Семко Володимир Олександрович Надійність несучих та огороджувальних конструкцій із сталевих холодноформованих тонкостінних профілів

Краткое описание

Семко Володимир Олександрович, доцент кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас Полтавського на­ціонального технічного університету імені Юрія Кондратю­ка МОН України: «Надійність несучих та огороджувальних конструкцій із сталевих холодноформованих тонкостінних профілів» (05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та спо­руди). Спецрада Д 44.052.02 у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА
ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису
СЕМКО ВОЛОДИМИР ОЛЕКСАНДРОВИЧ
УДК 624.014.2.004.052:693.977
ДИСЕРТАЦІЯ
НАДІЙНІСТЬ НЕСУЧИХ ТА ОГОРОДЖУВАЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ ІЗ
СТАЛЕВИХ ХОЛОДНОФОРМОВАНИХ ТОНКОСТІННИХ ПРОФІЛІВ
05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди
19 - архітектура та будівництво
Подається на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук.
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело.
В.О. Семко
Науковий консультант Пічугін Сергій Федорович, д.т.н., професор
Полтава - 2017

ЗМІСТ
ВСТУП 24
РОЗДІЛ 1. СТАН ПИТАННЯ ВИЗНАЧЕННЯ НАДІЙНОСТІ КОНСТРУКЦІЙ ІЗ СТАЛЕВИХ ХОЛОДНОФОРМОВАНИХ ТОНКОСТІННИХ ПРОФІЛІВ 34
1.1. Основі поняття про сталеві холодноформовані конструкції 34
1.2. Аналіз існуючих методів розрахунку холодноформованих конструкцій
... 41
1.3. Аналіз досліджень особливостей роботи та напружено-деформованого
стану сталевих холодноформованих конструкцій 49
1.4. Аналіз досліджень теплотехнічних властивостей огороджувальних
конструкцій із сталевих холодноформованих тонкостінних елементів 62
1.5. Розвиток методів теорії надійності для розрахунку несучих та
огороджувальних конструкцій 69
1.6. Висновки за розділом та задачі досліджень 85
РОЗДІЛ 2. ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ СТАЛЕВИХ ХОЛОДНОФОРМОВАНИХ ТОНКОСТІННИХ КОНСТРУКЦІЙ ЗА НОРМАТИВАМИ РІЗНИХ КРАЇН 89
2.1. Порівняльний аналіз методів розрахунку стиснутих сталевих
холодноформованих тонкостінних конструкцій 92
2.1.1. Визначення ефективних характеристик перерізів, елементів що
працюють на стиск 92
2.1.2. Розрахунок несучої здатності центрально-стиснутих елементів 104
2.2. Порівняльний аналіз методів розрахунку згинальних сталевих
холодноформованих тонкостінних конструкцій 112
2.3. Порівняння систем коефіцієнтів надійності при розрахунку сталевих
холодноформованих тонкостінних конструкцій та їх вплив на результати розрахунку 122
2.4. Висновки за розділом 2 128
РОЗДІЛ 3. РОЗРАХУНОК СТАЛЕВИХ ХОЛОДНОФОРМОВАНИХ ТОНКОСТІННИХ КОНСТРУКЦІЙ МЕТОДОМ СКІНЧЕННИХ ЕЛЕМЕНТІВ 131
3.1. Особливості моделювання тонкостінних конструкцій методом
скінченних елементів 131
3.2. Визначення несучої здатності елементів із сталевих тонкостінних
холодноформованих профілів методом скінченних елементів 145
3.3. Висновки за розділом 3 156
РОЗДІЛ 4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ, З'ЄДНАНЬ ТА СИСТЕМ ІЗ СТАЛЕВИХ ХОЛОДНОФОРМОВАНИХ ПРОФІЛІВ 158
4.1. Експериментальні дослідження несучої здатності стиснутих коротких С
-подібних елементів 158
4.2. Експериментальні дослідження несучої здатності сталевих балок із
холодноформованих елементів 163
168

