Введение к работе
Актуальность работы. Среди несущих конструкций зданий и сооружений наибольшее применение находят элементы, работающие по балочной схеме. Несмотря на огромный опыт эксплуатации таких конструкций, традиционность их типов, до настоящего времени внимание исследователей не ослабевает к совершенствованию конструктивной формы балочных элементов и данный вопрос не перестает быть актуальным. Анализ последних достижений в области строительной науки показал, что традиционное развитие конструкций из мономатериала (бетон, металл, дерево, конструкционные пластмассы) практически исчерпало себя. Их совершенствование позволяет сэкономить не более 10% материала, в то время как есть потребность в гораздо большей экономии. Достичь её можно, развивая комбинированные конструкции из разномодульных элементов, но не путем их простой комбинации, а на основе творческой композиции, обеспечивающей эффективное использование полезных свойств каждого из применяемых материалов. Это позволяет достичь более высокого уровня снижения материалоемкости, трудозатрат и себестоимости при изготовлении конструкций, уменьшения эксплуатационных расходов.
Так, например, широкое применение в строительстве находят различные сталежелезобетонные фермы, деревобетонные конструкции, клеефанерные балки с плоской или волнистой стенками. При всех их достоинствах, в сравнении с конструкциями из мономатериалов, известные конструктивные решения нельзя признать совершенными, так как их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью сборки, либо с большим расходом материалов при ограниченной несущей способности. В связи с вышеизложенным, разработка новых конструктивных форм балок из разномодульных элементов, отвечающих требованиям современного производства, является актуальным направлением. Ключевым приоритетом разработок является обеспечение в конструкции минимального расхода материалов при одновременном использовании всех их положительных свойств. Стремление к снижению материалоемкости и улучшению других показателей должно сочетаться с обеспечением эксплуатационной надежности и долговечности разработанных конструктивных форм, что предопределяет необходимость адекватной оценки их напряженно-деформированного состояния на базе дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Предлагаемая диссертационная работа проведена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, программное мероприятие «Проведение научных исследований под руководством докторов наук» (соглашение № 14.U02.21.0129). Также разработанная тема входит в план госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры строительных конструкций Оренбургского государственного университета «Исследования прочности, устойчивости и износа конструкций зданий и сооружений» (№Г.Р.01990000100, код темы по ГРНТИ:67.11.37.67.11.41).
Цель работы: разработка и исследование новых конструктивных форм деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие взаимосвязанные задачи:
обобщить и проанализировать отечественный и зарубежный опыт конструкторских разработок в направлении предпринятых автором исследований, сформулировать цель и задачи работы;
разработать конструкции деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции;
провести численные исследования напряженно-деформированного состояния деревометаллических балок с учетом длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей и температурно-влажностных условий эксплуатации;
провести экспериментальные исследования натурных образцов балок для оценки достоверности результатов численных исследований, а также для изучения действительного характера работы предложенных конструктивных форм под нагрузкой и отработки технологических аспектов;
определить технико-экономическую эффективность применения разработанных конструкций в зданиях различного назначения;
дать рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов;
внедрить в строительную практику и учебный процесс результаты выполненной работы.
Объект исследования - деревометаллические балки со стенкой из стальных профилированных листов.
Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние предложенных конструктивных форм с развитием методики расчета и рекомендаций по их проектированию.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны новые типы деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции (новизна разработок подтверждена патентами РФ № 2276239 и №54062);
установлены закономерности влияния длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей балок и температур-но-влажностных условий эксплуатации на напряженно-деформированное состояние разработанных конструктивных форм;
разработана методика расчета деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции, позволяющая адекватно оценить их фактическое напряженно-деформированное состояние;
получены новые экспериментальные данные, подтверждающие достоверность установленных закономерностей и основных положений методики расчета, а также в достаточно полной мере отражающие действительную работу разработанных типов балок при действии эксплуатационных нагрузок.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке новых типов деревометаллических балок для использования в покрытиях зданий и сооружений различного назначения, включающей выполнение альбомов рабочих чертежей;
в создании инженерного метода расчета предлагаемых деревометаллических балок с учетом включения стенки в общую работу конструкции, а также рекомендаций по их проектированию и изготовлению;
в возможности повысить при применении разработанных конструкций эффективность капитальных вложений, снизить материалоемкость и трудозатраты по сравнению с традиционными деревянными конструкциями, что достигается за счет включения стенки в общую работу балок, технологической унификации и максимальной степени заводской готовности.
Внедрение результатов работы:
предложенные деревометаллические балки нашли применение в проектах: малоэтажных жилых домов, зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения, складов и стоянок, реконструкции зданий путем их надстройки (всего 6 объектов);
материалы исследований и альбомы рабочих чертежей разработанных конструкций переданы для внедрения по запросу Министерству строительства, жилищно-коммунального и дорожного хозяйства Оренбургской области;
рабочие чертежи разработанных балок переданы по запросам в строительные организации и проектные институты: ЗАО «Оренбургоблграждан-строй», ООО «Технология» (г. Оренбург), ОАО «Красноярскгражданпроект», ОАО «КумАПП» (г. Кумертау);
- материалы исследований включены в разделы специального курса
«Индустриальные конструкции на основе древесины для строительства быст-
ровозводимых зданий и сооружений», которые читаются студентам специаль
ностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строи
тельство и хозяйство» Оренбургского государственного университета и инже
нерно-строительного института СФУ (г. Красноярск).
На защиту выносятся:
новые конструктивные решения деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции, для покрытий зданий и сооружений различного назначения;
результаты экспериментально-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния разработанных балок с учетом длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей и температурно-влажностных условий эксплуатации;
методика расчета предложенных новых типов деревометаллических балок с учетом включения стенки в общую работу конструкции;
- результаты технико-экономической оценки разработанных балок, а
также рекомендации по их проектированию и изготовлению.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на 61, 62, 65 научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск, 2004, 2005, 2008 г.; VI, V международной науч-
ной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», г. Оренбург, 2005, 2008 г.; международной научной конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте», г. Самара, 2005; международных симпозиумах «Современные строительные конструкции из металла и древесины», г. Одесса, 2005г., 2006г., 2008г., 2010г., 2012г., 2013г; VI, VI, VIII, X международных научно-практических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика», г. Пенза, 2005г., 2006г., 2008г., 2010 г.; международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве», г. Воронеж, 2008г.; международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство)», г. Брест, 2009 г.; VIII Международной научной конференции «Drewno I materialy drewnopochodne w konstrukcjach budowlanych», Щецын, Польша, 2009 г.; межвузовской молодежной научно-практической конференции в рамках дней молодежной науки в Оренбургской области, г. Оренбург, 2011 г; IV, V, VI научно-технических конференциях «Актуальные вопросы строительства», г. Новосибирск, 2011г., 2012г., 2013г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 5 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, выпущено 4 информационных листка, получено 2 патента на изобретение и полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 145 наименований и приложения. Общий объем работы 183 страницы текста, в том числе 60 рисунков, 14 таблиц, 8 страниц приложения.
