Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Основы строительной механики легких стальных тонкостенных конструкций: Учебное пособие

Голосов: 5

В пособии приводятся теоретические основы моделирования и расчета на прочность и устойчивость подобных конструкций, являющихся на сегодняшний день инновационными и, соответственно, испытывающие проблемы и пробелы в теоретической фундаментальной базе, в частности - необходимости использования Еврокода-3. Главная особенность пособия - наличие конкретных примеров по расчету рассматриваемого типа конструкций. Учебное пособие рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Прикладная механика". Также пособие может быть использовано: для подготовки студентов, обучающихся по магистерским программам "Теория и практика организационно-технологических решений", "Организация и управление инвестиционно-строительными проектами", "Автоматизированное проектирование зданий и сооружений", "Инженерные системы зданий и сооружений" направления "Строительство"; аспирантами, молодыми преподавателями и специалистами, изучающими, либо стремящимися расширить свои знания в области стальных конструкций и строительной механики.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
      Министерство образования и науки Российской Федерации

     САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
        ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

   Приоритетный национальный проект «Образование»
     Национальный исследовательский университет



                     В.А. РЫБАКОВ

ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ
ЛЕГКИХ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ
         КОНСТРУКЦИЙ




      Рекомендовано Учебно-методическим объединением
по университетскому политехническому образованию в качестве
  учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
                обучающихся по направлению
                   «Прикладная механика»




                     Санкт-Петербург
        Издательство Политехнического университета
                          2010


УДК 69.04 (075.8)
ББК 22.251я73
                                      Рецензенты:
Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор физико-математических наук,
         профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического
                                     университета
                                     В.А. Пальмов;
                         Доктор технических наук, профессор
               Санкт-Петербургского государственного политехнического
   университета, академик Академии горных наук, академик Международной академии
    экологии и безопасности человека и природы, академик Международной академии
                             безопасности инфраструктуры
                                    В.А. Боровиков;
    Кандидат архитектуры, заслуженный архитектор Российской Федерации, главный
                        архитектор ОАО «ЛенжилНИИпроект»
                                   К.А. Шарлыгина

      Рыбаков В. А. Основы строительной механики легких стальных тонкостенных
конструкций: учеб. пособие / В.А. Рыбаков – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. – 207 с.


     В пособии приводятся теоретические основы моделирования и расчета на прочность
и устойчивость подобных конструкций, являющихся на сегодняшний день
инновационными и, соответственно, испытывающие проблемы             и пробелы в
теоретической фундаментальной базе, в частности – необходимости использования
Еврокода-3.
     Главная особенность пособия – наличие конкретных примеров по расчету
рассматриваемого типа конструкций.
     Учебное пособие рекомендовано Учебно-методическим объединением по
университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для
студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Прикладная
механика».
     Также пособие может быть использовано: для подготовки студентов, обучающихся
по магистерским программам «Теория и практика организационно-технологических
решений», «Организация и управление инвестиционно-строительными проектами»,
«Автоматизированное проектирование зданий и сооружений», «Инженерные системы
зданий и сооружений» направления «Строительство»; аспирантами, молодыми
преподавателями и специалистами, изучающими, либо стремящимися расширить свои
знания в области стальных конструкций и строительной механики.

        Работа выполнена в рамках реализации программы развития национального
    исследовательского университета «Модернизация и развитие политехнического
 университета как университета нового типа, интегрирующего мультидисциплинарные
научные исследования и надотраслевые технологии мирового уровня с целью повышения
                 конкурентноспособности национальной экономики».

              Печатается по решению редакционно-издательского совета
       Санкт-Петербургского государственного политехнического университета .
                              © Рыбаков В.А. , 2011
                              © Санкт- Петербургский государственный
ISBN 978-5-7422-3358-9         политехнический университет, 2011


