Кузнецов Иван Леонидович. Облегчение конструкций арочных зданий (исследование, разработка, внедрение)

Краткое описание

Кузнецов, Иван Леонидович. Облегчение конструкций арочных зданий (исследование, разработка, внедрение) : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.23.01.- Екатеринбург, 1995.- 33 с.: ил.

ГОСКОМИТЕТ ПО ДЕЛАМ НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РФ
КАЗАНСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ
Кафедра металлических конструкций и испытания сооружений
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВ ИВАН ЛЕОНИДОВИЧ
УДК 624,014. £5/26,32/33
ОБЛЕГЧЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ АРОЧНЫХ ЗДАНИЯ
(Исследование, разработка, внедрение)
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени доктора технический наук
05. 23. 01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Казань 1995г. 
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ
1. СОСТОЯНЙЕ ВОПРОСА й ЗАДАЧИИССЛЕДОВАНИЯ . . . . . . 6
1.1. История развития конструктивных форм арочных
конструкций . . 9
1. 2. Состояние теории арок ....... . . . 16
1. 2. Цель и задачи исследования . . . . . . . .26
2. АНАЖГИКО-ЧИСЛЕБЕШ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕШЮ-
ДЕФОРМИШВАНШШШЕТШВШИ КРШРШЖЙХ ШТУШК =
ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ АРОК 28
2.1. Оборе замечания по постановке и решению задачи 28
2.2. Определение напряженно-деформированного состояния .
плоских арок . . 29
2. 2.1. Основные соотношения и уравнении равновесия
дугового элемента . . . . ... . . .29
2.2.2. Сведение основных: соотношений для кругового .
элемента к обыкновенным дифференциальным
уравнениям, . . . 32
2.2.3. Аналитике-численный метод определения напря-
женно-деформированного состояния арок. . . ... 35
2.3. Аналитико-численный метод определения критических
нагрузок потери устойчивости арки . . . . . . 37
2.3.1. Устойчивость арки в своей плоскости ... . 37
2.3* 2. Щостранственная устойчивость арок. . . . . 41
2.4. Замечания по работе с программами "ARUST" и "ARUSTP"
и обсуждение результатов расчета. . . . . . . 46
2.4.1. Подготовка исходных данных и чтение результатов
расчета*. 46
2.4.2. Примеры расчета арок и сравнительные оценки ,
результатов . . 52
2.5. Выводы по главе . 56
3. НАЗНАЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛЕГКИХ АРОК . . . . 58
3.1. Замечания по проблеме назначения оптимальных
параметров арок . . . . 58
3.2. Выбор рационального типа сечения легких арок. . . 59
3.2.1. Исследование значений конструктивного
коэффициента массы арок . . . . . . . . 68 
3.3. Назначение оптимальных параметров сечений решетчатых
арок. 71
3.3.1. Выбор рациональной системы решеток арок . . . . 71
3.3.2. Оптимальная высота сечения решетчатых арок . . . 75
3.3. 3. Оптимальный угол наклона раскосов . ... . . 80
3.3.4. Оптимальная прочность СТЕШИ ДЛЯ решетчатых арок . 85
3.3.5. Выбор рационального типа сечения элементов
решетчатых арок 88
3.4. Разработка практических методик поиска оптимальной
формы арок облегченных зданий. . . . . ... . 89
3. 4.1. Постановка и решение общей задачи поиска опти-
мальной формы арки . . . 89
3.4.2. Уменьшение числа варьируемых параметров в задачах
по нахождение оптимальной формы арки * . . . .92
3.4.3. Результаты численных исследований оптимальных
форм арок при многовариантных затруднениях . . . 98
3. 4. 4. Замечания по выбору методов оптимизации . . . . 104
3.4.5. Варианты практической реализации методики нахожде-
ния оптимальной формы арки при многовариантном
загрумении. 107
3.4.5.1. Особенности программы оптимизации "AF9CA" . . 107
3.4.5.2. Некоторые практические результаты разработки
и вычислений по программе "ARKA-l" . . . . 110
3.4.5.3. Щюграмма "ARK0P" и результаты численных ис-
следований оптимального очертания оси арок. . 115
3.5. Учет технологических факторов при назначении опти-
мального очертания оси арки . . . . . . . . . 123
3.6. Выводы по глава . 126
4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ЛЕГКИХ АРОК 128
4.1. Начало практической реализации легких арок в серийном
производстве. . . . . . . . 128
4.2. Сведения о применяемых методах численного и натурного
исследования арок. . 133
4. 3. Опыт разработки и результаты испытаний новых конструк-
ций легких арок. . . . . 136
4.4. Цример экспериментальных исследований арки с раскосами,
прикрепленнымик поясам впритык . . . . . . . . 14с
