Учет пластических деформаций для вантов из прокатных профилей

Ванты из прокатных профилей или изгибно-жесткие нити (з.ж.н.) нашли широкое применение в качестве несущих элементов покрытий большепролетных сооружений - стадионов, бассейнов, кинотеатров, промышленных зданий, а также в конструкциях висячих мостов, трубопроводных переходов и других сооружений.

В настоящее время выполнено достаточно много исследований изгибно-жестких нитей, хорошо изучена их упругая работа. Однако исследованию пластической работы и определению запаса несущей способности жесткой нити посвящено сравнительно небольшое количество работ. В подавляющем большинстве в них используются гипотезы, которые упрощают расчеты, в работах идеализирован описывается действительная диаграмма работы материала конструкции. Это объясняется сложностью создания методики расчета, в частности раскрытию нелинейностей, которые возникают в процессе решения задачи. Это ведет к определенным погрешностям, величины которых в некоторых случаях могут быть значительными, а полученные результаты расчетов такими, которые не соответствуют действительной работе конструкций. В большинстве случаев при проектировании расчет ведется в запас прочности, что приводит к необоснованной перерасхода материала и, следовательно, к удорожанию конструкции. Поэтому разработка методики оценки прочности и деформативности жесткой нити, которая бы учитывала все особенности работы такой конструкции, а также ее физическую и геометрическую нелинейность, является актуальной задачей.

В работе представлены результаты экспериментальных и численных исследований работы з.ж.н. в упруго-пластической стадии. Предметом экспериментальных исследований была работа элемента за пределом упругости, процесс перехода от упругой стадии к пластической, а также поведение элемента выгрузке и величина остаточных усилий. Экспериментально исследованы работу з.ж.н. в упруго-пластической стадии, получено экспериментальные данные понапряженно-деформированного состояния нити на основе сближения и поворота ее опорных сечений. Установлено, что уменьшение пролета в результате смещения опор элемента существенно влияет на внутренние усилия и прогибы. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими расчетами позволило утверждать, что разработанная методика с численного расчета достаточной точностью описывает действительную работу з.ж.н. в упруго-пластической стадии.


+++Изгибно жесткие нити в строительстве++
Кроме того, численно исследовано напряженно-деформированное состояние изгибно-жестких нитей в упруго-пластической стадии и при значительном развитии пластических деформаций (?max> 20?e?). Рассмотрены особенности перехода жестких нитей с разным типом закрепления опор в стадии укрепления. Исследовано явление фронта пластического течения (текучести от действия продольной силы), условия возникновения и его влияние на жесткость и деформативность жесткой нити. Сформулированы рекомендации по критерию ограничения пластических деформаций и рационального типа закрепления опор изгибно-жестких нитей.

Установлено, что переход к стадии укрепления для шарнирно и жестко закрепленных элементов происходит по-разному. Для шарнирно закрепленных жестких нитей процесс перехода в стадию укрепления происходит с возникновением вблизи опор элемента фронта пластического течения (текучести от действия продольной силы). Это явление существенно снижает воздействие изгибающего момента на величину суммарных напряжений, делает жесткую нитку почти гибкой и вдвое увеличивает интенсивность роста прогибов элемента. Появление текучести от действия продольной силы рекомендуется считать критерием для ограничения развития пластических деформаций в расчетах конструкций, для которых существенным является ограничение прогибов.

Узлы крепления жестких нитей, работающих в пластической стадии, материал которых имеет удлиненную площадку текучести на диаграмме работы, рекомендуется выполнять шарнирными. Установлено, что при развитии пластических деформаций (max> 15e) в жесткой нити с шарнирными опорами объем материала используется рационально, а пластические деформации при их высоте и длине распространяются более равномерно, чем в изгибно-жесткой нити с жесткими опорами, где пластические деформации (деформации укрепления) охватывают лишь часть участка. Как вывод - шарнирное закрепление опор делает изгибно-жесткую нитку более ривномицною в пластической стадии.



+++Сравнительный анализ горизонтальных крановых нагрузок, определенных по разным нормам проектирования+++

Нагрузки от мостовых кранов являются основными для каркасов производственных зданий различного назначения. До конца 2006 г. значение крановых нагрузок при проектировании зданий и сооружений определялись по СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия". Проведенные эксперименты и исследования работы мостовых кранов показали несоответствие полученных результатов значением нагрузок, регламентировались указанными нормами. В связи с этим, в новом ДБН В.1.2-2: 2006 "Нагрузки и воздействия", вступивший в действие с 1 января 2007 г., методика учета горизонтальных нагрузок мостовых кранов, действующих на конструкции каркасов промышленных зданий, существенно изменена. Возникает необходимость сравнительной оценки новых нормативов крановых нагрузок и мобилизации резервов каркасов промышленных зданий, которые исключат неоправданные дополнительные расходы материалов конструкций при переходе на расчет по ДБН.