                                               ОГЛАВЛЕНИЕ
     ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................. 6
     1. Теоретические основы расчета легких стальных тонкостенных
конструкций.................................................................................................... 23
        1.1. Классификация элементов расчетных моделей в строительной
  механике. Понятие тонкостенного стержня .............................................. 23
        1.2. Истоки развития теории расчета стальных тонкостенных
  конструкций ................................................................................................ 27
        1.3. Основы технической теории расчета тонкостенных стержней
  В.З. Власова ................................................................................................. 33
           1.3.1. Стесненное кручение тонкостенного стержня открытого
    профиля .................................................................................................... 33
           1.3.2. Секториальная площадь ........................................................ 36
           1.3.3. Геометрические характеристики поперечного сечения ...... 37
           1.3.4. Секториальные координаты и секториальные ..................... 42
           геометрические характеристики в швеллере ................................. 42
           1.3.5. Система дифференциальных уравнений равновесия стержня
    .................................................................................................................. 44
           1.3.6. Общий случай нагружения тонкостенного стержня.
    Бимомент. Нормальные напряжения ...................................................... 46
           1.3.7. Касательные напряжения в сечении ..................................... 50
           1.3.8. Стержень под действием поперечной нагрузки, не
    проходящей через центр изгиба при различных граничных
    условиях ................................................................................................... 53
        1.4. Развитие теории расчета тонкостенных стержней в научно-
  исследовательской работе в XX-XXI веках .............................................. 65
        1.5. Тонкостенные стержни открытого профиля в методе конечных
  элементов .................................................................................................... 70
           1.5.1. Классификация методов исследования.
    Основные положения и известные в практике варианты
    конечноэлементного анализа тонкостенных стержней открытого
    профиля .................................................................................................... 70
           1.5.2. Теоретические основы метода конечных элементов в
    классической постановке ........................................................................ 73
           1.5.3. Метод конечных элементов с использованием тонкостенных
    конечных элементов ................................................................................ 89
           1.5.4. Бистержневая модель тонкостенных конструкций ............ 102
           1.5.5. Экстраполяционные методы оценки точности метода
    конечных элементов .............................................................................. 108
        1.6. Требования современных строительных норм, правил и
  рекомендаций ............................................................................................ 115
           1.6.1. Требования действующих строительных норм .................. 116

                                                                                                                       3


         1.6.2. Расчет тонкостенных конструкций по методике
    Э.Л. Айрумяна ....................................................................................... 117
       1.7. Устойчивость элементов тонкостенных профилей .................. 123
         1.7.1. Понятие устойчивости равновесия упругой системы.
    Критическая сила................................................................................... 123
         1.7.2. Особенности явления потери устойчивости тонкостенных
    стержней................................................................................................. 131
         1.7.3. Общая устойчивость тонкостенных стержней в условиях
    поперечного изгиба ............................................................................... 136
         1.7.4. Местная потеря устойчивости. Положения расчета
    Еврокода-3 ............................................................................................. 144
         1.7.5. Конструктивные мероприятия по предотвращению потери
    устойчивости ......................................................................................... 149
       1.8. Перфорированные профили ...................................................... 150
         1.8.1. Виды термопрофилей и их назначение .............................. 150
         1.8.2. Учет влияния просечек в строительных нормах ................ 151
         1.8.3 Учет влияния просечек в Еврокоде-3 .................................. 152
         1.8.3. Моделирование просечек в виде локального уменьшения
    толщины профиля.................................................................................. 153
       1.9. Алгоритм расчета стальных тонкостенных поперечно
  изгибаемых                                      просечно-перфорированных
  швеллеровых балок по несущей способности ........................................ 157
     2. Исследование влияния депланации на несущую способность
тонкостенного профиля ............................................................................... 163
       2.1. Описание модели исследования ................................................ 163
         2.1.1. Описание исходных и искомых параметров модели ......... 163
         2.1.2. Основные физические гипотезы, лежащие в основе модели
    исследования.......................................................................................... 164
       2.2. Расчет аналитическими и
  полуаналитическими методами ............................................................... 166
         2.2.1. Определение ключевых геометрических характеристик .. 166
         сечения ........................................................................................... 166
         2.2.2. Балка, загруженная равномерной нагрузкой .................... 169
         2.2.3. Балка, загруженная одной сосредоточенной нагрузкой .... 178
         2.2.4. Балка, загруженная двумя сосредоточенными нагрузками180
         2.2.5. Анализ общей устойчивости балки по С.П. Тимошенко при
    различных загружениях ........................................................................ 182
         2.2.6. Анализ местной устойчивости балки при различных
    загружениях ........................................................................................... 183
       2.3. Расчет модели численными методами ...................................... 186
         2.3.1.Выбор метода исследования и способа задания модели .... 186
         2.3.2. Анализ результатов, полученных численным методом ..... 186

4


          2.4. Сопоставление полученных различными способами результатов
  .................................................................................................................... 191
       Приложение 1. Некоторые сведения об узловых соединениях и
методах их расчета ....................................................................................... 195
       Библиографический список ................................................................. 204




                                                                                                                        5


                                  ВВЕДЕНИЕ
                                             В последние годы в России дина-
                                         мично развивается металлургия и на-
                                         блюдается широкое применение ме-
                                         таллоконструкций    в    современном
                                         строительстве. Металлические конст-
                                         рукции демонстрируют себя как уни-
                                         версальные, прочные, но легкие, и, со-
                                         ответственно, быстровозводимые, чему
                                         строительные компании придают ог-
                                         ромное значение. В целях снижения
                                         сроков строительства, строительные
                                         компании стараются минимизировать
                                         объем «мокрых»1 работ и переходят на
                                         «металл».

