Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время значительная часть производственных зданий в России, представляет собой перепрофилированные заводские помещения, оставшиеся невостребованными в результате снижения объемов промышленного производства. Техническое состояние конструкций, инженерных сетей и коммуникаций таких сооружений зачастую не соответствует нормативным требованиям и потребностям эксплуатирующих организаций. По данным аналитических агентств рынок недвижимости испытывает дефицит производственных площадей в виде мобильных зданий небольших пролетов. Существует необходимость разработки технических решений, которые дадут возможность быстрого, надежного и экономически выгодного восстановления утраченных производственных фондов.
На строительном рынке требуются промышленные здания, главными характеристиками которых является высокие эксплуатационные характеристики, технико-экономические показатели и скорость возведения.
В условиях плотной городской застройки, когда в крупных городах сохраняется тенденция к строительству в центральных районах, актуальной становится также реконструкция зданий в виде надстроек мансард. Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК), в частности, элементы каркаса зданий из тонколистовой оцинкованной холодногнутой стали, отвечают этим требованиям. Сдерживающим фактором широкомасштабного использования ЛСТК является отсутствие нормативной базы, регламентирующей область применения, расчет и конструирование таких конструкций. По этой причине строительным компаниям, которые пользуются технологией ЛСТК, зачастую приходится опираться на зарубежный опыт возведения зданий из тонкостенных холодног- нутых элементов. Поэтому, развитие теоретических положений для расчета и конструирования тонкостенных холодногнутых несущих элементов, а так же разработка типовых конструктивных решений, обеспечивающих надежное и эффективное применение ЛСТК в строительстве, является актуальным.
Цель работы - разработать конструктивные решения и провести экспериментально-теоретические исследования напряженно-деформированного состояния рамы каркаса здания с несущими элементами бикоробчатого сечения, сформированных из тонкостенный -образных холоднодеформированных оцинкованных профилей.
Основные задачи:
На основе анализа существующих конструкций из тонкостенных оцинкованных профилей обосновать выбор конструктивной схемы рамы и разработать конструктивные решения узловых соединений несущих элементов;
Исследовать работу несущих элементов рамной конструкции из тонкостенных профилей с целью совершенствования конструктивной формы сечения;
Выполнить исследования по поиску решения для снижения податливости и повышения несущей способности многоболтовых соединений тонкостенных профилей;
Провести численный анализ и экспериментальные исследования работы фрикционных одно- и многоболтовых соединений стальных пластин при различных соотношениях их толщин;
Выполнить натурные экспериментальные и численные исследования рамных конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей. Определить возможные области применения разработанной конструкции;
Определить основные положения и рекомендации по конструированию и расчету несущих элементов замкнутого составного сечения из двух сигма профилей с объединенными участками стенок по длине.
Научная новизна
Установлены особенности распределения напряжений по сечению элементов замкнутого составного бикоробчатого сечения из двух тонкостенных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине, позволяющие разрабатывать конструкции с повышенной несущей способностью и технологичностью;
Установлено влияние на напряженно-деформированное состояние и несущую способность рамной конструкции нахлёсточных стыков по длине бико- робчатых ригелей, выполненных со смещением профилей составного сечения, позволяющих уменьшить размеры отправочных элементов и снизить стоимость их изготовления;
Выявлены особенности работы на сдвиг фрикционных соединений стальных элементов с различным сочетанием толщин от 1,2 до 5 мм, определяющие их податливость и несущую способность;
По результатам экспериментальных исследований и численных расчетов получены значения коэффициента Yt, учитывающего соотношение толщин и количество болтов при расчете несущей способности фрикционных соединений стальных тонкостенных элементов.
Практическая значимость работы
Разработана новая конструктивная форма несущих элементов замкнутого составного сечения из двух сигма профилей с объединенными участками стенок по длине и приведены рекомендации по их конструированию (патент РФ № 2478764);
Разработаны конструктивные решения поперечных рам каркаса здания пролётом от 9 до 18 м из лёгких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) без использования затяжки между жесткими карнизными узлами выполненными на высокопрочных болтах (патент РФ № 2423582);
Даны рекомендации по конструированию и расчету узловых фрикционных соединений и нахлесточных соединений по длине ригелей.
Достоверность результатов обеспечена:
использованием основных положений теории расчета металлических конструкций, механики деформированного твердого тела и строительной механики;
использованием сертифицированных расчетных комплексов для выполнения численных исследований и сертифицированного оборудования для выполнения экспериментальных исследований;
воспроизводимостью результатов исследований, согласованием экспериментальных результатов с результатами аналитических и численных расчетов.
Внедрение результатов
Результаты диссертационного исследования использованы:
ООО «ПСК «ПроектСтройСервис» при разработке проекта «Капитальный ремонт гостиничного комплекса «Огни Енисея», г. Красноярск;
ООО «СтройСервис» при капитальном ремонте мансардного этажа общественного здания, Красноярский край, п. Кедровый;
Основные положения диссертационных исследований используются в учебном процессе по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку» на кафедре строительных конструкций и управляемых систем Сибирского федерального университета.
На защиту выносятся:
конструктивные решения тонкостенных балок и стоек замкнутого составного сечения, выполненных из двух холодногнутых оцинкованных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине;
конструктивные решения узлов рамы с фрикционными болтовыми соединениями элементов из тонкостенных холодногнутых оцинкованных сигма профилей;
результаты экспериментальных исследований фрикционных соединений на болтах М16 класса прочности 8.8, выполненных из стальных пластин с различным сочетанием толщин от 1,2 до 5 мм;
результаты экспериментальных исследований натурной конструкции рамы пролётом 12 м из холодногнутых сигма профилей;
результаты аналитических расчетов на местную устойчивость тонкостенных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине и численных расчетов несущих элементов натурной конструкции рамы пролетом 12 м;
результаты технико-экономической оценки эффективности каркасов здания из тонкостенных холодногнутых профилей и область их применения.
Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов и данных по исследуемой проблематике, постановке задач и разработке программы исследования; изготовлении опытных конструкций, проведении экспериментальных и численных исследований; обработке результатов и формулировке основных положений, определяющих научную новизну.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены: на научно-технических конференциях СФУ (г. Красноярск, 2009 - 2012 гг.); I Международной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии строительства» (г. Красноярск, 2011 г.); XV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции
из металла, дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2011 г.); V Всероссийской научно- технической конференции, посвященной актуальным вопросам строительства (г. Новосибирск, 2012 г.); XVI Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2012); Международном конгрессе, посвященном 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве - 2012» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.).
Публикации
По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, из них 5 публикаций в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации, и 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и приложений. Диссертация содержит 200 страниц, 97 рисунков, 16 таблиц, библиографический список из 140 наименований.
