Введение 6
1 ЦЕЛЬ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
2 АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 10
2.1 Обзор иностранной и отечественной литературы 10
2.2 Использование систем автоматизированного проектирования
в оптимизации конструктивных решений 16
3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 22
3.1 Стальные стропильные фермы 22
3.2 Компоновка конструкции фермы 24
3.3 Определение генеральных размеров ферм 27
3.3.1 Определение пролета ферм 27
3.3.2 Определение оптимальной высоты ферм 28
3.3.3 Определение высоты ферм из условий жесткости 29
3.3.4 Система решетки фермы 29
3.3.5 Панели ферм 30
3.3.6 Строительный подъем 30
3.4 Выбор марок сталей для стропильных ферм 31
3.5 Бистальные ферменные конструкции 33
3.6 Определение нагрузок на фермы 33
4 ОПИСАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
4.1 I ЭТАП. КОМПОНОВКА КОНСТРУКЦИИ ФЕРМ И
НАЗНАЧЕНИЕ НАГРУЗОК 34
4.1.1 Определение оптимальных габаритов и сечений элементов
стропильных ферм 34
4.1.2 Выбор марок сталей стропильных ферм 35
4.1.3 Определение нагрузок на стропильные фермы 37
4.2 II ЭТАП. Расчет стропильных ферм пролетом 18, 24, 30 м с уклоном 1,5% из одиночных уголков автоматизированным методом 40
4.2.1 Определение усилий в стержнях ферм в ПК LIRA 40
4.2.2 Подбор сечений стержней ферм в ПК LIRA 43
4.2.3 Результаты расчетов для ферм из стали одной марки 43
4.2.4 Результаты расчетов для бистальных ферм 53
4.3 III ЭТАП. Расчет стропильных ферм пролетом 18, 24, 30 м с уклоном
1,5% из одиночных уголков неавтоматизированным методом 64
4.3.1 Расчет стропильной фермы пролетом 18 м с уклоном 1,5%
из одиночных уголков 65
Конструирование узлов 72
4.3.2 Расчет стропильной фермы пролетом 24 м с уклоном 1,5%
из одиночных уголков 78
Конструирование узлов 82
4.3.3 Расчет стропильной фермы пролетом 30 м с уклоном 1,5%
из одиночных уголков 86
Конструирование узлов 91
4.3.4 Сравнительный анализ автоматизированного и
неавтоматизированного методов расчета 95
4.4 IV ЭТАП. Исследование зависимостей между габаритами сечений,
маркой стали, пролетом и нагрузкой 97
4.4.1 Унификация размеров сечений стропильных ферм пролетом
18, 24, 30 м с уклоном 1,5% из одиночных уголков 97
4.4.2 Сравнительный анализ изменения металлоемкости стропильных
ферм от их шага 103
4.4.3 Сравнительный анализ альтернативных вариантов 105
5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
Одним из основных способов оптимизации проектных (конструктивных) решений является стандартизация и унификация элементов конструкций. Стандартизация и унификация элементов конструкций и проектных решений существенно влияет на темпы развития и уровень производства. Способствует повышению операционной скорости предприятия, вследствие снижения трудоемкости и стоимости проектирования в целом. Набор оптимальных стандартных решений служит справочной базой при предварительном анализе стоимости проекта для заказчика, на основе серий формируются инструменты для автоматизации моделирования и получения чертежей. [11] Поэтому стандартизация и унификация всегда актуальны.
«Стандартизация (унификация) - это деятельность по установлению норм, правил и характеристик в целях обеспечения упорядочения деятельности в определенной области посредством принятия оптимальных положений для всеобщего и многократного применения при соблюдении функциональных условий и требований техники безопасности. Важнейшими результатами деятельности по стандартизации являются повышение степени соответствия продукции, работ (процессов) и услуг их функциональному назначению, устранение барьеров в торговле и содействие научно¬техническому и экономическому сотрудничеству». [21]
Унификация и модулирование геометрических размеров в случае ферм позволяет стандартизировать как сами фермы, так и примыкающие к ним элементы (прогоны, связи и т. д.). Это приводит к сокращению числа типоразмеров деталей и дает возможность при массовом изготовлении конструкций применять специализированное оборудование и перейти на поточное производство.