4.5. Результаты численных и экспериментальных исследований ар-
ки с раскосами, пршфепленнымн размолкованными концами Ш 
4.6. Результаты и направления исследований в разработке
решетчатых арок из холодногнутых профилей открытого
сечения. . 155
4.7. Замечания по исследованию действительной работы арки
сплошного сечения . 159
4.8. Выводы по главе . . ... 163
5. РЕЗУЛЬТАТЫ И НАПРАВЛЕНИЯ 5ЮСЛЕД0ВАНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭШЖг
ТИВЮСТЙ ЮШТРУКЦИИ АРОЧНЫХ ЗДАНИЙ . ..... . . 166
5.1. Структура затрат на арочное здание. . . . . . . 166
5.2. Назначение оптимального шага арок . . . . . . 167
5.3. Повышение эффективности ограждающих конструкций . . 171
5.3.1. Оптимальное очертание оси арки с учетом
стоимости ограждающих конструкций. . . . 171
5. 3.2. Снижение эксплуатационных затрат . . . . .174
5.3.3. Результаты численных и экспериментальных иссле-
дований по совместной работе ограждения и арок 176
5.4. Результаты исследований по повышению эффективности
связей жесткости. 181
5. 4.1. Конструктивные решения по связям жесткости. . 181
5.4.2. фактическая методика расчета сжатого пояса
решетчатых арок. . . 183
5.4.3. Результаты экспериментальных исследований
каркаса арочного здания . 188
5.4. 4. Конструктивные решения по совершенствованию
системы связей 193
5.5. Поиск новых конструктивных решений и технологий
изготовления арочных элементов бескаркасных зданий . 134
5.5.1. Направления исследований по разработке
бескаркасных арочных зданий. . . ... . 194
5.5. 2. Конструктивное решение арочных элементов и
технология их изготовления . . . . ... 196
5.5.3. Результаты экспериментального изготовления
тонкостенных арочных элементов. . . . . . 199
5. 6. Выводы по главе 202
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ СОЗДАНИЯ АРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИИ: НА ОСНОВЕ
ШШЩВк"ОТНРШШ*ТИПИЗАЦИИ . . . 20Е
6.1. Возможность использования принципов "открытой"
типизации в разработке легких арочных конструкций. .20!
6.2. Разработка конструктивных решений унифицированных
элементов и вариантов их угловых соединений. . . . 20
6- 3. Теоретические и экспериментальные исследования
унифицированных элементов 210
6.3.1. Выбор унифицированного элемента для практической
реализации 210
6.3.2. Назначение геометрических параметров унифициро-
ванного элемента . . 214
6.3.3. Выбор методики расчета узловых соединений с
кольцевыми элементами. . . 217
6. 3. 4. Использование выштампованных полос для изготов-
ления стержней унифицированных элементов . . . 222
6.3.5. Примеры практической реализации арок из унифици-
рованных элементов 229
6. 4. Обеспечение эффективного использования унифицирован-
ных элементов в арках изменяемого пролета и очертания 232
6.4.1. Повышение эффективности бесшарнирных арок из
унифицированных элементов 235
6.5. Вопросы реконструкции и трансформации арочных зданий
с несущими конструкциями из унифицированных элементов 243
6. б. Выводы по главе 244
7. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО КОНСТРУКТИВНОГО РЕШЕНИЯ. 246
7.1. Цроблема выбора конструктивного решения ..... 246 ;
7.1.2. Современный этап производства металлических кон- .
струкций, определение участников и их интересы . 249
| 7.1. 3. Определение конфликта и компромиссного решения в
£ системе ЛМК 252
7.2. Формирование альтернатив конструктивных решений 255
7.3. Методы оценки конструктивных решений участниками .
Г системы ЛМК 257
7. 4. Методика выбора конструктивного решения . . . . . 262
7.4.1. Окончательная ранжировка альтернатив и назначе-
ние приоритетов участникам системы ЛМК .... 262
7.4.2. Порядок согласования компромиссного решения. . . 270
7. 4. 3. Алгоритм выбора компромиссного решения методом
Кемени 272
7.4.4. Пример выбора оптимального конструктивного
решения арки . . . . . . 275
7.5. Выводы по главе 277
' 8. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. 279
I 9. ЛИТЕРАТУРА ' 28Е
к ■ •
fcv ю. ПРИЛОЖЕНИЯ-1 .зое
11. ПРИЛОЖЕНИЯ-2 (см. отдельный том: ч. II)

Список литературы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследовг
ны в практику строительства эффективные конструкции облегченных
арочных зданий и усовершенствованы методики по расчету и оптими-
зации арок, полномасштабная реализация которых позволяет создать
эффективные конструкции арочных зданий. Основные выводы и ре-
зультаты могут сформулированы следующим образом.