Согласно СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия" горизонтальные поперечные нагрузки от воздействия мостовых кранов групп режимов работы 1К-6К определялись силой торможения тележки крана, передаваемых на одну сторону крана. Горизонтальные нагрузки от воздействия мостовых кранов групп режимов работы 7К-8К определялись боковыми силами, направленными поперек кранового пути, возникающих вследствие перекосов мостовых электрических кранов и непараллельности крановых путей.

В многочисленных публикациях сравниваются значения нагрузок от воздействия мостовых кранов на конструкции производственных зданий (ВБ), определенных по СНиП, со значениями нагрузок, полученных экспериментально. Выявлено различие в физической природе горизонтального поперечной нагрузки от воздействия мостовых кранов, которые могут значительно превышать тормозные силы, до 5 раз при кранах с малой базой (легкие четырехколесные краны).


+++Крановая нагрузка различных видов кранов+++
Нормативный документ ДБН В.1.2-2: 2006 "Нагрузки и воздействия", составленный на основе приобретенных на протяжении многих лет сведения о влиянии мостовых кранов на конструкции ВБ, устанавливает новый порядок определения вертикальной и горизонтальной составляющей крановой нагрузки. Величины поперечного горизонтального крановой нагрузки определяются как значения боковых сил, возникающих вследствие несовпадения плоскости вращения колеса крана и направлении его движения, поскольку они составляют большую часть поперечной нагрузки всех мостовых кранов. Аналогичный подход внедрен в Европейские нормы проектирования Еврокод.

Четырехколесные краны выделены в отдельную группу кранов, подверженных перекосов моста крана при движении, они передают на конструкции поперечные силы, значительно преобладают тормозные силы по СНиП. Максимальные боковые силы возникают на колесах, что своими ребордами ограничивают перекос моста крана. Эти силы могут быть приложены к одной стороне крана и направлены в разные стороны, либо к колесам по диагонали крана и также направлены в разные стороны. Каждая из боковых сил может быть направлена как наружу, так и внутрь пролета. Боковые силы учитываются при определении усилий во всех элементах здания: подкрановых балках, колоннах, фундаментах.

Авторами доклада для четырехколесных мостовых кранов различной грузоподъемности, режима работы, привода механизма передвижения моста были определены согласно ДБН горизонтальные крановые нагрузки на отдельные колеса, на подкрановые балки пролетом 6 м и 12 м и колонны одноэтажных промышленных зданий. Выявленные варианты схем приложения боковых сил, дающих наиболее неблагоприятные загрузки подкрановых балок и поперечных рам промышленных зданий. Проведенный сравнительный анализ величин и характера распределения усилий в подкрановых конструкциях и колоннах поперечных рам одноэтажных ВБ.


+++Механизм передвижения мостового крана+++
С обозначенными вопросами силовых воздействий тесно связаны вопросы действительной работы стальных каркасов ВБ, прежде всего учета работы каркаса как пространственной системы. Пространственная работа каркаса ВБ рассматривалась многими исследователями, причем работы прошлых лет недавно дополнены новыми данными (исследования д.т.н. Ермака Е.М.). В расчетах использовались плоские поперечные рамы, на которые накладывались дополнительные упругие вязи, которые моделировали связи плоской рамы с другими элементами каркаса. Проведенные исследования выявили значительный эффект пространственной работы, который выражается в существенном снижении усилий в элементах поперечной рамы каркаса и просадок основания от действия мостовых кранов.

Для выявления возможности уменьшения неблагоприятных последствий увеличения расчетных горизонтальных крановых нагрузок был проведен анализ эффекта учета пространственной работы на усилия в конструкциях одноэтажных ВБ при разном шаге поперечных рам, приводе механизма передвижения моста крана (центральном и раздельном), различных видах кровли, в том числе при жесткой кровли (железобетонные панели, приваренные к верхним поясам ферм) и при нежесткой кровли (профилированного настила) с связями по нижним поясам стропильных ферм, причем элементы связевых ферм соединялись с помощью сварки.

Анализ результатов расчетов, представленных в виде эпюр изгибающих моментов в колоннах, позволил выделить следующие основные моменты. Учета пространственной работы каркаса при расчете на вертикальную нагрузку приводит к уменьшению моментов, особенно в опорном сечении (до 50%), причем происходит перераспределение усилий с нижней части колонны в верхнюю. Значения моментов от боковых сил в пространственном варианте уменьшаются (до 40%) по сравнению с плоской расчетной схеме. Кроме того, при изменении центрального привода механизма передвижения моста крана на раздельный моменты в колоннах уменьшаются еще на 30%.

В результате значение усилий от действия боковых сил с учетом пространственной работы каркаса приближаются к значениям усилий от тормозной силы в плоской раме. При этом жесткая крыша обеспечивает снижение моментов в колоннах на 10% по сравнению с нежесткой кровлей из стального профилированного настила.

