Вдосконалення розрахункових моделей та конструкцій для подовження строків експлуатації промислових будівель

З врахуванням конструктивних особливостей таких будівель та причин характерних пошкоджень, розроблені: принципи адекватних розрахункових моделей для оцінки технічного стану споруд; методи експериментальних досліджень фактичних умов їхньої роботи; методи підсилення та вдосконалення конструкцій каркасів - для покращення експлуатаційних якостей та подовження строків безвідмовного функціонування.

1. Задачу побудови апроксимуючих моделей, адекватних роботі каркаса промислових будівель розглянуто як задачу синтезу, за критерієм точності розрахунків, стосовно кількості елементів каркаса, які враховуються, схематизації цих елементів, схематизації та врахування пружності з'єднань.

Для каркасів, конструктивна схема яких відповідає принципу концентрації матеріалу (що є характерним для більшості цехів, які експлуатуються) обґрунтовано, як адекватну, розрахункову модель поперечних конструкцій каркаса у вигляді комбінованої системи, що включає в себе всі елементи та зв'язки, які уточнюють її роботу в своїй площині. Для розрахунків на локальні впливи вона доповнюється пружними стержневими зв'язками - “зовнішніми”, що враховують ефект її просторової роботи в системі каркаса, та “внутрішніми” - для врахування впливу пружної піддатливості елементів каркаса в вузлах спряження та спирання.

2. Досліджено на таких моделях, за допомогою чисельних експериментів, питання:

- про вплив різних “зовнішніх” пружних зв'язків на величини зусиль та деформацій при локальних впливах на конструкції, що моделюються;

- про можливість підсилення поперечних конструкцій регулюванням жорсткості поздовжніх елементів каркаса.

3. Розроблено методи визначення розрахункових параметрів стержневих пружних зв'язків: “зовнішніх” - шляхом розрахунку (або користуючись табличними значеннями для типових конструктивних рішень); “внутрішніх” - за результатами натурних випробувань.

Розроблено теоретичні та методичні питання забезпечення достовірності даних таких випробувань.

4. Для попереднього призначення розрахункових параметрів згинальної жорсткості елементів статично невизначених моделей в процесі проектування, поставлено та вирішено задачу про оптимальне співвідношення цих параметрів. Отримано, при врахуванні роботи “зовнішніх” пружних зв'язків, інваріантне, для різних умов проектування, рішення, яке дозволяє уточнити відомі рекомендації.

5. Досліджено “ефект опорного перерізу” нерозрізної підкранової естакади в промислових будівлях, що експлуатуються. При конструктивному оформленні опорних вузлів, що наближають естакаду до роботи рамної системи, вказаний ефект проявляється у вигляді складних згинально-скручувальних деформацій та відповідних напружень несподівано високого рівня (в 2,5 рази вище розрахункових).

З врахуванням аналізу причин таких, невідомих раніше, особливостей дійсної роботи елементів нерозрізної естакади, зроблено рекомендації для уточнення розрахункової моделі, прийняття конструктивних заходів та проведення експериментів на натурі з оцінкою впливу вказаних факторів на експлуатаційну надійність споруди.

6. Запропоновано метод підвищення довговічності підкранових та кранових конструкцій обмеженням перекосів мостових кранів, що досягається установкою між цими конструкціями пружних протиперекісних пристроїв, правильним їх налагодженням та розрахунковим забезпеченням.

Для реалізації цього методу вирішено задачі:

- розвитку теорії розрахунку складанням розрахункової моделі та рівнянь руху крана;

- синтезу параметрів налагодження протиперекісних приладів (стабілізаторів);

- розрахункової та експериментальної перевірки ефективності методу (усунення “пружних” перекосів, зменшення бічних сил, покращення динамічних характеристик системи “кран-каркас”);

- впровадження в умовах важкого режиму роботи крана та значних відхилень підкранової колії від ідеальної траси.

7. Розроблено спосіб підсилення сталевих колон каркаса “кранових” цехів створенням початкових зусиль, що розвантажують колону від вигину, шляхом натягання включених до конструктивної схеми каркаса гнучких елементів високої міцності.

Розглянуто та вирішено питання оптимізації параметрів попереднього напруження, що дозволяє забезпечити необхідний ефект підсилення найбільш економічними засобами.

8. Для проектування виробничих будівель з мостовими кранами розроблені нові конструкції колон каркаса, у відповідності до вирішення задач: спрощення конструктивної форми, раціонального використання елементів з високоміцної сталі, активного регулювання та авторегулювання зусиль, пристосованості до умов технічного утримання та довготривалої експлуатації.