Разработка альбома стандартизированных ферменных конструкций в рамках конкретного предприятия происходит на основе имеющегося оборудования и производственных мощностей, внутреннего сортамента металлопроката, требований к транспортировке. Учитывается статистика по наиболее часто встречающимся конструктивным решениям, таким как пролеты, шаги ферм и условия их работы.
В результате учета данных требований сужаются рамки стандартизации, что позволяет добиться наиболее качественной оптимизации процесса проектирования и производства.
В настоящее время нашли широкое применение легкие металлические ферменные конструкции. Под легкими или облегченными ферменными конструкциями подразумеваются несущие элементы покрытия - фермы, у которых благодаря рациональной конструктивной форме, оптимальным размерам сечений, использованию сталей повышенной и высокой прочности металлоемкость существенно снижена по сравнению с традиционными конструкциями (например, фермами со стержнями из парных уголков и узловыми фасонками).
Итак, легкие металлические конструкции - это конструкции, высокоэффективные решения которых обеспечивают существенное снижение металлоемкости изделий; существенная типизация и унификация; приспособленность их к изготовлению их на поточных автоматизированных линиях. Следствием перечисленных особенностей легких металлических конструкций являются хорошие технико-экономические показатели.
В наши дни, при всеобщей компьютеризации, целесообразно рассчитывать конструкции в современных программных комплексах. В данном исследовании расчеты были произведены с использованием ПК «ЛИРА». Принципы моделирования и расчёта в данном комплексе приведены в официальной литературе разработчиков ПК «ЛИРА» [14], и другой литературе [15, 16].
Программный комплекс ЛИРА - это многофункциональный программный комплекс для расчета, исследования и проектирования конструкций различного назначения. ПК ЛИРА с успехом применяется в расчетах объектов строительства, машиностроения, мостостроения, атомной энергетики, нефтедобывающей промышленности и во многих других сферах, где актуальны методы строительной механики.
Кроме общего расчета модели объекта на все возможные виды статических нагрузок, температурных, деформационных и динамических воздействий (ветер с учетом пульсации, сейсмические воздействия и т.п.) ПК ЛИРА автоматизирует ряд процессов проектирования:
- определение расчетных сочетаний нагрузок и усилий;
- назначение конструктивных элементов;
- подбор и проверка сечений стальных и железобетонных конструкций с формированием эскизов рабочих чертежей;
- позволяет исследовать общую устойчивость рассчитываемой модели, проверить прочность сечений элементов по различным теориям разрушений.
Конструирующая система ЛИР-СТК работает в двух режимах - подбора сечений элементов стальных конструкций и проверки заданных сечений в соответствии с действующими в мире нормативами. Допускается объединение нескольких однотипных элементов в конструктивный элемент. Конструирующая система ЛИР-КМ позволяет получить полный набор рабочих чертежей, включающий маркировочные схемы, спецификации, чертежи узлов, пояснительные записки. [14]
Целью исследования было создание серии стандартных конструкций стропильных ферм покрытия пролетами 18, 24 и 30 метров с уклоном 1,5% из одиночных уголков для разных комбинаций нагрузок. В четвертом разделе «Описание исследования» данной работы подробно описаны автоматизированные методы расчета в программном комплексе LIRA и неавтоматизированные методы, так называемые аналитические «ручные» расчеты стропильных ферм.
После выполненных расчетов автоматизированным и
неавтоматизированным методами можно сделать вывод, что расхождения в результатах незначительны. Данные погрешности являются допустимыми и не сказывается на общей прочности и устойчивости, т.е. на работе конструкции в целом.
По результатам конструирования трех вариантов узлов - сварных, болтовых и заклепочных предпочтение можно отдать сварным и болтовым соединениям, которые являются наиболее технологичными, простыми в изготовлении. Сварные соединения легких строительных конструкций требуют качественных сварных швов, которые можно изготовить только в заводских условиях, где работают сварщики высокой квалификации. Но для заводских конструкций, изготавливаемых в больших количествах, сварное соединение узлов является эффективным. В отличие от сварных соединений болтовые соединения возможно осуществить в условиях строительной площадки, но отличаются высокой стоимостью.
Таким образом, виды соединений узлов стропильных ферм из одиночных уголков многообразны. Применение какого-либо определенного вида зависит от многих факторов, а именно возможности проектирования, производства, изготовления и т.д., которые напрямую связаны с экономической эффективностью.
В разделе «Описание исследования» было проведено исследование изменения металлоемкости стропильных ферм в зависимости от:
- от шага стропильных ферм;
- от комбинаций нагрузок в диапазоне от I до V снегового района;
- от марок сталей.
1. Сравнительный анализ изменения металлоемкости стропильных ферм в зависимости от их шага в полном объеме представлен в разделе 4.4.2 данного исследования. Результат исследования показал, что общая металлоемкость конструкций покрытия здания снизилась при шаге 4 м на 35 - 40% в отличие от металлоемкости при шаге стропильных ферм 6 м.
2. Зависимость изменения металлоемкости от изменения нагрузки отображается на рисунках 39-44 раздела 4.4.1. Металлоемкость ферм напрямую зависит нагрузки и пролета ферм - при увеличении нагрузок или пролетов ферм, увеличиваются сечения элементов, следовательно увеличивается общая масса стропильных ферм.
3. Исследуя зависимость изменения общего веса ферм в зависимости от марок сталей, применяемых для элементов стропильных ферм, можно сделать несколько выводов. Сечения элементов решетки бистальных ферм увеличивается в среднем на 8-10% в отличие от ферм с применением стали одной марки для поясов и элементов решетки. Следовательно увеличивается общая масса стропильной фермы.
Но следует учесть, что стоимость уголков из разных марок сталей различна. Как, например, для равнополочного уголка 50х50х5 по ГОСТ 8509-93 из стали марки С345-3 цена за тонну составляет 39800 рублей, а для того же уголка из стали С255 - 37800 рублей (цены от ООО «Мечел-Сервис» - реализующая на российском рынке продукцию металлургических заводов Группы «Мечел», одна из крупнейших металлоторговых сетей России. В составе компании - 56 складских площадок, подразделения «Мечел-
Сервис» расположены в 40 городах РФ, в том числе в городе Казани и набережные Челны). Прокат из стали марки С255 экономичнее стали марки С345-3 на 5-6%. Поэтому изготовление ферм из сталей различных марок, где для поясов и опорных раскосов применяется высокопрочная сталь, а для остальных элементов решетки - сталь обыкновенной прочности, эффективнее из экономических соображений.
4. В результате сравнения стропильных ферм пролетами 18, 24 и 30 метров с альтернативными вариантами, такими как фермами из прямоугольных и квадратных профилей типа «Молодечно» и с традиционными фермами из парных уголков получилось, что:
- Стропильные фермы из одиночных уголков эффективнее ферм из гнутосварных труб серии «Молодечно» на 6-7%.
- Стропильные фермы из одиночных уголков эффективнее ферм из парных уголков на 27-37%.
Преимущества и недостатки стропильных ферм пролетами 18, 24 и 30 метров были рассмотрены подробно в разделе 4.4.3.
Таким образом, фермы разработанной серии получились схожими по металлоемкости при пролетах ферм 18 и 24 метра и выгоднее на 6-7% при пролете 30 метров по сравнению со стропильными фермами серии «Молодечно». При этом имеют несколько преимуществ:
1. Фермы из одиночных уголков при больших пролетах легче на 6-7% ферм серии «Молодечно».
2. Стоимость ферм из одиночных уголков ниже на 2 -4% ферм серии «Молодечно». Экономическая эффективность открытых профилей обусловлена высокой стоимостью замкнутых профилей. Соотношения между стоимостями круглых труб (цельнотянутых и сварных), прямоугольных гнутосварных профилей, профилей из двух прокатных уголков или швеллеров соответственно равны: (153... 136): (150... 132): (120...115)%. Здесь за 100% принята стоимость профилей из прокатных уголков.
3. Положительными качествами ферм из одиночных уголков является уменьшение количества деталей, что уменьшает трудоемкость изготовления ферм; отсутствие щелей и зазоров снижает трудоемкость нанесения коррозийной защиты и повышает стойкость против коррозии.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