В качестве заключения отметим, что при переходе к расчету по нормам ДБН заметно возрастают горизонтальные поперечные нагрузки от мостовых кранов, поскольку в предыдущих нормах СНиП они были существенно занижены. Особенно это касается четырехколесных кранов групп режимов работы 1К-6К. Как следствие, соответственно увеличиваются расчетные усилия в элементах каркасов производственных зданий, запроектированных по ДБН. Путями уменьшения негативных последствий внедрения в практику проектирования новых нормативов крановых боковых сил является переход кмостовых кранов с раздельным приводом механизма передвижения моста (вместо центрального привода) и учета пространственной работы каркасов ВБ, что дает существенное снижение усилий в элементах конструкций ВБ. На обеспечение пространственной работы каркаса здания, главным образом, влияют вид покрытия ВБ и шаг поперечных рам. Этот резерв несущей способности и жесткости каркасов производственных зданий необходимо шире учитывать при проектировании несущих конструкций для исключения необоснованных перерасходов материала.

+++Особенности исследований и расчетов ограждающих конструкций с учетом устойчивости грунтовых массивов+++

Расчеты ограждающих конструкций проводятся на основе исследования расчетной области с позиций механики деформируемого твердого тела, с применением алгоритмов решения задач теории упругости, пластичности и ползучести, с построением универсальных расчетных моделей для грунтовых массивов при контакте с элементами ограждающих конструкций и благодаря эффективным численным методам их компьютерной реализации, является сегодняшней проблемой проектирования строительных объектов.

Предложенная методология, в основу которой положено обобщение зависимостей механики грунтов для получения закономерностей, позволяющих более обоснованно определять величину напряженно-деформированного состояния ограждений котлованов, оснований и фундаментов прилегающей застройки в зависимости от неоднородностей грунтового основания. Данный подход определения расчетной характеристики грунтового основания отличается от существующих и ранее известных тем, что позволяет учитывать неоднородность естественной грунтовой основы, физико-механические характеристики грунтов отдельных элементов, их изменение при увлажненные и прочее.

Используется метод конечных элементов по моментной схеме конечных элементов, в постановке задачи предполагается дискретное моделирование существенно неоднородных слоев почвы, а также наличие твердых включений, моделирующих элементы ограждающих конструкций глубоких котлованов, оснований и фундаментов близлежащих зданий. В пограничных с твердыми вкрапления слоях почвы требуется образование дискретных слоев элементов модели (сгущение сеточной области), где имеют место концентрации напряжений и, как следствие, возникает необходимость исследования модели полупространства в первом предельному состоянию по критерию разрушения (развития оползневых деформаций) с использованием соотношений нелинейной механики грунтов. То есть рассматривается задача исследования неоднородного грунтового полупространства с учетом геометрической и физической нелинейности в постановке задачи, поэтому в качестве исходных соотношений МСЭ используется теория нелинейности и пластичности с применением соотношений в приростах перемещений, деформаций и напряжений.


+++Модели грунтового полупространства +++
Теоретически обоснованы и подтверждены возможности исследования плоского неоднородного полупространства на основе нелинейной теории упругости и пластичности с использованием инкрементального теории на основе развития теории предельного напряженного состояния грунтового полупространства с использованием геометрической и физической нелинейности в приростах деформаций и напряжений с введением расширенного критерия текучести Мизеса; на основе третьего инварианта тензора-девиатора напряжений установлении закономерностей развития деформаций ограждения котлованов и основ прилегающей застройки с учетом развития суффозии и выпоры почвы; изучении сходимости численных и теоретических решений классических задач прочности и устойчивости нелинейной механики грунтов для неоднородного грунтового полупространства на основе развития моментной схемы конечных элементов при сгущении сетки в пограничных слоях на контакте элементов полупространства с большим расхождением в жесткости.

Разработан специальный алгоритм решения систем нелинейных уравнений равновесия дискретной расчетной модели грунтового полупространства для плоской задачи неоднородного полупространства с использованием методов удлинения по параметру возмущения, Ньотона-Канторовича и удлинение за развитием пластических деформаций. Также разработан алгоритм реализации специальных граничных условий на основе решения условной вариационной задачи методом неопределенных множителей Лагранжа.

Разработан вычислительный комплекс для исследования поведения комбинированных систем с стабилизирующими элементами включает конструкции подпорной стены в грунте, анкерные устройства и прилегающий почвенный полупространство. Комплекс реализует модель итерационного процесса последовательного изменения равновесных состояний плоскодеформованого грунтового полупространства с включением элементов подпорных железобетонных конструкций, фундаментов и оснований близлежащих существующих сооружений, а также стабилизирующих анкерных тросовых систем, работа которых протекает в различных состояниях от упругого к упруго-пластического при наличии слабых грунтовых слоев в многослойной грунтовой толщи. Для реализации перехода от состояния к состоянию используются различные комбинации специально разработанных алгоритмов.

