Помощь студентам в учебе
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ МОНТАЖА НA НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КАРКАСОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К МОНТАЖНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ РАСЧЁТА ЕЁ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ 7
1.1 Монтажные усилия 7
1.2 Податливость соединений 9
1.3 Метод конечных элементов 10
1.4 Экспериментальные исследования податливости болтовых
соединений 12
1.5 Выводы по обзору 13
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ МОНТАЖА 15
2.1 Общее описание математической модели 15
2.2 Точные модели 16
2.3 Способы оптимизации 26
2.4 Разработка упрощённого метода расчёта усилий 28
2.5 Выводы по главе 2 34
ГЛАВА 3 ИСПЫТАНИЯ НАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВ БОЛТОВЫХ
СОЕДИНЕНИЙ 36
3.1 Конструкция образцов 36
3.2 План эксперимента 37
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА’ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО
ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ РЕШЕНИЯМ В ОБЛАСТИ
МОНТАЖА 39
4.1 Проблема организации процесса проектирования 39
4.2 Границы применимости оптимизации последовательности 40
4.3 Направления развития потоков 41
Приложение А. ЭПЮРЫ МОМЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ
РАСЧЁТЕ В ЛИРА-САПР
Приложение Б. ЧЕРТЕЖИ КМД ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
Приложение В. ПЛАН ЭКСПЕРИМЕНТА
Приложение Г. ПАТЕНТНАЯ ФОРМУЛА
ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К МОНТАЖНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ РАСЧЁТА ЕЁ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ 7
1.1 Монтажные усилия 7
1.2 Податливость соединений 9
1.3 Метод конечных элементов 10
1.4 Экспериментальные исследования податливости болтовых
соединений 12
1.5 Выводы по обзору 13
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ МОНТАЖА 15
2.1 Общее описание математической модели 15
2.2 Точные модели 16
2.3 Способы оптимизации 26
2.4 Разработка упрощённого метода расчёта усилий 28
2.5 Выводы по главе 2 34
ГЛАВА 3 ИСПЫТАНИЯ НАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВ БОЛТОВЫХ
СОЕДИНЕНИЙ 36
3.1 Конструкция образцов 36
3.2 План эксперимента 37
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА’ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО
ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ РЕШЕНИЯМ В ОБЛАСТИ
МОНТАЖА 39
4.1 Проблема организации процесса проектирования 39
4.2 Границы применимости оптимизации последовательности 40
4.3 Направления развития потоков 41
Приложение А. ЭПЮРЫ МОМЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ
РАСЧЁТЕ В ЛИРА-САПР
Приложение Б. ЧЕРТЕЖИ КМД ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
Приложение В. ПЛАН ЭКСПЕРИМЕНТА
Приложение Г. ПАТЕНТНАЯ ФОРМУЛА
Каркасные здания являются одним из наиболее распространённых типов высотных зданий, многоэтажных промышленных зданий и спортивных сооружений (трибун стадионов). Металлический каркас с железобетонными перекрытиями позволяет достичь нестандартных архитектурных решений, снизить материалоёмкость строительства, повысить скорость возведения.
При использовании в качестве каркаса металлических конструкций существенной особенностью является необходимость достижения максимально равномерных по длине элемента усилий с целями упрощения конструкции и снижения расхода металла. В горизонтальных изгибаемых элементах наименьший расход металла будет достигнут при равенстве пролётного и опорных моментов при наиболее неблагоприятных сочетаниях внешних нагрузок. Второй немаловажной особенностью является необходимость в соответствии с Техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений обеспечить прочность и устойчивость конструкций на всех стадиях жизненного цикла здания, включая стадию возведения.
В настоящее время для расчётов внутренних силовых факторов стержневых систем, к которым в частности относятся металлические каркасы, преимущественно используется метод конечных элементов, в котором расчётная схема задаётся для стадии эксплуатации. В то же время известно, что расчётная схема каркаса может меняться в процессе возведения здания, в результате чего более правильным будет прикладывать каждую нагрузку на расчётную схему, существующую на момент возникновения данной нагрузки, а не на проектную эксплуатационную схему. Метод конечных элементов позволяет найти усилия в элементах путём сложения эпюр внутренних силовых факторов, найденных для заранее заданных комбинаций расчётной схемы и внешних нагрузок. При этом главным недостатком данного подхода является необходимость в процессе оптимизации пересчитывать заново всю расчётную схему для каждой последовательности загружений.