9. На основі застосування двох марок колон нового типу та двохпрольотних нерозрізних балок, розроблено нову конструктивну схему каркаса з проектованою властивістю адаптації найбільш навантажених елементів до тисків від кранового поїзда та частковим розділенням функцій несучих конструкцій.

10. Результати дисертаційної роботи - методи експериментальних досліджень, методи підсилення підкранових та кранових конструкцій, розрахункові моделі - запроваджено при вирішенні задач забезпечення роботоспроможності конструкцій промислових будівель, що знаходяться в експлуатації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Основний зміст дисертаційної роботи викладено в таких публікаціях:

1. Ермак Е.М. Действительная работа и расчетные модели стального каркаса промышленных зданий. - Макеевка: ДонГАСА, 2002. - 189 с.

2. Ермак Е.М. Усиление внецентренно-сжатых колонн с помощью предварительного напряжения // Аннотационный сборник работ в области строительных металлоконструкций. - М.: ЦНИИпроектстальконструкция, 1989. - С. 17-18.

3. Ермак Е.М. Уточнение расчетных предпосылок для оценки эксплуатационной надежности строительных конструкций // Межвузовский сб. науч. трудов “Повышение долговечности строительных конструкций ж.д. транспорта”. Вып. 870. - М.: МИИТ, 1992. - С. 85-90.

4. Ермак Е.М. Уточнение жесткости опорных и узловых связей рамных конструкций на основе натурных испытаний // Межвузовский сб. науч. трудов “Вопросы обеспечения экономичности и эксплуатационной надежности конструкций транспортных сооружений”. Вып. 21. - Харьков: ХИИТ, 1993. - С. 3-13.

5. Ермак Е.М., Литвинов М.И., Новиков В.В. Особенности действительной работы большепролетных элементов стального каркаса промышленных зданий // Межвузовский сб. науч. трудов “Вопросы обеспечения экономичности и эксплуатационной надежности конструкций транспортных сооружений”. Вып. 21. - Харьков: ХИИТ, 1993. - С. 36-53.

6. Ермак Е.М., Кириченко М.А., Семенец Г.Л. Анализ работы поперечных рам стального каркаса промышленных зданий при локальных воздействиях // Межвуз. сб. науч. тр. “Создание новых композиционных материалов, повышение эксплуатационной надежности и сроков службы конструкций и сооружений на ж.д. транспорте” Вып. 26. - Харьков: ХарГАЖТ, 1996. - С. 30-43.

7. Ермак Е.М., Ермак З.Е. Повышение надежности подкрановых конструкций // Зб. наук. праць “Експлуатація та ремонт будівель і споруд міського господарства”. - К.: Інститут системних досліджень освіти, 1995. - С. 11-15.

8. Ермак Е.М. Оптимизация расчетной модели стального каркаса одноэтажных промышленных зданий // Сб. трудов Международной конференции “Металлостроительство - 96” т. 1. - Донецк-Макеевка, 1996. - С. 28-29.

9. Ермак К.М., Моренов К.С. О свойствах задачи оптимизации соотношения жесткостей элементов поперечных стальных рам ОПЗ // Межвуз. сб. науч. тр. “Совершенствование методов расчета и проектирования конструкций и сооружений”. Вып. 27. - Харьков: ХарДАЗТ, 1996. - С. 57-66.

10. Ермак Е.М. К вопросу о рациональной конструкции колонн стального каркаса крановых цехов // Сб. трудов Международной конференции “Теория и практика металлических конструкций” т. 1. - Донецк-Макеевка, 1997. - С. 98-102.

11. Єрмак Є.М. Про задачу уточнення величин кранових навантажень на конструкції промислових будівель // Зб. наукових праць “Проблеми надійності та довговічності інженерних споруд та будівель на залізничному транспорті”. Вип. 37. - Харків: ХарДАЗТ, 2000. - С. 100-107.

12. Ермак Е.М. Об учете частичной неразрезности ригелей поперечных рам стального каркаса одноэтажных промышленных зданий // Научно-техн. сб.: Коммунальное хозяйство городов. Вып. 25. - К.: Техника, 2000. - С. 77-87.

13. Єрмак Є.М. Про раціональну конструкцію сталевих колон, що несуть навантаження від мостових кранів // Зб. науч. праць “Питання підвищення надійності залізничної колії та інженерних споруд”. Вип. 48. - Харків, 2001. - С. 37-41.