14
4.3. Експериментальні дослідження роботи гвинтових та болтових з'єднань
сталевих тонкостінних елементів
4.4. Експериментальні дослідження нових методів з'єднання сталевих
холодноформованих тонкостінних конструкцій 182
4.5. Натурні експериментальні дослідження спільної роботи елементів
покриття зі сталевих холодноформованих елементів 191
4.6. Висновки з розділу 4 199
РОЗДІЛ 5. ДОСЛІДЖЕННЯ МІЦНОСТІ ТА ДЕФОРМАТИВНОСТІ СТАЛЕВИХ ПРОФІЛЬОВАНИХ НАСТИЛІВ 201
5.1. Експериментальні дослідження міцності та деформативності сталевих
трапецієподібних профільованих настилів 201
5.2. Експериментальні дослідження сумісної роботи сталевих
профільованих настилів 216
5.3. Експериментальні дослідження міцності та деформативності хвилястих
сталевих профільованих настилів 227
5.4. Експериментальні дослідження впливу процесу холодного формування на механічні характеристики сталі профільованих трапецієподібних
настилів 230
5.5. Висновки до розділу 5 236
РОЗДІЛ 6. ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОТЕХНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ОГОРОДЖУВАЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ ІЗ СТАЛЕВИХ
ХОЛОДНОФОРМОВАНИХ ЕЛЕМЕНТІВ 238
6.1. Дослідження впливу перфорації сталевих холодноформованих тонкостінних профілів на теплофізичні характеристики огороджувальних
конструкцій 238
6.2. Дослідження впливу різних конструктивних параметрів на лінійний коефіцієнт теплопровідності стінової конструкції із сталевих
холодноформованих профілів 245
6.2.1 Дослідження впливу товщини утеплювача та теплопровідності утеплювача на лінійний коефіцієнт теплопровідності стінової конструкції... 245
6.2.2. Дослідження впливу товщини та ширини пінополіуретанової
накладки на лінійний коефіцієнт теплопровідності стінової конструкцій зі сталевих холодноформованих профілів 249
6.2.3. Дослідження впливу товщини сталевого холодноформованого
профілю та ширини відгину полиці на лінійний коефіцієнт теплопровідності стінової конструкції зі сталевих холодноформованих профілів 252
6.3. Експериментальні дослідження теплових показників стінових
конструкцій із сталевих холодноформованих профілів 256
6.4. Спосіб підвищення енергоефективності стінової огороджувальної
конструкції зі сталевих холодноформованих елементів 264
6.5. Дослідження вогнестійкості конструкції зі сталевих тонкостінних
холодноформованих елементів 267
6.5.1. Моделювання дії високих температур на колону зі сталевих тонкостінних холодноформованих елементів 268
273

15
6.5.2. Моделювання односторонньої дії високих температур на перегородку
зі сталевих тонкостінних холодноформованих елементів
6.5.3. Моделювання двосторонньої дії високих температур на перегородку зі сталевих тонкостінних холодноформованих
елементів 277
6.6. Висновки з розділу 6 281
РОЗДІЛ 7. ВИЗНАЧЕННЯ ІМОВІРНОСТІ ТЕПЛОВОЇ ВІДМОВИ ОГОРОДЖУВАЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ ЗІ СТАЛЕВИХ
ХОЛОДНОФОРМОВАНИХ ЕЛЕМЕНТІВ 284
7.1. Порівняльний аналіз розрахункових температур зовнішнього повітря
імовірнісними методами 284
7.2. Визначення статистичних характеристик теплопровідності матеріалів,
що використовуються в огороджувальних конструкціях зі сталевих тонкостінних холодноформованих профілів 289
7.3. Імовірність теплової відмови огороджувальних конструкцій за
критерієм зниження локальних значень температур внутрішньої поверхні до температури конденсації пари повітря 293
7.4. Імовірність теплової відмови огороджувальних конструкцій за
критерієм перевищення значень перепаду температур між приведеною температурою внутрішньої поверхні конструкції і температурою внутрішнього повітря та за критерієм недостатнього значення приведеного опору теплопередачі 305
7.5. Нормування необхідного рівня ймовірності безвідмовної роботи
огороджувальних конструкцій за критерієм приведеного опору теплопередачі 313
7.6. Висновки до розділу 7 329
РОЗДІЛ 8. ВИЗНАЧЕННЯ ЙМОВІРНОСТІ БЕЗВІДМОВНОЇ РОБОТИ НЕСУЧИХ ЕЛЕМЕНТІВ ІЗ СТАЛЕВИХ ХОЛОДНОФОРМОВАНИХ ТОНКОСТІННИХ ПРОФІЛІВ 331
8.1. Оцінка надійності стиснутих і згинальних елементів за критерієм
несучої здатності поперечних перерізів 331
8.2. Оцінка надійності стиснутих і згинальних елементів за критерієм
несучої здатності та стійкості 342
8.3. Оцінка надійності статично невизначених рам при мінливості
жорсткості окремих елементів 346
8.4. Розрахунок безвідмовності сталевих елементів конструкцій,
завантажених постійним та сніговим навантаженням 351
8.5. Вибір раціонального рішення конструкцій, що поєднують несучі та
огороджувальні функції 365
8.6. Упровадження результатів дисертаційної роботи 371
8.7. Висновки до розділу 8 375
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 377
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 380
ДОДАТОК А. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ МІЦНОСТІ ТА ДЕФОРМАТИВНОСТІ СТАЛЕВИХ 428