Кроме изменения наличия элементов к моменту приложения нагрузки также меняется и жёсткость соединений элементов между собой, что существенно влияет на итоговое распределение усилий. Также податливость узлов меняет расчётную геометрию каркаса, вследствие чего узлы могут смещаться на величины, превышающие допустимые для возможности монтажа значения.
Свод правил «Несущие и ограждающие конструкции» [66] допускает отставание бетонных работ (а следовательно и нагружения каркаса весом перекрытий, оборудования и т.п. нагрузками) на величину до 5 ярусов (10 этажей), вследствие чего итоговое напряжённо-деформированное состояние каркаса на стадиях монтажа и эксплуатации может меняться в зависимости от технологии и последовательности монтажа элементов каркаса в достаточно широких пределах.
Повышение конструктивной надёжности металлических каркасов с целью недопущения их обрушения на стадии монтажа является актуальной задачей технологии строительного производства. Также, с учётом относительной сложности существующих методов расчёта актуальной представляется необходимость разработки упрощённых методов оптимизации, которые позволят выполнять предварительное сравнение различных технологий монтажа с точки зрения строительной механики.
Целью данного исследования является повышение конструктивной надёжности многоэтажных зданий и сооружений с металлическим рамным каркасом за счёт обеспечения максимально равномерного распределения усилий по длине изгибаемых элементов (балок).
Достигнуть поставленной цели позволит решение следующих задач:
1. В области теоретических исследований:
- проанализировать допустимые по требованиям нормативной литературы последовательности возведения с точки зрения их влияния на напряжённо-деформированное состояние конструкций;
- сравнить значимость влияния последовательности возведения и податливости узлов для различных типов металлических каркасов;
- разработать упрощённый метод расчёта напряженно- деформированного состояния элементов на стадии монтажа, который позволил бы избежать необходимости использования метода конечных элементов.
2. В области экспериментальных исследований:
- изучить деформации болтовых соединений металлических конструкций;
- изучить влияние мест постановки болтов на деформативность временного соединения;
- уточнить критерии жёсткого и шарнирного соединений.
3. В области практического применения результатов исследования:
- разработать организационно-технологические решения по
повышению надёжности процесса монтажа;
- разработать рекомендации по временному закреплению конструкций и обеспечению монтажной устойчивости;
- разработать рекомендации по применению упрощённой методики расчёта напряжённо-деформированного состояния элементов на стадии монтажа.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
- произведён анализ влияния последовательности нагружения каркаса на внутренние усилия в его элементах и их значимость на фоне монтажных усилий, возникающих по другим причинам;
- разработан метод количественной оценки влияния наличия смежных элементов на жёсткость узлов и на усилия в рассматриваемом элементе каркаса;
- изучена податливость болтовых соединений и временных закреплений, построена математическая модель болтового соединения;
- разработаны организационные решения в области монтажа металлоконструкций, направленные на повышение конструктивной надёжности многоэтажных каркасов;
- обоснована экономическая целесообразность предлагаемых организационно-технологических решений с учётом влияния технологии и последовательности монтажа на итоговое напряжённо-деформированное состояние каркаса.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
- выявлены наиболее значимые случаи возникновения непроектных усилий в элементах каркаса на стадии монтажа;
- разработана методика упрощённой оценки последовательности монтажа с точки зрения возникающих в элементе усилий;
- уточнены критерии жёсткости и шарнирности болтовых соединений металлоконструкций;
- разработана методика нахождения оптимальных последовательностей нагружения с учётом податливости узлов.