14. Єрмак Є.М. Підвищення надійності кранових і підкранових конструкцій обмеженням перекосів мостових кранів / Металеві конструкції. т.3. УАМК. - 2000. - С. 21-26

15. Ермак Е.М. Усиление стальных колонн искусственным регулированием усилий // Науковий вісник будівництва. Вип. 18. - Харків: ХДТУБА, 2002. - С. 353-359.

16. Ермак Е.М. Экспериментальная проверка “жесткости” узлов сопряжения элементов стального каркаса промышленных зданий // Коммунальное хозяйство городов: Науч.- техн. сб. Вып. 42. - К.: Техніка, 2002. - С. 80-89.

17. Ермак Е.М. Методика уточнения характеристик жесткости узловых и опорных связей стального каркаса “крановых” цехов на основе динамических испытаний / Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - № 3. - 2002. - С. 22-25.

18. Ермак Е.М. Экспериментальное изучение боковых сил и динамических характеристик системы “кран-каркас” при работе мостовых кранов с ограничителями перекосов // Вестник ДонГАСА “Строительные конструкции, здания и сооружения”. - № 2 (33). - Макеевка, 2002. - С. 10-19.

19. Ермак Е.М., Калинин П.Н. Синтез параметров настройки противоперекосных стабилизаторов для мостовых кранов // Високі технології в машинобудуванні: Зб. науков. праць НТУ “ХПІ”. - Харків, 2002. - Вип. 1 (5). - С. 110-121.

20. Ермак Е.М. Совершенствование конструктивной формы стальных колонн и конструктивной схемы каркаса “крановых” цехов // Науковий вісник будівництва. Вип. 19. - Харків: ХДТУБА, 2002. - С. 218-224.

21. Єрмак Є.М. Дійсна робота і працездатність неразрізних конструкцій тривалих промислових будівель / Будівництво України, № 6. - 2002. - С. 14-18.

22. Єрмак Є.М. Розрахункові моделі щодо аналізу несівної спроможності конструкцій виробничих будівель в умовах локальних навантажень / Будівництво України, № 1. - 2003. - С.12-17

23. А.с. 1588693. СССР, Кл. В 66 С 9/16. Стабилизирующее устройство ходовой тележки мостового крана / Е.М.Ермак, И.М.Роговой (СССР). - № 4218876/27-11; Заявлено 01.04.87; Опубл. 30.08.90. Бюл. № 32. - 3 с.

24. А.с. 1507937. СССР, Кл. Е 04 С 3/10. Предварительно напряженная металлическая колонна / Е.М.Ермак, Я.П.Фельдман (СССР). - № 4364015/23-33; Заявлено 15.01.89; Опубл. 15.09.89. Бюл. № 34. - 4 с.

25. А.с. 1791585. СССР. Кл. Е 04 С 3/32. Металлическая колонна / Е.М.Ермак, В.В.Молчанов (СССР). - 4880500/33; Заявлено 11.11.90; Опубл. 30.01.93. Бюл. № 4. - 4 с.

26. А.с. 1744046. СССР. Кл. В 66 С 17/00. Мостовой кран / Е.М.Ермак, В.В.Молчанов, И.М.Роговой (СССР). - 4829518/11; Заявлено 28.05.90; Опубл. 20.06.92. Бюл. № 24. - 4 с.

27. А.с. 1766826. СССР. Кл. В 66 С 13/06. Грузовая тележка мостового крана / Е.М.Ермак, И.М.Роговой (СССР). - 4788749/11; Заявлено 11.02.90; Опубл. 07.10.92. Бюл. № 37. - 4 с.

Список праць, що додатково віддзеркалюють результати дисертаційної роботи:

28. Ермак Е.М. О задаче оптимального проектирования стальных рамных конструкций с упруго-податливыми связями / Тезисы докладов научно-технической конференции “Вопросы оптимизации при расчете и проектировании металлических конструкций”. - Свердловск, 1981. - с. 12-13.

29. Ермак Е.М., Литвинов М.И. Уточнение расчетной схемы неразрезных подкрановых конструкций / Тезисы докладов всесоюзного семинара “Индустриальные технические решения для реконструкции зданий и сооружений промышленных предприятий”. - Макеевка, 1986. - с. 122.

30. Ермак Е.М. Усиление подкрановых конструкций промышленных зданий и эстакад / Тезисы докладов 5-й Украинской научно-технической конференции по металлическим конструкциям “Усиление и реконструкция производственных зданий и сооружений, построенных в металле”. - Киев, 1992. - с. 28.

31. Ермак Е.М., Кириченко М.А., Семенец Г.Л. Об участии фонарных надстроек в работе несущих конструкций шатра промышленных зданий. // Сборник трудов II научно-технической конференции России и Украины “Вопросы проектирования и эксплуатации фонарей промышленных зданий”. - Магнитогорск, 1993. - с. 40-42.

32. Ермак Е.М. Расчетная модель для оценки надежности стального каркаса ОПЗ при локальных загружениях / Тезисы докладов Международного симпозиума “Исследование и строительство в экстремальных условиях”. - Москва, 1996. - С. 11.

33. Ермак Е.М. Оптимизация расчетных моделей и конструкций стального каркаса крановых цехов и эстакад. // Сборник докладов Международного симпозиума “Современные строительные конструкции из металла и древесины”. - Одесса, 1997. - С. 159-163.

34. Ермак Е.М., Исмагилов А.О. Уточнение расчетных предпосылок для оценки надежности сооружений, построенных на просадочных грунтах / Тезисы докладов Международной конференции “Надежность и безопасность зданий и сооружений в условиях особых воздействий” - Санкт-Петербург, 2001. - С. 46.

35. А.с. 1735470. СССР. Кл. Е 01 В 9/66, В 66 С 7/08. Устройство для крепления рельса к подкрановой балке / Е.М.Ермак, И.М.Роговой (СССР). - 4765114/11; Заявлено 05.12.89; Опубл. 23.05.92. Бюл. № 19. - 4 с.

36. А.с. 1791585. СССР. Кл. Е 04 С 3/32. Металлическая колонна / Е.М.Ермак, В.В.Молчанов (СССР). - 4880500/33; Заявлено 11.11.90; Опубл. 30.01.93. Бюл. № 4. - 4 с.

АНОТАЦІЯ

Ермак Е.М. Совершенствование расчетных моделей и конструкций для продления сроков эксплуатации промышленных зданий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 0523.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2003.

Диссертация посвящена проблеме обеспечения безопасной эксплуатации и продления ресурса промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами.

Выполнен анализ конструктивных решений эксплуатируемых цехов, причин характерных повреждений, расчетных схем проектирования и особенностей крановых воздействий на конструкции таких зданий. Приведен обзор научных трудов, оказавших влияние на развитие и совершенствование расчетных моделей и конструкций крановых цехов.

Изложены принципы формирования расчетных моделей, адекватных фактической работе конструкций промышленных зданий. С учетом особенности конструктивной схемы каркаса эксплуатируемых цехов, обоснована возможность и целесообразность решения этой задачи на основе уточнения традиционных предпосылок в отношении топологии расчетной системы, схематизации элементов и узлов, эффекта пространственной работы локально загруженных конструкций.

Предложено расчетную систему, обоснованно выделенную из полной схемы конструктивного комплекса, дополнять упругими стержневыми связями - для учета совместной работы этой системы с элементами каркаса, не включенными в ее состав (“внешние” упругие связи) и учета упругой податливости сопряжений и креплений элементов (“внутренние” упругие связи). Получены формулы и составлены таблицы для определения параметров “внешних” упругих связей, что упрощает работу на этапе подготовки исходных данных к расчетному анализу усилий и деформаций.

Подтверждена достаточная точность и достоверность результатов расчетов на предлагаемом варианте адекватной расчетной модели путем сравнения этих результатов с данными натурных испытаний.

Численными экспериментами на различных вариантах расчетных моделей, производных от предлагаемого базового варианта, показаны возможности усиления поперечных конструкций каркаса рациональным изменением жесткости и количества продольных элементов.

Уточнены, на основе решения задачи оптимизации, рекомендуемые соотношения параметров системы для расчета статически неопределимых конструкций каркаса на первом этапе проектирования.

Разработаны методы экспериментально-теоретического исследования упругой податливости узловых и опорных связей каркаса и моделирования их на расчетной системе “внутренними” упругими связями. Учитывается вероятность случайной изменчивости характеристик упругого защемления колонн каркаса в “верхних” и “нижних” узлах, поэтому определение этих параметров проводится с применением статистического анализа результатов натурных испытаний.

Исследован “эффект опорного сечения” неразрезной подкрановой эстакады с выявлением изгибно-крутильных деформаций и максимальных напряжений в зоне узла сопряжения основных элементов. Сделаны рекомендации для учета такого напряженно-деформированного состояния при оценки работоспособного состояния подкрановых конструкций.

Разработаны методы усиления подкрановых и крановых конструкций промышленных зданий - введением в систему “кран-каркас” упругих противоперекосных устройств и гибких высокопрочных элементов с начальными усилиями. Решены задачи о подборе рациональных параметров указанных элементов усиления для устранения причин преждевременного износа, минимизации боковых сил, улучшения динамических характеристик системы “кран-каркас” и увеличения грузоподъемности колонн.

Разработана новая конструктивная схема каркаса с разделением функций несущих элементов, упрощением их конструктивной формы, использованием высокопрочных сталей и конструктивным обеспечением рационального управления напряженно-деформированным состоянием.

Приведены данные, позволяющие судить о преимуществах новых конструкций и модернизированной конструктивной схемы каркаса по показателям экономичности и эксплуатационным качествам.

Результаты исследований, приведенных в диссертации, внедрены: при разработке информационно-экспертной системы для технической эксплуатации ответственных промышленных зданий, при решении задач продления технического ресурса конструкций ряда цехов в городах Украины и России, при подготовке Государственного стандарта Украины ДСТУ Б В.2.6-10-96 “Конструкции стальные строительные. Методы испытаний нагружением”.

Ключевые слова: промышленные здания, сроки эксплуатации, каркас, мостовые краны, адекватные расчетные модели, упругие связи, крановые нагрузки, боковые силы, натурные испытания, численные эксперименты, регулирование усилий, элементы усиления.

Єрмак Є.М. Вдосконалення розрахункових моделей та конструкцій для подовження строків експлуатації промислових будівель. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Донбаська державна академія будівництва та архітектури, Макіївка, 2003.

Дисертацію присвячено проблемі забезпечення безпечної експлуатації та подовження технічного ресурсу промислових будівель, обладнаних мостовими кранами.

Розроблено принципи формування варіантів адекватних розрахункових моделей для оцінки технічного стану конструкцій каркаса.

Зроблено рекомендації для моделювання основних конструкцій каркаса (поперечних та поздовжніх) пласкими та просторовими підсистемами з пружними зв'язками.

Розроблено методи експериментальних досліджень фактичної роботи елементів, вузлових та опорних зв'язків каркаса, для уточнення та визначення параметрів розрахункових моделей.

Розроблено методи підсилення підкранових та кранових конструкцій промислових будівель - введенням в систему “кран-каркас” пружних протиперекісних пристроїв та гнучких високоміцних елементів з початковими зусиллями.

Розроблено конструкції та конструктивну схему каркаса з пристроями для авторегулювання зусиль та напружень від кранових навантажень.

Ключові слова: промислові будівлі, строки експлуатації, каркас, мостові крани, адекватні розрахункові моделі, пружні зв'язки, кранові навантаження, бічні сили, натурні випробування, чисельні експерименти, регулювання зусиль, елементи підсилення.

Yermak E.M. Improvement of accounted models and constructions to prolong the terms of industrial buildings maintenance. - Manuscript

Thesis for obtaining the scientific degree of a Doctor of Technical Sciences in specialty 05.23.01 - Building Constructions, buildings and structures. Donbass State Academy of Construction and Architecture, Makeevka, 2003.

The thesis is devoted to the problem of providing the safe maintenance and prolonging technical resources of industrial building which are equipped with bridge cranes.

The principles to form versions of adequate accounted models for appreciating the technical conditions of framework design are developed.

References for shaping the main framework design (transverse and longitudinal) by means of plane and spatial subsystems with elastic junctions are performed.

Experimental research methods of practical element, junction and supporting framework design are developed; they are aced for making more precise and defining the accounted model parameters.

Methods of strengthening the subcrane and crane design of industrial buildings by introducing the elastic and anti-bending devices and flexible high durable elements with initial stresses into the “crane - framework system” are developed.

Design and construction project of the framework with devices for autoregulation the stresses from crane ladings are worked out.

Key words: industrial building, maintenance terms, framework, bridge cranes, adequate accounted models, elastic junctions, crane lading, natural tests, numeral experiments, stress regulation, stress elements.

Підписано до друку 14.05.2003. Формат 60х84 1/16.

Умов. друк. арк. 2,19. Тираж 100 прим. Заказ 334-03.

Донбаська державна академія будівництва і архітектури

Надруковано у рекламно-видавничому секторі ВМЗ ДонДАБА

86123, Донецька область, м. Макіївка, вул. Державіна, 2

Размещено на Allbest.ru