      В настоящее время наиболее эффективной технологией строитель-
ства быстровозводимых сооружений является использование каркасной
системы из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), утепли-
теля, облицовочных листов и пароизоляционных пленок, которая завоевы-
вает в нашей стране все новых и новых поклонников и активно внедряется
на строительном рынке
      Однако столь важное свойство, как легкость, может заметно сказать-
ся на несущей способности конструкции. Поэтому легкие стальные тонко-
стенные конструкции (далее ЛСТК) перед их внедрением в строительство
должны быть подвергнуты тщательному анализу по несущей способности.
Особенно это актуально для незамкнутых тонкостенных профилей, таких
как двутавр, зетовый, уголковый и, особенно, швеллеровый профили.
      ________________________________________________
      1
         - Термин «мокрый» в 3-ем значении толкового словаря русского языка Ожего-
ва С.И и Шведовой Н.Ю. [17] означает «относящийся к пребыванию в водной среде
(спец.) – Мокрые процессы». В строительной отрасли этот термин, как правило, приме-
няется как характеристика процессов и работ, связанных с твердением цементного,
глиняного и др. вяжущих веществ вследствие частичного испарения и частичной кри-
сталлизации молекул воды.


6


      Ввиду того, что одной из областей применения ЛСТК является мало-
этажное жилищное строительство, подобные конструкции могут быть ис-
пользованы как экономичный вариант реализации национальной програм-
мы «Доступное и комфортное жилье», несомненна значимость проблемы
для экономики страны в целом.
      Несмотря на столь широкую распространенность подобных конст-
рукций в России, на сегодняшний день имеются существенные недостатки
в нормативной и методической базах по расчету ЛСТК.
      И, безусловно, для решения этих проблем необходимо обращаться к
фундаментальной науке – строительной механике, как впрочем, всегда и
поступало человечество, пытаясь найти в науке обоснованные ответы на
непонятные жизненные вопросы.

      Строительная механика является первичной строительной наукой, на
которой базируется вся строительная отрасль. В нашем случае – это строи-
тельная механика плоских стержневых систем.
      Первые попытки решения задачи строительной механики об изгибе
стержней были произведены в XV веке Леонардо да Винчи (1452-1519),
исследовавшего данное явление и предположившего, что прочность балок,
опертых обоими концами, изменяется в обратном отношении к длине и в
прямом отношении к ширине.
      В дальнейшем, на протяжении XVI-XIX веков теорией изгиба
стержней занимались Галилео Галилей (1564-1642), Эдм Мариотт (1620-
1684), Яков Бернулли (1654-1705), Леонард Эйлер (1707-1783), Антуан Па-
ран (1666-1716), Луи Мари Анри Навье (1666-1716), Жан Виктор Понселе
(1788-1867), Софи Жермен (1776-1831), Симеон Дени Пуассон (1781-
1840), Барре де Сен-Венан (1796-1886), Д.И. Журавский (1821-1891), Отто
Христиан Мор (1835-1918), совершенствуя эту теорию, учитывая все
больше и больше факторов и неуклонно своими исследованиями стремясь
к точному результату.
      Однако все они исследовали стержни, толщина стенок или контура
которых сопоставима с размерами поперечного сечения, т. е. не являю-
щиеся тонкостенными.
      В 1855 г. Сен-Венаном разработана теория кручения призматическо-
го стержня. Было установлено, что для некруглого стержня при наличии

                                                                       7


связей, мешающих искажению сечения, возникает изгибное или стеснен-
ное кручение, при котором в стержне возникают дополнительные нор-
мальные напряжения. Впоследствии подобное явление было замечено в
1909 г. Бахом.
      Огромный вклад в развитие теории тонкостенных стержней внес
В.З. Власов, считающийся, по сути, основоположником данной теории.
Немалый вклад в развитие теории устойчивости тонкостенных стержней
внес С.П. Тимошенко, работавший в то время в Санкт-Петербурге и неод-
нократно публиковавший свои результаты в изданиях Санкт-
Петербургского политехнического института.
      Теорию В.З. Власова развивали и продолжили на протяжение ХХ ве-
ка П.А Лукаш, Н.А Кузьмин, И.Е. Милейковский, Е.А. Бейлин, В.Г. Алек-
сандров, А.П. Анучкин, Д.В. Бычков, А.К. Мрощинский, Г.Ю. Джанелидзе,
Я.Г Пановко, Б.Н. Горбунов, А.И.Стрельбицкая, А.А.Уманский, В.А. По-
стнов, И.Я Хархурим, Г.И. Белый, Н.Г. Сотников, Н.Н. Родиков, С.Н. Пи-
чугин, С.Н. Сергеев, П.А. Пяткин. Изучению вопросов устойчивости пла-
стин посвящены исследования Б.М. Броуде, Е.В. Борисова, Ф. Блейха,
Я. Брудки, А.С. Вольмира, И.Б. Ефимова, Э. Стоуэла и других ученых.
Проблеме учета просечек в тонкостенных профилях также посвящена ра-
бота Е.Н. Поповой, инженера Санкт-Петербургского государственного по-
литехнического университета.
      На сегодняшний день в Санкт-Петербургском государственном по-
литехническом университете дисциплина «Строительная механика изуча-
ется студентами на 3-4 курсах бакалаврской и инженерной подготовки, в
программу дисциплины входит изучение «азов» этой фундаменальной
науки, ее ключевых основ, - линейной строительной механики плоских
стержневых систем.
      В рамках же магистерской подготовки студентам дается углубленное
изучение строительной механики как основной строительной науки; в ча-
стности – основ строительной механики легких стальных тонкостенных
конструкций, которым и посвящено данное пособие.
      И цель у настоящего пособия двоякая: прикладная – дать студентам
представление о ЛСТК как особом виде металлических конструкций и ме-
тодиках их расчета; фундаментальная – на конкретном примере углубить-