8.1. Показано,, что существующая констр;рктивная форма большепро-
летных массивных арок и теория их рационального проектирования в
значительной мере утратили практическое значение применительно к
аркам малого пролета облегченных зданий массового поризводства,
в связи с чем произошла задержка в своевременном представлении
их в системе конструктивных форм ЛМК комплектной поставки.
8.2. Разработана методика аналитико-чис:леиного определения НДС и
критических нагрузок потери устойчивости арок в плоскости и из
упругих опор, реализо-
Отличительной особеннос-
аличия
аний разработаны и внедре-
плоскости, в том числе с учетом в
ванная в программах "ARUST" и "ARUSTP".
тью методики является возможность производить указанные расчеты
арок произвольного очертания при реальных загружениях и высоте
сечения при минимальной дискретизации расчетной схемы арки, а
для удобств представления произвольного очертания оси арки Коро-
бовой кривой, состоящей из круговых участков, составлена прог-
рамма "KORARKA".
8.3. Предложена методика и составлены йрограммы "ARKA", "ARKA1",
"ARKOP" нахождения оптимальной формы арок при многовариантном
загружении нагрузками, зависящими от отыскиваемого очертания
оси, заключающаяся в нахождении методами математического прог
раммирования коэффициентов многочлена, которым предварительно
задается ось арки, из условия минимума массы или минимума изги-
бающего момента. Показано, что в реальном проектировании очерта-
ние оси арки облегченных зданий достаточно задать многочленом
3-ей степени (начало координат в ключе арки), при этом оптималь-
* ное очертание оси реализуется по указанной кривой, проходящей
ниже кривой очерченной по дуге окружности. Для обеспечения тех-
нологичности изготовления арок с оптимальным очертанием пред-
ложено ее очертание принимать по коробовой кривой, состоящей из
четырех круговых участков, радиусы и центральные углы которых
определяются аналогично вышеприведенной методике по программе
"K0RARKA".
* 8.4. Получены формулы по назначению из условий минимума массы
или стоимости:
- оптимального типа сечения стержней и системы решетки арок;
- оптимальной высоты сечения решетчатой арки;
- оптимального угла наклона раскосов;
-оптимальной прочности стали;
fr - оптимального шага установки арок в здании.
8. 5. Разработаны и внедрены в серийное производство 30 конструк-
ций арок, расход металла от наиболее эффективных решений кото-
рых при пролетах 12т24м составляет 5,13т7,8кг/м2 . Выполненный
анализ структуры расхода стали на конструктивные элементы этих
арок открывает пути их дальнейшего совершенствования. Проведен-
ные испытания разрушающей нагрузкой по разработанныой методике,
| основанной на использовании для загружения арки полиспастовой
системы 24 различных конструкций арокfпозволили уточнить данные
о действительной работе арок, в частности сжатых поясов, узлов
соединения стержней решетки, что позволило сделать выводы о
приемлимости применяемых методов расчета, предложить новые кон-
структивные решения арок и указать направления дальнейших иссле-
дований.
8.6. Показано, что одной из основных проблем в создании эффек-
тивной решетчатой конструкции арки является решение узлового
соединения стержней решетки и поясов, при этом рассмотрение
данного вопроса при разработке сечений холодногнутых профилей
позволило частично решить данную проблему. Проведенные численные
и экспериментальные исследования различных узлов крепления
стержней открытого профиля, в том числе, впритык, размолкованны-
ми концами и в "обхват" поясных стержней, показали наибольшую
эффективность последнего варианта. При этом численные исследова-
ния напряженного состояния узлов соединений, в том числе с не-
проварами сварного шва методом КЭ по программе "СУМРАК" показали
хорошую сходимость (5т6,2%) с данными испытания узлов.
8.7. Разработана и внедрена методика и программа "USTO" расчета
боковой устойчивости сжатых поясов решетчатой арки с учетом
упругой работы стержней решетки и прогонов. Практическая реали-
зация методики обеспечивает снижение расхода стали на элементы
связей до Ют20% от массы арок.
8.8. Теоретически и экспериментально исследован вопрос включения
металлической обшивки легких зданий в совместную работу с арками
и показано, что практическая реализация этого эффекта, позволяю-
щего уменьшить массу арок на 7т9% невозможна при существующих
решениях ограждающих конструкций и узловых креплениях их элемен-
тов. Предложены новые конструктивные решения по компоновке ароч-
ных зданий и отдельных элементов, обеспечивающие дальнейшее
развитие их конструктивной формы [83,84,94,95,96,97,104,106,107,
110,115,117,119,122,124,125,159,161].
8.9. Разработана новая технология изготовления тонкостенных
>
криволинейных элементов бескаркасных арочных зданий на мобильном
агрегате в полевых условиях, заключающаяся в предварительной
вытяжке кромок листовой заготовки с последующим формованием
лоткообразного профиля без специальной технологической операции
по приданию элементу кривизны.