+++Ограждения котлованов типа "стена в грунте"+++
Достоверность подтверждена решениями задач устойчивости грунтовых массивов при взаимодействии с конструкциями ограждения котлованов типа "стена в грунте" на примерах тестово-контрольных задач и сравнительным анализом результатов численных расчетов, полученные другими программными комплексами, и экспериментальных результатов, полученных из наблюдений при устройстве ограждающих конструкций в реальном строительстве.

Результаты численных расчетов действительных ограждающих конструкций в условиях плотной застройки с учетом устойчивости грунтовых массивов, полученные на основе дискретной конечно-элементной модели, показывают характер развития пластических деформаций, которые концентрируются вдоль стены в грунте с последующим продлением в направлениях полосовых нагрузок и выпоры почвы. Анализ напряженно-деформированного состояния грунтового массива и ограждающих конструкций показывает, что внутренние усилия в элементах конструкций и их деформации не превышают допустимых и позволяют сохранить от разрушения объекты существующей застройки. Результаты расчета величин деформаций конструкций ограждения стен котлованов хорошо согласуются с результатами тестовых задач и с величинами, полученные с помощью других программных комплексов. На основе полученных результатов проведенных исследований взаимодействия грунтового основания с искусственными ограждающими конструкциями установлены их оптимальные размеры для предотвращения потери устойчивости грунтового массива, а также развития процессов выпоры или суффозии при строительстве, реконструкции и дальнейшей эксплуатации зданий и сооружений с сохранением прилегающей застройки.

Эффективная реализация указанной методологии расчетов позволит проводить исследования полупространства с заданными инженерно-геологическими условиями и неоднородными включениями пород с различными физико-механическими характеристиками в грунтовой основе, и их влияние на проектные решения по проектированию сложных конструкций ограждений глубоких котлованов в условиях тесной городской застройки, грунтовых насыпей , длинных подпорных конструкций и других ограждающих конструкций укреплений неоднородных грунтовых массивов.

+++Повышение надежности основной стенки двустенных резервуаров типа "стакан в стакане"+++

Можно констатировать, что в последние годы при необходимости увеличения вместимости действующих нефтяных парков без увеличения их площадей, вопрос успешно решается применением двустенных резервуаров типа "стакан в стакане". Однако, обладая такими преимуществами как отсутствие обвалования и уменьшение пожарных разрывов между емкостям, наличие вспомогательной (наружной) стенки существенно ухудшает условия визуального осмотра основной стенки в процессе ежедневного контроля ее технического состояния службой технического надзора организации, что эксплуатирует данный резервуарные парк. Такой недостаток требует, Чтобы основная стенка имела более высокую эксплуатационную надежность, чем стенка обычного резервуара.

Повысить надежность основной стенки относительно сопротивления зарождения и распространению протяженным вязки разрушения предлагается путем применения при выборе марки стали основной стенки критерия механики разрушения (критическое раскрытие в вершине трещины). Определенное значение с учетом минимальной температуры эксплуатации, будет надежно гарантировать, что образовавшаяся в стенке Сквозная трещина, в пределах ее критической длины, будет самотормозящей. Учитывая довольно большую длину критической трещины (более 100 мм), такой дефект будет гарантированно обнаружен по истечения продукта хранения при ежедневном визуально осмотре стенки службой эксплуатации. В приложит представлены результаты экспериментальных исследований листового проката более 13 марок ниобийсодержащих сталей, Которые показали, что для гарантированно получения критической длины сквозной трещины длиной не менее 100 мм, необходимо, Чтобы?с находилось в пределах 0,16 - 0,18 мм. Полученные для ниобийсодержащих сталей корреляционные зависимости?с и значения ударной вязкости КСV показывают, что соответствующая таким значениям величина ударной вязкости КСV должно быть не менее 80 Дж/см2 при минимальной температуре эксплуатации. Такому требованию полностью соответствует листовой прокат нового класса ниобийсодержащих сталей, Разработанный УкрГОСНИЫ КМ "Прометей" г. Мариуполь и ИЭС им. Е. О. Патона (Прокат листовой свариваемый из качественной стали классов прочности 355 ... 590 для машиностроения.Введен в действие 02.04.07). Большой диапазон по прочности в сочетании с гарантированной работой удара не менее KCV = 98 Дж/см2 в толщинах до 50мм при температуре до - 40 0С, позволяет применять его для стенки резервуаров V = 20 тыс. м3 и более, а низкое содержание углерода (0,6 ... 0,8%) позволяет выполнять ссору без Предварительно подогрева. Указанная сталь успешно применена строительстве резервуаров V = 20 и 50 тыс. м3.