Практическая значимость работы:
- выполненные исследования расширяют существующие знания в области напряжённо-деформированного состояния конструкций с учётом податливости узлов, дают новые сведения о состоянии конструкций в стадии монтажа;
- разработанная методика может быть использована для планирования монтажных процессов учёта монтажной устойчивости по требованиям Технического регламента о безопасности зданий и сооружений;
- разработанная методика позволяет при её применении на стадии проектирования добиться некоторого снижения металлоёмкости каркаса за счёт более равномерного распределения усилий.
Достоверность научных положений и выводов будет подтверждена экспериментальными исследованиями, сопоставлением данных экспериментов и математического моделирования с результатами других ученых, работающих в данной области.
Апробация работы была получена на следующих конференциях: I международная научно-практическая конференция «Строительство. Экология: теория, практика, инновации» (Челябинск, 2015 г.), 5я всероссийская научно-практическая конференция «Молодёжь. Наука. Инновации - 2015» (Челябинск, 2015), научно-техническая конференция «Строительство, архитектура и техносферная безопасность» (Челябинск, 2017 г.), научно-практическая конференция «Разработки Российской Федерации по приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники» (Челябинск, 2017), 67-я, 68-я, 69-я и 70-я научные конференции «Наука ЮУрГУ. Секции технических наук» (Челябинск, 2015-2018 г.) VII, VIII, IX и X конференции аспирантов и докторантов ЮжноУральского государственного университета (Челябинск, 2015-2018 г).
В 2015 и 2017 годах заявки, связанные с темой диссертации, выходили в финал конкурса У.М.Н.И.К Фонда содействия инновациям в секции «Информационные технологии».
Работа выполнена на кафедре строительного производства и теории сооружений (до 2017 года технологии строительного производства) ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (НИУ)» в период с 2014 по 2018 годы.
При использовании в качестве каркаса металлических конструкций существенной особенностью является необходимость достижения максимально равномерных по длине элемента усилий с целями упрощения конструкции и снижения расхода металла. В горизонтальных изгибаемых элементах наименьший расход металла будет достигнут при равенстве пролётного и опорных моментов при наиболее неблагоприятных сочетаниях внешних нагрузок. Второй немаловажной особенностью является необходимость в соответствии с Техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений обеспечить прочность и устойчивость конструкций на всех стадиях жизненного цикла здания, включая стадию возведения.
В настоящее время для расчётов внутренних силовых факторов стержневых систем, к которым в частности относятся металлические каркасы, преимущественно используется метод конечных элементов, в котором расчётная схема задаётся для стадии эксплуатации. В то же время известно, что расчётная схема каркаса может меняться в процессе возведения здания, в результате чего более правильным будет прикладывать каждую нагрузку на расчётную схему, существующую на момент возникновения данной нагрузки, а не на проектную эксплуатационную схему. Метод конечных элементов позволяет найти усилия в элементах путём сложения эпюр внутренних силовых факторов, найденных для заранее заданных комбинаций расчётной схемы и внешних нагрузок. При этом главным недостатком данного подхода является необходимость в процессе оптимизации пересчитывать заново всю расчётную схему для каждой последовательности загружений.
Кроме изменения наличия элементов к моменту приложения нагрузки также меняется и жёсткость соединений элементов между собой, что существенно влияет на итоговое распределение усилий. Также податливость узлов меняет расчётную геометрию каркаса, вследствие чего узлы могут смещаться на величины, превышающие допустимые для возможности монтажа значения.
Свод правил «Несущие и ограждающие конструкции» [66] допускает отставание бетонных работ (а следовательно и нагружения каркаса весом перекрытий, оборудования и т.п. нагрузками) на величину до 5 ярусов (10 этажей), вследствие чего итоговое напряжённо-деформированное состояние каркаса на стадиях монтажа и эксплуатации может меняться в зависимости от технологии и последовательности монтажа элементов каркаса в достаточно широких пределах.
Повышение конструктивной надёжности металлических каркасов с целью недопущения их обрушения на стадии монтажа является актуальной задачей технологии строительного производства. Также, с учётом относительной сложности существующих методов расчёта актуальной представляется необходимость разработки упрощённых методов оптимизации, которые позволят выполнять предварительное сравнение различных технологий монтажа с точки зрения строительной механики.
Целью данного исследования является повышение конструктивной надёжности многоэтажных зданий и сооружений с металлическим рамным каркасом за счёт обеспечения максимально равномерного распределения усилий по длине изгибаемых элементов (балок).
Достигнуть поставленной цели позволит решение следующих задач:
1. В области теоретических исследований:
- проанализировать допустимые по требованиям нормативной литературы последовательности возведения с точки зрения их влияния на напряжённо-деформированное состояние конструкций;
- сравнить значимость влияния последовательности возведения и податливости узлов для различных типов металлических каркасов;
- разработать упрощённый метод расчёта напряженно- деформированного состояния элементов на стадии монтажа, который позволил бы избежать необходимости использования метода конечных элементов.
2. В области экспериментальных исследований:
- изучить деформации болтовых соединений металлических конструкций;
- изучить влияние мест постановки болтов на деформативность временного соединения;
- уточнить критерии жёсткого и шарнирного соединений.
3. В области практического применения результатов исследования:
- разработать организационно-технологические решения по
повышению надёжности процесса монтажа;
- разработать рекомендации по временному закреплению конструкций и обеспечению монтажной устойчивости;
- разработать рекомендации по применению упрощённой методики расчёта напряжённо-деформированного состояния элементов на стадии монтажа.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
- произведён анализ влияния последовательности нагружения каркаса на внутренние усилия в его элементах и их значимость на фоне монтажных усилий, возникающих по другим причинам;
- разработан метод количественной оценки влияния наличия смежных элементов на жёсткость узлов и на усилия в рассматриваемом элементе каркаса;
- изучена податливость болтовых соединений и временных закреплений, построена математическая модель болтового соединения;
- разработаны организационные решения в области монтажа металлоконструкций, направленные на повышение конструктивной надёжности многоэтажных каркасов;
- обоснована экономическая целесообразность предлагаемых организационно-технологических решений с учётом влияния технологии и последовательности монтажа на итоговое напряжённо-деформированное состояние каркаса.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
- выявлены наиболее значимые случаи возникновения непроектных усилий в элементах каркаса на стадии монтажа;
- разработана методика упрощённой оценки последовательности монтажа с точки зрения возникающих в элементе усилий;
- уточнены критерии жёсткости и шарнирности болтовых соединений металлоконструкций;
- разработана методика нахождения оптимальных последовательностей нагружения с учётом податливости узлов.
Практическая значимость работы:
- выполненные исследования расширяют существующие знания в области напряжённо-деформированного состояния конструкций с учётом податливости узлов, дают новые сведения о состоянии конструкций в стадии монтажа;
- разработанная методика может быть использована для планирования монтажных процессов учёта монтажной устойчивости по требованиям Технического регламента о безопасности зданий и сооружений;
- разработанная методика позволяет при её применении на стадии проектирования добиться некоторого снижения металлоёмкости каркаса за счёт более равномерного распределения усилий.
Достоверность научных положений и выводов будет подтверждена экспериментальными исследованиями, сопоставлением данных экспериментов и математического моделирования с результатами других ученых, работающих в данной области.
Апробация работы была получена на следующих конференциях: I международная научно-практическая конференция «Строительство. Экология: теория, практика, инновации» (Челябинск, 2015 г.), 5я всероссийская научно-практическая конференция «Молодёжь. Наука. Инновации - 2015» (Челябинск, 2015), научно-техническая конференция «Строительство, архитектура и техносферная безопасность» (Челябинск, 2017 г.), научно-практическая конференция «Разработки Российской Федерации по приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники» (Челябинск, 2017), 67-я, 68-я, 69-я и 70-я научные конференции «Наука ЮУрГУ. Секции технических наук» (Челябинск, 2015-2018 г.) VII, VIII, IX и X конференции аспирантов и докторантов ЮжноУральского государственного университета (Челябинск, 2015-2018 г).
В 2015 и 2017 годах заявки, связанные с темой диссертации, выходили в финал конкурса У.М.Н.И.К Фонда содействия инновациям в секции «Информационные технологии».