8


ся в математический аппарат строительной механики, осознать роль мате-
матики в современной науке.
      Введение в технологию строительства
      Основным элементом ЛСТК являются холоднокатаный термопро-
филь и легкие балки из тонкого оцинкованного листа, которые могут быть
использованы как для сборки цельного каркаса здания, так и для монтажа
отдельных элементов:
      - наружных и внутренних стен, перегородок;
      - междуэтажных перекрытий;
      - стропильных конструкций мансард, крыш и других сооружений.




        Рис. 1В. Ферма на основе ЛСТК (из профилей с перфорацией)
      Специальная форма профиля гарантирует высокие прочностные ха-
рактеристики, а выполняемые на стенках термопрофилей прорези (перфо-
рация – рис. 1В) со смещенным шагом значительно снижают потери тепла
через стены из-за удлинения пути холодного потока и особенностей крае-
вых свойств прорезей, позволяют избежать возникновения так называемых
«мостиков холода».
      Крепление конструктивных элементов между собой производится
без применения сварки, при помощи самонарезающих шурупов из высоко-
прочной стали.
    Основные достоинства способа строительства с использованием
              легких стальных тонкостенных конструкций
     1. Для быстровозводимых облегченных строительных конструкций
обычно требуется фундамент мелкого заложения (монолитная плита),


                                                                     9


свайный или винтовой фундамент. Нет необходимости устраивать фунда-
менты глубиной до 2-х метров с рытьем котлованов и гидроизоляцией.
     2. Сборка каркаса строительного сооружения благодаря легкости и
точным, размерам профилей является относительно простой и быстрой.
Так, например, бригада из нескольких человек может собрать полностью
каркас дома площадью до 600 квадратных метров за 2-3 недели.
     3. Отсутствие необходимости применения кранов или грузоподъем-
ных механизмов на всех этапах установки каркаса стен, кровли, перегоро-
док. Особое значение этот фактор имеет при строительстве мансард, на
объектах, достаточно отдаленных от автодорог, а также при необходимо-
сти максимального сохранения окружающего ландшафта.
     4. Использование качественной теплоизоляции в стенах и потолочных
перекрытиях позволяет устроить из ограждающих конструкций своеобраз-
ный «термос», который в закрытом состоянии может хранить тепло до 2-3
суток не требуя дополнительного отопления, что существенно снижает за-
траты на энергоносители, стоимость которых имеет тенденцию постоянно-
го роста. Затраты на отопление дома, построенного из ЛСТК составляют
40 % от затрат на аналогичный кирпичный дом.
     5. Многовариантность фасадных систем (облицовочный кирпич, ви-
ниловый или металлический сайдинг, имитация под искусственный или
натуральный камень, деревянная вагонка или «блок-хаус», профлисты с
полимерным покрытием и другие современные фасадные материалы) или
систем внешней отделки стен здания.
     6. Машиностроительная точность размеров внутренних стен, перего-
родок и потолков до минимума сводит затраты времени и материалов на
отделочные работы.
     7. Отсутствие «мокрых» процессов позволяет вести работы круглого-
дично без остановки строительного процесса.
     8. Применение ЛСТК позволяет свести до минимума неперерабаты-
ваемые отходы, а также обеспечить чистоту на строительной площадке, не
нанося ущерба окружающей среде.
     9. Возможность эффективного ремонта и реконструкции.
     10. Широкие возможности для архитектурных решений и проектов. В
качестве комплексной строительной системы ЛСТК могут применяться



10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика