою при дії статичних навантажень, прикладених у вузлах, і дозволяє автоматизовано отримувати технологічні показники та конструкції ферм у деталювальній стадії;

при оптимізації ферм покриттів застосовано нові критерії - масу конструкції у стадії КМД, собівартість однієї ферми, собівартість блоку ферм покриття (що включає прогони, профільований настил та в'язі) а також приведені витрати, що враховують витрати на опалення та періодичні ремонти шатра покриття;

методику реалізовано у вигляді об'єктно-орієнтованої експертної системи автоматизованого одностадійного оптимального проектування на основі методу скінченних елементів, що дозволяє отримувати оптимальні рішення ферм покриттів, коли ще тільки йде стадія варіантного проектування.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені в рамках дисертаційної роботи методики та підходи дозволяють визначати оптимальні рішення сталевих ферм для широкої сфери народного господарства країни, що сприяє підвищенню конкурентноспроможності продукції національного виробника та збереженню робочих місць. Реалізація методики у вигляді експертної системи автоматизованого вибору оптимальних рішень додатково дозволяє зекономити часові, трудові та матеріальні ресурси. Вирішення прикладних задач реального проектування холодного складу готової продукції у м. Свалява Закарпатської області і покриття пентхаусу багатоповерхової будівлі у м. Києві показало ефективність застосування розробленої методики та виявило резерви економічності конструкцій внаслідок вибору оптимальних рішень.

Особистий внесок здобувача. Всі дослідження, виконані у роботі, проведені автором самостійно.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи були представлені й обговорені на V Міжнародній науково-технічній конференції “Будівельні металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку” (ТОВ “УкрНДІ «Проектстальконструкція»” 19-22 вересня 2006 р. Київ, Україна), VI науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” по секції “Дослідження, проектування та запровадження ефективних будівельних конструкцій” (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне, 8-10 січня 2008 р.), ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте” (Самарський Державний Архітектурно-будівельний Університет, м. Самара, РФ, 19-21 вересня 2005 р.), Колоквіумі з металоконструкцій (ТОВ “УкрНДІ «Проектстальконструкція»”, 7-10 вересня 2009 р., м. Скадовськ, Україна).

Публікації. Основні наукові результати за темою дисертаційної роботи опубліковані у 6-ох наукових працях, у тому числі: 4 - статті в наукових журналах і збірниках, 2 - матеріали і тези науково-практичних конференцій. Окремі результати роботи зазначені у книзі Пермяков В.О., Перельмутер А.В., Юрченко В.В. Оптимальное проектирование стальных стержневых конструкций. - К.: ТОВ “Издательство “Сталь”, 2008. - 538 с.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел (205 найменувань робіт) та додатків. Робота викладена на 239 сторінках, у тому числі 5 сторінок змісту, 160 сторінок основного тексту, 20 сторінок списку використаних джерел, 35 повних сторінок із рисунками і таблицями, 19 сторінок додатків.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, об'єкт і предмет проведених у ній досліджень та використані при цьому методи, вказано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів; зазначено особистий внесок здобувача та апробацію результатів роботи, наведені публікації по темі дисертації.

У першому розділі “Стан питання і мета роботи” розглянуто сучасний стан галузі виробництва та ринку легких металоконструкцій в Україні. Відмічено, що найбільшого поширення набувають швидкомонтовані легкі металеві конструкції, що мають відповідати конструктивним, технологічним, економічним та експлуатаційним вимогам. В зв'язку із проведенням ЄВРО-2012, очікується подальше зростання обсягів будівництва із таких конструкцій, зокрема у секторах логістичної, складської нерухомості а також переробної та легкої промислової. Існуючі потужності українських заводів-виробників металевих конструкцій дозволяють забезпечити потреби ринку, проте застарілі технології та неконкурентноспроможність зумовлюють активне проникнення на ринок імпортних конструкцій. Одним із основних резервів економії матеріалів та підвищення конкурентоспроможності вітчизняних металоконструкцій є впровадження у виробництво наукомістких технологій, зокрема щодо вибору оптимальних конструктивних форм, які б дозволили конкурувати із західними аналогами. Це можливо здійснити на базі існуючих потужностей, що є значною перевагою. З урахуванням специфіки ринку, такі впровадження мають здійснюватися для найбільш масово застосованих конструкцій, якими зокрема є конструкції ферм покриттів.

Розглянуто класифікацію та особливості формоутворення ферм покриттів, показано, що найбільш широке застосування у якості конструкцій покриттів будівель широкого промислового та комерційного призначення в Україні мають легкі зварні ферми із парних кутиків та гнутозварних замкнених профілів, обрані як об'єкт дослідження.

Процес вибору найкращої конструкції при варіантному проектуванні розглянуто як процес прийняття рішень. Вибір оптимального рішення можливий тільки на основі ретельного техніко-економічного аналізу кожного з варіантів, що зазначено у роботах Е.О. Патона, Н.С. Стрілецького, Я.М. Ліхтарнікова, А.Ф. Кузнєцова та ін. При цьому найефективнішими методами визначення критеріїв порівняння варіантів є прямі методи, які дозволяють визначити масу деталей, потрібних для виготовлення конструкції поопераційну трудомісткість, витрати супутніх матеріалів тощо. Реалізація таких методів можлива у системах автоматизованого оптимального проектування. конструктивний сталевий абрис

Здійснено ретроспективний аналіз основних досліджень проблеми оптимального проектування сталевих стержневих конструкцій і ферм зокрема. Розглянуті роботи Н. П. Абовського, Я. Арори, В. А. Баженова, М. В. Бакієва, Н. В. Баничука, В. В. Бірюльова, А.І. Виноградова, А.В. Геммерлінга, Є. М. Герасимова, В. М. Гордєєва, В.В. Горева, Є. В. Горохова, Л. Дакстейна, О.П. Дорошенко, І. Н. Калініна, М. Леві, К. Мажида, Дж. Максвела, А. Мічела , Я. І. Олькова, С.С. Онісіна, І.Д. Пелешко, В.О. Пермякова, Б. Н. Попова, М. Почтмана, К.Г.Протасова, І.М. Рабіновіча, Ю.А. Радціга, Г. Реклейтиса, Р.А. Ржаніцина, Д. Рожвани, А. М. Стерліна, В. В. Трофимовича, І.С. Холопова, Е. Хога, М.К. Хуберяна, А.А. Чіраса, Є.В. Шевченко, В. М. Шимановського, Л. А. Шміта, Р. Штойєра та ін. Показано, що задача прямого одностадійного оптимального проектування та вибору оптимального рішення сталевих ферм ще не знаходила свого комплексного вирішення. Існуючі методи математичного програмування не дозволяють здійснювати пошук у множині допустимих рішень при значних розбіжностях між ними (різниці у топології, абрисах, геометрії, типах поперечних перерізів елементів та розрахунковій схемі), що викликає опис конструкцій функціями з різними змінними, побудовою та обмеженнями. Оцінка кожної стержневої конструкції з такої множини допустимих рішень має бути багатокритеріальною та спиратися на ефективні методи прийняття рішень.

В зв'язку з цим розглянуті методи багатокритеріальної оцінки альтернатив та прийняття рішень на прикладі робіт А. Вальда, Р.Л. Кіні, Р.В. Козченко, О.І. Ларічева, В.С. Михалевича, С.В. Міконі, В.М. Озерного, Х. Райфи, Т.Л. Сааті, П.Г. Созоновського, В.К. Чичинадзе, Н.З. Шора та ін. Задача вибору оптимального рішення конструкції сталевої ферми на стадії варіантного проектування класифікована як задача вибору альтернатив з різноважливими критеріями із скінченої множини допустимих рішень. Тип задачі вибору - разовий довільний індивідуальний вибір у визначених умовах. Вирішення задачі вибору здійснюється в рамках нормативної моделі. Обґрунтовано застосування методу багатокритеріальної оцінки альтернатив на основі суперкритеріїв маси стадії КМД та вартості на різних рівнях аналізу, які являють собою адитивну лінійну згортку частинних критеріїв.

Показано, що автоматизована система одностадійного оптимального проектування має бути розроблена у вигляді спеціалізованої предметно-орієнтованої експертної системи, що моделює дії раціонального експерта-проектувальника.

Перший розділ обґрунтовує формулювання мети роботи та постановку задач досліджень для її досягнення.

У другому розділі “Розробка методики вибору оптимальних рішень” сформульовано задачу вибору оптимальної конструкції ферми покриття:

При заданих головних кількісних та якісних вихідних параметрах конструкції, що проектується, серед визначеної скінченої кількості альтернатив, здійснити вибір найкращої за обраним критерієм якості. При цьому кожна з альтернатив може відрізнятися від інших топологією, абрисами, геометрією, типами поперечних перерізів елементів та розрахунковою схемою при забезпеченні виконання однакових інших вихідних умов та при однакових обмеженнях. Класифіковано математичну модель, яка описує простір змінних, характерних для задачі, окреслено прийняті обмеження та допущення і область вихідних умов, в яких здійснюється її вирішення. Алгоритмічні цільові функції, які описують суперкритерії порівняння альтернатив можуть бути класифіковані як статичні, невипуклі, полімодальні, нелінійні, дискретні, недиференційовані, частково сепарабельні.

Для вирішення задачі визначеного вище типу найбільш ефективними є обчислювальні методи вибору оптимальних проектних рішень, зокрема метод послідовного аналізу варіантів, який ґрунтується на автоматизованому нормативному обрахунку критеріїв якості для всіх альтернатив з простору допустимих рішень, із послідуючим здійсненням відбору із них найбільш прийнятних.

Багатокритеріальну модель прийняття рішень побудовано у вигляді:

де - постановка (тип) задачі; - множина допустимих рішень; - множина критеріїв; - множина шкал критеріїв; - відображення множини допустимих рішень у множину векторних оцінок; - система уподобань особи, що приймає рішення; - вирішувальне правило.

Отримано алгоритм вирішення задачі вибору оптимальних конструктивних рішень. Процес аналізу кожного варіанта конструкції при цьому може бути представлений як послідовність кількох етапів:

1. Формується масив вихідних даних для реалізації оптимального вибору.

2. Акумулюються дані, потрібні для здійснення розрахунків.

3. Визначаються початкові параметри та похідні характеристики для кожної альтернативи.

4. Виконується пошук оптимальної геометрії для кожної альтернативи, що включає:

· підбір оптимальних поперечних перерізів на множинах сортаментів відповідно до зусиль, що діють у стержнях конструкції;

· виконання заданих вимог до уніфікації елементів конструкції;

· конструювання ферми (визначення параметрів зварних швів, реальних розмірів основних та конструктивних елементів);

· обчислення технологічних параметрів конструкції та визначення вектора часткових критеріїв техніко-економічних показників, яким характеризується кожна альтернатива;

· визначення суперкритерію якості на обраному рівні аналізу.

На заключному етапі серед усіх альтернатив виконується вибір оптимальної за вирішувальним правилом

.

Підмножинами альтернатив прийнято ферми з паралельним та трапецієвидним абрисом поясів з перерізами із рівнобічних прокатних кутиків та гнутозварних замкнених профілів з можливістю шарнірного або жорсткого сполучення елементів у вузлах. У кожну підмножину альтернатив входять конструкції, що відрізняються топологією (кількістю вузлів та елементів), геометрією (типом решітки, координатами вузлів) та типом сполучення елементів у вузлах, але структуровані відносно керуючих параметрів порівняння (в залежності від вихідних умов до вибору розглядаються конструкції з відповідним прольотом).

Критерії , ,… є показниками якості конструкції на різних рівнях аналізу:

- маса ферми, визначена за специфікацією стадії КМД;

- собівартість у ділі однієї ферми;

- розширена собівартість у ділі блоку ферм покриття з урахуванням другорядних та огороджувальних конструкцій;

- приведені витрати на блок ферм покриття з урахуванням експлуатаційних витрат.

Для обчислення суперкритерію маси конструкції в стадії КМД розроблено інформаційно-математичну модель, що описує фактичну масу основних і другорядних елементів конструкції і враховує відповідні сортаменти, з яких обираються поперечні перерізи елементів

.

Для ферм з паралельними поясами з парних кутиків змодельовано основні вузли, для яких вперше отримані точні залежності, що пов'язують параметри основних елементів із кількістю та типорозмірами елементів, потрібних для конструктивного оформлення вузлів на основі нормативних вимог до проектування (рис. 1). Показаний алгоритм, що дозволяє на основі зусиль у елементах ферми та початкових якісних параметрів визначити масу сталі, потрібної для її виготовлення.

Рис. 1. Секція моделі ферми з паралельними поясами з парних кутиків

Аналогічні залежності отримані для ферм із трапецієвидним абрисом поясів. Шляхом експериментального проектування схожих фермових конструкцій та їх елементів, встановлено, що різниця між масою КМД за розробленою моделлю на заданих профілях та при раціональному експертному проектуванні складає менше 3 %.

Проведене аналітичне моделювання проектування сталевих ферм із паралельними поясами з гнутозварних замкнених профілів (ГЗП) прямокутного і квадратного перерізу. Розглянуті основні положення та особливості розрахунку конструкцій з гнутозварних замкнених профілів, сумісність та узгодження конструктивних вимог.

Визначено параметри вузлів ферм з гнутозварних замкнених профілів з можливим ексцентриситетом внаслідок розцентрування осей (рис. 2).

Рис. 2. Модель вузла ферми з ГЗП з ексцентриситетом від розцентрування осей при розкісній решітці

Вперше отримано параметричні залежності, що дозволяють визначити ексцентриситети від розцентрування осей елементів, що сходяться у вузлах:

,

де ,

а також залежності що дозволяють визначити зміну кутів нахилу елементів решітки при дотриманні заданої міжноскової відстані:

,

де , та ,

що дозволило повністю формалізувати процес конструювання даного класу конструкцій.

Показано, що оптимальне проектування ферм із ГЗП є ітеративною процедурою, яка вимагає перерахунку згинальних моментів від розцентрування осей та зміни жорсткості елементів, що сходяться у вузлах.