Работа выполнена на кафедре строительного производства и теории сооружений (до 2017 года технологии строительного производства) ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (НИУ)» в период с 2014 по 2018 годы.
Способ деления здания на захватки определяется его размером, требованиями безопасности при проведении работ и удобством производства работ.
С точки зрения безопасности основным ограничивающим требованием является непересечение бригады монтажников с другими бригадами в одних и тех же осях здания. При достаточно протяжённом здании это может быть реализовано пространственным разграничением путём деления каждого этажа на несколько захваток. В случае, если площадь этажа не позволяет разместить более одной захватки на этаж, монтажники и бетонщики должны работать в разное время.
Предпочтительными направлениями развития всех процессов являются те, в которых окончание работы на захватке происходит с края здания. Таким образом, монтаж и бетонирование могут производиться от центра к краям, либо от края до противоположного края. Предпочтительный по возникающим усилиям вариант бетонирования от краёв к центру неудобен, поэтому следует принимать вариант бетонирования от одного края к другому.
Для достижения гарантированно максимально близких к проекту усилий в раме каркаса, должно быть смонтировано два и более этажа выше нагружаемого. Исходя из этого, деление на захватки, включающие в себя целые рамы (т.е. поперёк здания) будет предпочтительнее возведения целых пролётов по отдельности (т.е. вдоль здания). Также для низких (3 и менее этажей) зданий предпочтительным будет вертикальное деление на захватки, при котором каждая рама будет полностью возведена до момента нагружения постоянно действующей нагрузкой от других конструкций.
Для разноэтажных рам с целью недопущения слишком сильных горизонтальных деформаций предпочтительнее возводить сразу всю раму, или если это невозможно, начинать монтаж с более низкой части.
При отставании бетонирования от монтажа менее двух этажей при числе пролётов на одной захватке менее 5 следует проверять возникающие в процессе монтажа усилия:
- в случае бетонирования на монтажном горизонте следует проверять моменты в ригелях только что смонтированного этажа;
- в случае отставания на 1 этаж следует проверять сжимающие усилия в ригелях на монтажном горизонте и изгибающие моменты в ригелях нагружаемого этажа.
С точки зрения безопасности основным ограничивающим требованием является непересечение бригады монтажников с другими бригадами в одних и тех же осях здания. При достаточно протяжённом здании это может быть реализовано пространственным разграничением путём деления каждого этажа на несколько захваток. В случае, если площадь этажа не позволяет разместить более одной захватки на этаж, монтажники и бетонщики должны работать в разное время.
Предпочтительными направлениями развития всех процессов являются те, в которых окончание работы на захватке происходит с края здания. Таким образом, монтаж и бетонирование могут производиться от центра к краям, либо от края до противоположного края. Предпочтительный по возникающим усилиям вариант бетонирования от краёв к центру неудобен, поэтому следует принимать вариант бетонирования от одного края к другому.
Для достижения гарантированно максимально близких к проекту усилий в раме каркаса, должно быть смонтировано два и более этажа выше нагружаемого. Исходя из этого, деление на захватки, включающие в себя целые рамы (т.е. поперёк здания) будет предпочтительнее возведения целых пролётов по отдельности (т.е. вдоль здания). Также для низких (3 и менее этажей) зданий предпочтительным будет вертикальное деление на захватки, при котором каждая рама будет полностью возведена до момента нагружения постоянно действующей нагрузкой от других конструкций.
Для разноэтажных рам с целью недопущения слишком сильных горизонтальных деформаций предпочтительнее возводить сразу всю раму, или если это невозможно, начинать монтаж с более низкой части.
При отставании бетонирования от монтажа менее двух этажей при числе пролётов на одной захватке менее 5 следует проверять возникающие в процессе монтажа усилия:
- в случае бетонирования на монтажном горизонте следует проверять моменты в ригелях только что смонтированного этажа;
- в случае отставания на 1 этаж следует проверять сжимающие усилия в ригелях на монтажном горизонте и изгибающие моменты в ригелях нагружаемого этажа.