16
ТРАПЕЦІЄПОДІБНИХ ПРОФІЛЬОВАНИХ НАСТИЛІВ
ДОДАТОК Б. АКТИ ПРО ВПРОВАДЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ.. 445 ДОДАТОК В. СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ТА ВІДОМОСТІ ПРО АПРОБАЦІЮ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ 459

Список литературы

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
У дисертації вирішено важливу науково-технічну проблему оцінювання надійності та проектування раціональних несучих і огороджувальних конструкцій зі сталевих холодноформованих тонкостінних профілів. Виконані дослідження дозволяють зробити наступні висновки:
1. На основі експериментальних випробувань було апробовано методику досліджень профільованих настилів за EN1993-1-3:2006. Установлено, що випробування одного листа може призводити до отримання прогину, на 20% більшого за розрахунковий. У той же час випробування групи листів дає зменшення деформативності середнього листа з диска на 15 - 20%. Експериментально підтверджено підвищення міцності багатопролітних настилів при влаштуванні напуску листів на опорі або додаткової накладки. Підвищення міцності становить 37% та 25% відповідно при однакових витратах сталі на 1 м2.
2. У ході лабораторних та чисельних досліджень установлено, що наявність сталевих елементів у стінах зменшує опір теплопередачі практично у двічі. Використання замість суцільних профілів термопрофілів дозволяє підвищити опір теплопередачі стіни в 1,5 раза. Наявність теплоізолюючої накладки із зовнішнього боку сталевого профілю дозволяє підвищити опір теплопередачі стіни на 10-15%. Установлено, що при одношаровому розташуванні утеплювача його теплопровідність практично не впливає на лінійний коефіцієнт теплопередачі і місце розташування сталевого елемента.
3. Експериментально встановлені статистичні характеристики теплопровідності основних матеріалів, що використовуються в огороджувальних конструкціях зі сталевих холодноформованих елементів, а саме коефіцієнти варіації: пінополістирол (р=25 кг/м3) - 2,3%, мінеральна вата (р=135 кг/м3) - 3,5%, плити із гіпоскартону та OSB - 3,5...3,7%, пінополістиролбетон (р=309 кг/м3) - 2, 8%.
4. Ро зроблено метод визначення ймовірності теплової відмови огороджувальних конструкцій за трьома основними теплотехнічними показниками. Згідно з розрахунками надійності вузлів огороджувальних конструкцій установлено недосконалість районування температурних зон України згідно із ДБН В.2.6-31. Так для міст однієї температурної зони ймовірність теплової відмови може відрізнятися до 7 разів.
5. На основі мінімізації можливих економічних збитків запропоновано метод нормування необхідного рівня ймовірності безвідмовної роботи огороджувальних конструкцій за критерієм приведеного опору теплопередачі.
Для конструкцій із терміном експлуатації 50 років нормативна імовірність відмови знаходиться в межах від 0,5 до 0,9.
6. Розвинуто метод визначення імовірності відмови сталевих конструкцій за першою групою граничних станів для оцінювання сталевих холодноформованих тонкостінних конструкцій за критеріями несучої здатності перерізу, втрати стійкості та мінливості зміни жорсткості. Виявлено, що встановлені нормами допуски на товщину листа, який призначений для виготовлення холодноформованих профілів, можуть знижувати ймовірність

291
безвідмовної роботи конструкцій на порядок, тобто на 1 бел.
7. Порівняльний аналіз значень імовірності безвідмовної роботи за різними критеріями дає змогу говорити про недоцільність перевірки огороджувальної конструкції (для цивільних будівель) за критерієм перевищення значень перепаду температур між приведеною температурою внутрішньої поверхні конструкції і температурою внутрішнього повітря, адже цей критерій буде завжди виконуватися при забезпечені умови за критерієм приведеного опору теплопередачі (характеристика безпеки знаходиться в межах Р=0,1...3).
8. Представлений розрахунково-графічний метод дозволяє прийняти рішення при обранні раціонального перерізу конструкції, спираючись на оцінювання її надійності за несучою здатністю та теплотехнічними показниками. Для розглядуваних конструкцій нормативному рівню ймовірності безвідмовної роботи за міцністю (4,14 бели) будуть відповідати значення ймовірності безвідмовної роботи за опором теплопередачі, що дорівнюють 0,2-1,1 бели (для суміщеного перекриття І температурної зони) та 0,7-2,3 (для суміщеного перекриття ІІ температурної зони).
9. Результати досліджень упроваджено при новому будівництві з використанням конструкцій зі сталевих холодноформованих тонкостінних профілів, а також при оцінюванні надійності конструкцій, що знаходяться в експлуатації.