Формалізовані перевірки міцності вузлів ферм з гнутозварних замкнених профілів із міжносковою відстанню, для ферм із ГЗП обґрунтовано потребу у вдосконаленні методики розрахунку адаптовано до реальної роботи та формалізації процесу проектування у рамках експертної системи оптимального вибору а також застосування нових типів вузлів із урахуванням зарубіжного досвіду. Зокрема показано доцільність використання вузлів із приєднанням елементів решітки на поясах внапусток, що дозволяє повністю уникнути згинальних моментів від розцентрування і підвищити ефективність конструкцій.

При невиконанні перевірок елементів та зварних швів у вузлах автоматизовано встановлюються елементи підсилення (рис. 3).

Рис. 3. Підсилення К-подібних вузлів з ГЗП із міжносковою відстанню та внапусток при забезпеченні несучої здатності: а -полички пояса; б - стінки пояса; в - зварних швів та розкосів

Третій розділ, “Дослідження технологічних та експлуатаційних параметрів ферм покриттів” присвячено отриманню алгоритмічних функцій часткових критеріїв - техніко-економічних показників конструкцій ферм та критеріїв вибору , і .

Запропоновано модель, яка дозволяє визначити фактичні довжини зварних швів, що оформлюють не тільки основні, але і другорядні елементи конструкції. Порівняння результатів розрахунку довжин зварних швів (а отже і трудомісткості) за запропонованою моделлю із реальною конструкцією показало її високу точність (розбіжність до 2 %) та адаптивність до реальних умов проектування. Для усіх моделей вузлів всіх типів ферм, що розглядаються і описані у розділі 2, отримані залежності, що описують фактичні довжини зварних швів, потрібні для їх конструктивного оформлення.

Таким чином, трудомісткість виготовлення конструкції дорівнює сумі трудомісткості за операціями обробки, збирання та зварювання:

,

де - довжина швів даного типу і розміру, а - відповідна одинична трудомісткість їх виконання. Перехід від трудомісткості до вартості виконання робіт для будь-якої і-тої операції або сукупності операцій здійснюється через задану заробітну платню та тарифні коефіцієнти, регламентовані Мінпраці України:

.

Критерій собівартості у ділі однієї ферми є сумою технологічної собівартості витрат на основні матеріали, собівартості виготовлення, монтажу та транспортних витрат:

,

де вартість основних матеріалів є сумою

,

де - вартість фасонного прокату, - вартість листового прокату, - вартість електродів. Технологічна собівартість виготовлення відправної марки конструкції буде складатися із собівартості виготовлення деталей, їх збірки, зварювання та нанесення захисних шарів:

Технологічна собівартість виготовлення деталей в свою чергу є сумою вартостей послідовності основних операцій, що здійснюються при виготовленні конструкції ферми:

,

де - вартість розмітки натуральних шаблонів чи окремих деталей фасонної сталі; - вартість розмітки натуральних шаблонів чи окремих деталей листової сталі; - вартість намітки деталей фасонної сталі за шаблонами, - вартість намітки деталей листової сталі за шаблонами; - вартість різання фасонної сталі на комбінованих прес-ножицях; - вартість різання листової на гільйотинних прес-ножицях; - вартість правки фасонної сталі на ручному гвинтовому пресі; - вартість правки листової сталі на ручному гвинтовому пресі. Для обчислення відповідних показників трудомісткості у інформаційній моделі конструкції збирається статистика щодо типорозмірів, маси та кількості листових та фасонних елементів тощо, відповідно до їх вимірників у пунктах норм часу. Норми часу для всіх операцій беруться згідно чинних нормативних документів.

Технологічна собівартість зварювання конструкції визначається в залежності від трудомісткості зварювання конструкції, яка обчислюється інтегрально за сумою довжин швів по кожному виду з'єднань.

Технологічна собівартість пофарбування конструкції враховує операції очищення, знежирювання, ґрунтування і пофарбування ферми.

Критерій розширеної собівартості у ділі блоку ферм враховує вартість другорядних та огороджувальних конструкцій, пов'язаних із варіантним рішенням:

де - вартість додаткових матеріалів та елементів, що для даного випадку включає в себе: ; - вартість прогонів покрівлі, що підбираються в залежності від діючих навантажень; - вартість в'язей, що улаштовуються між фермами; - вартість інших елементів, що можуть входити до шатру покриття; (наприклад для ферм з нижнім поясом нижче точки спирання це буде вартість двох додаткових ділянок колон); - вартість бічного огородження, що прийняте із панелей типу “сандвіч” та покрівлі, що складається з набірних панелей з утеплювачем, (аналогічно панелям “сандвіч”) з урахуванням вартості профільованого настилу, що підбирається в залежності від діючих навантажень; - технологічна собівартість виготовлення додаткових елементів (прогонів, в'язей); та - відповідно технологічні собівартість монтажу додаткових елементів та собівартість монтажу огороджувальних панелей.

Чисельні значення вартісних вихідних параметрів металопрокату, витратних матеріалів тощо, потрібних для розрахунку техніко-економічних-показників конструкції, занесені у базу цін, що заповнюється відповідно діючих прейскурантів цін на момент вирішення задачі і закупівлі матеріалів і послуг організацією-замовником.

Критерій приведеної вартості кроквяної частини блоку будівлі між поперечними рамами каркасу може бути обчислений за формулою:

де - витрати на опалення за термін експлуатації, - витрати на капітальні ремонти конструкції за термін експлуатації та - витрати на поточні ремонти конструкції за термін експлуатації.

Витрати на опалення за термін експлуатації складають

що враховує заданий температурний режим, теплотехнічні характеристики огороджувальних конструкцій та їх площу, що залежить від абрису та геометричних параметрів ферм.

Витрати на поточні ремонти конструкції передбачають витрати на відновлення захисного покриття, пофарбування та антикорозійний захист конструкції і за термін експлуатації можуть бути визначені як

а витрати на всі капітальні ремонти наближено як

де кількість заходів із капітального та поточного ремонту конструкцій

; .

Періодичність капітальних та поточних ремонтів введена у базу знань згідно чинних нормативних документів і визначається умовами експлуатації конструкцій, що задаються директивно.

У четвертому розділі “Реалізація та прикладне застосування системи вибору оптимальних рішень” розглянуті структура, алгоритми та принципи функціонування експертної системи вибору оптимальних рішень.

Отримані алгоритми підбору оптимальних поперечних перерізів конструкцій із шарнірним та жорстким примиканням елементів у вузлах. Пошук оптимальних поперечних перерізів виконується на дискретних множинах сортаментів методом повторних аналізів, вихідними даними при цьому є координати початкового і кінцевого вузлів стержня , апріорно задані величини , терм-множина структурної приналежності кожного елемента та початковий розв'язок .

Проведений аналіз збіжності алгоритму підбора оптимальних поперечних перерізів шарнірно-стержневих конструкцій засвідчив високу стійкість рішення до зміни початкового розв'язку (рис. 4, 5). Прикінцева конструкція досягається за умови затухання осциляцій збіжності або набирання ними циклічного характеру.

Рис. 4. Залежність теоретичної маси ферми від кількості ітерацій при = 1кН/м²

Описана реалізація алгоритму метода скінченних елементів у формі метода переміщень для розрахунку плоских стержневих конструкцій у системі оптимального вибору. Порівняння, проведені із існуючими розрахунковим комплексами засвідчили максимальну розбіжність у визначенні зусиль до 2 %, що пов'язано із обмеженнями довжини мантиси на багатоступеневих розрахунках через накопичення помилки та операції з числами різного порядку малості і є достатньо прийнятним для практики інженерних розрахунків.

Рис. 5. Залежність теоретичної маси ферми від кількості ітерацій при = 4 кН/м²

Отримані алгоритми визначення оптимальних геометричних параметрів альтернатив для конструкцій із шарнірним та жорстким поєднанням елементів у вузлах. Узагальненими геометричними параметрами для ферм з паралельними поясами є будівельна висота , а для ферм трапецієвидного абрису - кут нахилу верхнього поясу при висоті крайнього стояка, заданої конструктивно. Область можливих значень геометричних параметрів ферм розбивається на множину дискретних значень відповідно до нормативної моделі конструкції, за якою висота ферми має бути кратною 50 мм (ГОСТ 23119-78). Альтернативи при різних значеннях геометричних параметрів розглянуто як стани системи у термінах дослідження операцій. При формулюванні задачі в просторі станів рішення отримують у результаті застосування операторів до описів станів доти, доки не буде отримано вираз, що описує стан, який відповідає досягненню мети.

Дана задача є задачею про задачу про покриття множини і за теорією алгоритмів відноситься до т.зв. NP-повних задач. Обґрунтовано, що для подібних за складністю і кількістю змінних задач евристичні методи пошуку можуть призвести до хибних шляхів розкриття дерева рішень внаслідок полімодальності та пологості оптимуму.

Таким чином, виправданим є застосування методу повного перебору, який хоч і вимагає обчислення шуканих параметрів для всіх значень з області можливих, але в той же час гарантує досягнення глобального оптимуму та збіжності результатів пошуку.

Глобальним обмеженням, яке накладається на конструкцію, є обмеження за ІІ граничним станом. При цьому для перевірки виконання обмежень за ІІ граничним станом використовуються експлуатаційні, а при визначенні зусиль для розрахунку за І граничним станом - граничні розрахункові значення навантажень, задані директивно.

Зокрема, алгоритм вибору оптимальної висоти ферми має наступну послідовність дій:

1) акумулюються вихідні дані, потрібні для розрахунку;

2) обирається , , - кількість можливих значень ;

3) обчислюються координати вузлів конструкції для ;

4) за допомогою МСЕ знаходиться вектор зусиль ;

5) відбувається дискретно-розмірний пошук оптимальних поперечних перерізів, знаходиться вектор площ стержнів ;

6) знаходиться вектор часткових критеріїв порівняння та їх згортка у обраний критерій оптимального вибору ;

7) для отриманого знаходиться переміщення ;

8) дії 1-7 повторюються для усіх ;

9) вибір висоти відбувається за виконання умов:

,

де , - мінімальна висота, при якій задовольняються умови ІІ граничного стану. Також враховуються умови можливості існування конструкції.

Рис. 6. Альтернативи , , ,

Рис. 7. Альтернативи , , ,

Рис. 8. Альтернативи , , , , , , ,

Сформовано базу альтернатив системи та досліджено залежності вибору оптимального рішення від вихідних умов за різними критеріями оптимальності.

Рис. 9. Значення критерію оптимальних альтернатив при зміні

Кількість альтернатив у початковій базі обрана з метою репрезентативності найбільш характерних різних типів класифікаційних ознак обраного класу конструкцій, а також із міркувань обмежень щодо обсягу роботи. Для прикладу і проведення чисельних досліджень утворені альтернативи для прольоту 24 м (рис. 6, 7, 8).

Досліджено залежність вибору оптимального рішення альтернатив від діючого навантаження (рис. 9, 10, 11, 12). Встановлено, що для обраних альтернатив оптимальний вибір може заощадити до 50 % собівартості.

Рис. 10. Значення критерію оптимальних альтернатив при зміні

Рис. 11. Значення критерію оптимальних альтернатив при зміні

Рис. 12. Значення критерію оптимальних альтернатив при зміні

Отримані результати також можуть бути використані для попереднього вибору рішень і призначення геометричних розмірів в реальному проектуванні. Виявлено чутливість вирішення задачі вибору до вихідних умов щодо навантаження, особливо для альтернатив, що мають схожі топологічні типи.

Кількість альтернатив, що міститься в базі знань, може бути скінчено великою. Враховуючи основну властивість експертних систем - здатність до накопичення знань, можна відзначити, що по мірі використання системи при вирішенні реальних задач вибору кожним користувачем, база наповнюється новими альтернативами, що можуть бути залучені до вибору при вирішенні у свою чергу наступних задач. В цьому плані штучний досвід, який накопичується у системі є індивідуальним, проте може також бути вільно обміняний між користувачами.

Роботу експертної системи розглянуто на прикладних задачах вибору оптимального вирішення ферм покриття одноповерхового складу у м. Свалява та пентхаусу багатоповерхової будівлі у м. Києві. При виборі всередині однієї підмножини конструкцій досягнута економія 16 %, при виборі серед конструкцій різних підмножин - 28 %.

Висновки

1. У дисертаційній роботі розроблено методику вибору оптимальних сталевих конструкцій ферм з урахуванням конструктивних, технологічних, експлуатаційних та економічних вимог, який здійснюється серед множини можливих альтернатив, що можуть відрізнятися топологією, геометрією, типами поперечних перерізів, абрисами та сполученням елементів у вузлах, але мають однакові параметри, зумовлені технічним завданням.

2. Розв'язано задачу одностадійного оптимального проектування плоских сталевих ферм безкранових будівель широкого призначення прольотом 12-36 м, що мають елементи із подвійних кутиків та гнутозварних замкнених профілів квадратного і прямокутного перерізу, працюють за балковою розрізною схемою при дії статичних навантажень, прикладених у вузлах.

3. Створено нормативну модель, яка включає в себе формалізовані норми та підходи в галузі металевих конструкцій на стадіях розрахунку, конструювання елементів та вузлів, складання специфікацій сталі і стадії визначення техніко-економічних показників конструкції в цілому. Поопераційний обрахунок трудомісткості виготовлення та монтажу конструкцій а також застосування при вирішенні кожної окремої задачі прейскурантів поточних цін на матеріали та вироби значно підвищує точність аналізу, дозволяє запобігти виконанню окремого обрахунку техніко-економічних показників проекту.

4. Отримані алгоритмічні цільові функції критеріїв якості конструктивних рішень ферм покриттів на різних рівнях аналізу - маса в стадії КМД, собівартість у ділі однієї ферми, розширена собівартість у ділі блоку покритті з урахуванням огороджувальних та супутніх конструкцій а також приведені витрати на блок ферм покриття з урахуванням експлуатаційних витрат.

5. Розроблено алгоритми визначення оптимальних геометричних параметрів та вибору оптимальних конструкцій для описаних цільових алгоритмічних функцій, що мають властивості статичності та полімодальності, є не випуклими, нелінійними, дискретними, недиференційованими та частково сепарабельними.

6. Методику реалізовано у вигляді об'єктно-орієнтованої експертної системи, що дозволяє автоматизовано знаходити оптимальні параметри конструкцій та здійснювати вибір серед множини можливих альтернатив за обраним критерієм якості, коли ще тільки йде стадія варіантного проектування.

7. Застосування експертної системи при вирішенні прикладних задач реального проектування показало ефективність застосування розробленої методики та виявило значні резерви економічності конструкцій внаслідок вибору оптимальних рішень на стадії варіантного проектування. Зокрема при виборі оптимального рішення всередині однієї конструктивної групи ефективність оптимального рішення отримано до 16 %, а при здійсненні вибору серед усіх груп альтернатив - до 28 %.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Білик А. С. Вирішення задачі вибору оптимальних конструктивних рішень ферм з гнутозварних замкнених профілів за допомогою експертної системи автоматизованого проектування / А. С. Білик // Строительство, материаловдение, машиностроение : сб. науч. трудов. - Днепропетровск : ПГАСА, 2009. - Вып. 50. -С. 46-55.

2. Білик А. С. Вибір оптимальних конструктивних рішень при аналізі якісних умов проектування / А. С. Білик // Будівельні конструкції : зб. наук. праць. - К. : НДІБК, 2005. - Вип. 63. - С. 335-340.

3. Білик А. С. Визначення оптимальних конструктивних рішень ферм у експертній системі одностадійного оптимального проектування / А. С. Білик // Зб. наук. праць УНДПІСК ім. В. М. Шимановського. - К. : Вид-во “Сталь”, 2009. - Вип. 4. - С. 119-132.

4. Білик А. С. Експертне моделювання вибору оптимальних рішень плоских сталевих зварних конструкцій / А. С. Білик, В. О. Пермяков // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди : зб. наук. праць. - Рівне, 2008. - Вип. 16, ч. 2. - С. 295-302.

5. Білик А. С. Аналітичне моделювання функції маси сталевих конструкцій при виборі оптимальних конструктивних рішень сталевих ферм / А. С. Білик // Зб. доповідей V міжн. наук.-техн. конф. “Будівельні металеві конструкції : сьогодення та перспективи розвитку”. - К. : Вид-во “Сталь”, 2006. - С. 32-37.

6. Білик А. С. Оптимальне проектування сталевих стержневих конструкцій із замкнених профілів / А. С. Білик // Зб. тез доповідей наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів, 6-9 листоп. 2007 р. - К. : КНУБА, 2007. - С. 34-35.

У публікаціях зі співавторами здобувачем виконано: постановка задачі вибору оптимальних рішень конструкцій ферм та формулювання основних часткових критеріїв порівняння.

Анотація

Білик А. С. Вибір оптимальних конструктивних рішень сталевих ферм покриттів. - 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. - Київ, 2009.

Дисертаційна робота присвячена вибору оптимальних конструктивних вирішень сталевих ферм покриттів будівель на стадії варіантного проектування з простору можливих рішень з урахуванням конструктивних, технологічних, економічних та експлуатаційних вимог. Альтернативи при цьому можуть відрізнятися топологією, геометрією, типами поперечних перерізів, абрисами та сполученням елементів у вузлах, але мають однакові параметри, зумовлені технічним завданням. Методика вибору базується на методі послідовного аналізу варіантів, оптимізація поперечних перерізів яких виконується методом повторних аналізів, а дискретний пошук оптимальної геометрії - методом повного перебору. Оптимізація і вибір здійснюються за критеріями маси деталей ферми, собівартості, або приведених витрат кроквяного блоку будівлі.

Методику використано при проектуванні реальних об'єктів. Отримані результати засвідчують вибір оптимальних рішень на стадії варіантного проектування як значний резерв економічності конструкцій.

Ключові слова: вибір оптимальних рішень; металеві конструкції; ферми із подвійних кутиків та гнутозварних замкнених профілів; багатокритеріальна оптимізація; оптимальне проектування; дослідження операцій; експертні системи.

Аннотация

Билык А. С. Выбор оптимальных конструктивных решений стальных ферм покрытий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Украина, Киевский национальный университет строительства и архитектуры. - Киев, 2009.

Диссертационная работа посвящена выбору оптимальных конструктивных решений стальных ферм покрытий зданий на стадии вариантного проектирования из пространства возможных решений с учетом конструктивных, технологических, экономических и эксплуатационных требований. Альтернативы при этом могут отличаться топологией, геометрией, типами поперечных сечений, очертаниями и соединением элементов в узлах, но имеют одинаковые параметры, обусловленные техническим заданием. Методика выбора основывается на методе последовательного анализа вариантов, оптимизация поперечных сечений которых выполняется методом повторных анализов, а дискретный поиск оптимальной геометрии - методом полного перебора. Оптимизация и выбор осуществляются по критериям массы деталей фермы, себестоимости, или приведенных затрат стропильного блока здания.

Методика применена при проектировании реальных объектов. Полученные результаты подтверждают выбор оптимальных решений на стадии вариантного проектирования как значительный резерв экономичности конструкций.

Содержание диссертации. Во вступлении обосновано актуальность темы диссертации, объект и предмет проведенных в ней исследований, приведена научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В первом разделе рассмотрено современное состояние отрасли производства и рынка легких металлоконструкций в Украине, классификацию и особенности формообразования ферм покрытий. Осуществлен ретроспективный анализ основных исследований проблемы оптимального проектирования стальных ферм. Показано, что задача прямого одностадийного оптимального проектирования на стадии вариантного проектирования и выбора оптимального решения стальных ферм, которые могут отличаться топологией, очертаниями, геометрией, типами поперечных сечений элементов и расчетной схемой еще не находила своего комплексного решения.

Во втором разделе сформулирована задача выбора оптимальной конструкции фермы покрытия: при заданных исходных параметрах проектируемой конструкции среди детерминированного конечного множества альтернатив осуществить выбор наилучшей по выбранному критерию качества. Подмножествами альтернатив принято фермы с параллельными и трапециевидными очертаниями поясов с сечениями из равнобоких двойных уголков и гнутосварных замкнутых профилей с возможностью шарнирного или жесткого соединения в узлах. Разработана информационно-математическая модель, которая определяет суперкритерий массы конструкции в стадии КМД для различных типов ферм с учетом конструктивных особенностей и требований.

В третьем разделе описаны алгоритмические функции частных критериев технико-экономических показателей ферм и получаемых на их основе критериев выбора себестоимости и приведенных затрат. Предложена модель, которая позволяет определить фактические длины сварных швов, которые оформляют основные и второстепенные элементы конструкции. Численные значение исходных стоимостных параметров металлопроката, затратных материалов и др., необходимых для расчета технико-экономических показателей конструкции, занесены в базу цен, которая заполняется соответственно действующих прейскурантов цен на момент решения задачи и закупки материалов и услуг организацией-заказчиком. Критерий приведенной стоимости стропильной части блока здания учитывает затраты на отопление и на текущие и капитальные ремонты за термин эксплуатации.

В четвертом разделе рассмотрены структура, алгоритмы и принципы функционирования экспертной системы выбора оптимальных решений. Описаны алгоритмы подбора оптимальных поперечных сечений шарнирно-стержневых конструкций и конструкций с жесткими узлами, которые используют дискретный поиск оптимальных поперечных сечений методом повторных анализов. Построены алгоритмы определения оптимальных геометрических параметров альтернатив для конструкций с шарнирным и жестким примыканием элементов в узлах. Поиск осуществляется методом полного перебора на дискретном множестве значений с учетом ограничений по перемещениям, напряжениям и условиям существования конструкции. Работу экспертной системы рассмотрено на прикладных задачах выбора ферм покрытия. При выборе среди одного подмножества конструкций достигнута экономия до 16 %, при выборе среди конструкций различных подмножеств - 28 %.

В выводах подытожены основные результаты диссертации и решенных задач а также эффективность и перспективы их прикладного применения.

Ключевые слова: выбор оптимальных решений; металлические конструкции; фермы из парных уголков и гнутосварных замкнутых профилей; оптимальное проектирование; исследование операций; экспертные системы.

Summary

Bilyk A. S. Optimal constructive decision choice of steel roof trusses. - Manuscript.

Thesis for candidate degree in Technical Sciences in speciality 05.23.01 - Structures for buildings, buildings and structures. - Ukraine, Kyiv National University of Construction and Architecture. - Kyiv, 2009.

Dissertation work is devoted to solving of optimal constructive decision choice problem of steel roof trusses on a preliminary design stage, from possible decisions space, accounting constructive, technological, economical and exploitation requirements. Alternatives may have differences in topology, geometry, elements cross-section types and connection one to each other, but have the same parameters, which contained in a technical design task. Choose process is based on a sequential analysis of variants; discrete-dimensional search of optimal geometry is based on a breadth-first process. Optimization and search is actualized using criteria of truss details weight, total cost, or a present value of unitized roof module of building.

Method is realized as one stage optimal design automatic expert system. The efficiency of method application is shown on real problems of roof truss optimal choice solving examples in a tender condition.

Key words: optimal decision sampling; steel structures; trusses with RHS, SHS and double angles elements; multi-criteria optimization; design optimization; operations research; expert systems.

Размещено на Allbest.ru