Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Введение: «На сегодняшний день большепролетные рамные конструкции переменного сечения относятся к категории металлоконструкционных материалов достаточно широко и активно применяемых в различных зданиях и сооружениях: ангарах для самолетов, зрелищных и спортивных сооружениях, технологических зданиях и др.»[1]

Цель: Произвести технико-экономический анализ двух различных конструктивных вариантов выполнения ангара для двух самолетов, по расходу стали, для выявления менее затратного варианта конструктивной схемы.

Первое конструктивное решение выполняется в виде структурной оболочки арочного типа, а второе - в виде рамы двутаврового сечения переменной жесткости.

1. Структурная схема ангара

В проекте разработана структурное покрытие ангара пролетом 92м. (рис.1) Несущей конструкцией является структурная конструкция, получившая название система «БрГТУ», с размерами ячеек 3х3м. Свод выполнен из трубчатых круглых стержней разного диаметра, соединенных при помощи полых коннекторов на болтах. Расстояние в осях верхних и нижних поясов 2 м. В пролете 92 м отметка низа конструкции арки + 45,000. К фундаменту структура крепится шарнирно на болтах через опорную плиту.

Рисунок 1. Структурная схема ангара и действующие на нее нагрузки

Узел структуры состоит из полого шара с отверстиями, в которые устанавливаются высокопрочные болты для соединения стержней. (рис.2)

Принятые конструктивные решения позволяют достаточно точно и однозначно выделить характер и направления силового потока в узле. Передача усилия со стержневого элемента на болт происходит через резьбовое соединение гайки стержня и болта. Контргайка служит только для стопорения стержневого элемента, а ее работой при передаче симметричного усилия пренебрегают. Передача усилия с болта на стенку узла зависит от знака усилия и происходит в следующей последовательности. Сжимающее усилие в стержне через резьбу передается на силовую гайку, далее на наружную шайбу и через нее на стенку шара. Усилие растяжения передается с головки болта на внутреннюю шайбу, а далее на стенку шара.[2]

Стержни конструкции проектируем из круглых труб по ГОСТ 10704-91. Материал стержней – сталь С345 с Ry = 32 кН/см2 (при t от 10 до 20 мм) согласно таблице В.5[3].

Стержни конструкции работают на центральное сжатие или растяжение. Проверка производится по прочности, устойчивости и гибкости. Растянутые стержни проверяют на прочность, сжатые – на устойчивость.

Проверка на устойчивость центрально-сжатых элементов:

(1)

где: N – усилие в элементе, кН;

γс =1- коэффициент условий работы, принимается согласно [3];

- коэффициент устойчивости при центральном сжатии.

А – площадь поперечного сечения стержня;

- расчётное сопротивление стали;

(2)

где: - условная гибкость стержня

(3)

где: - гибкость стержня

– радиус инерции сечения элемента, см;

– расчетная длина элемента, см.

Гибкости элементов не должны превышать значений, указанных в таблицах 32 и 33 [3]. В данном случае для сжатых стержней имеем .

(4)

где: – коэффициент, принимаемый не менее 0,5

После расчета был проведён анализ и сравнение усилий N в каждом рассматриваемом элементе: верхний пояс, нижний пояс, раскосы. Затем, полученные значения разбили на группы для унификации и определения наиболее оптимальных размеров сечений труб.

Рассчитав вес каждого элемента конструкции, расход стали на структурную схему ангара составил: 780 т. (табл.1).

Таблица 1.

Ведомость отправочных элементов для структурной схемы ангара

2. Рамная схема ангара

В проекте разработана рамный каркас ангара пролетом 92м. Высота до низа рамы 30,5м. (рис.3)

Основу каркаса составляют шестнадцать поперечных рам пролётом 92 м. Сопряжение колонн ангара с фундаментами принято шарнирным, а колонн с ригелем - жесткое. По рамам с шагом 3,5м уложены прогоны ПР 16.5 по серии 1.462.3-17/85 по которым уложено кровельное покрытие состоящее из: проф.настила Н57-750-08, пароизоляции Унифлекс ЭПП, утеплителя РУФ БАТТС, профнастила Н57-750-08. Пространственная жесткость покрытия обеспечивается системой горизонтальных и вертикальных связей в уровне нижних и верхних поясов ригеля, создающими жесткий диск. Каркас ограждающих конструкций выполнен в виде горизонтальных ригелей, расположенных по периметру здания.

Статический расчет выполнен в программном комплексе «SCAD», основанном на методе конечного элемента, что вносит в него свои особенности. Расчету подлежит конструкция каркаса, состоящая из двутавровых рам переменной жесткости. SCAD не обладает возможность задания таких сечений. Для выполнения расчета, используется метод разбиения элемента на более мелкие части постоянной жесткости.

Определяются действующие виды нагрузок на здание согласно [4]: постоянные: собственный вес конструкции, нагрузка от веса покрытия; кратковременные: ветровая и снеговая нагрузки; крановые нагрузки: давление крана, торможение крана.

Задаются вычисленные нагрузки(рис.4) на раму в программный комплекс «SCAD» и производится линейный расчет. Тем самым становятся известны действующие расчетные сочетания усилий в каждом конечном элементе конструкции .

Рамная конструкция разделена на отправочные марки. (рис.5) Сечения располагаются по границам и в середине каждой отправочной марки[5]. Первое сечение – на обрезе фундамента, последнее в коньке рамы.

Расчёт элементов выполняется согласно СП [3]. Сечения подбираются исходя из полученных усилий при центральном сжатии и при действии продольной силы с изгибом.

Расчёт на устойчивость элементов сплошного сечения при центральном сжатии силой N и удовлетворяющих требованиям 7.1 [3, с.10], следует выполнять по формуле (1) см.выше.

Расчёт на устойчивость стержней следует выполнять с учетом требований 7.3.2 При определении гибкости стержней радиус инерции сечения и расчетную длину следует принимать согласно требованиям 10.3.1 и 10.3.3[3, с.51].

Расчёт на прочность элементов сплошного сечения при действии продольной силы с изгибом. следует выполнять по формуле:

≤ (5)

где: - абсолютные значения изгибающего момента при наиболее неблагоприятном сочетании, кНм;

- момент сопротивления сечения относительно оси х.

Затем подобранные сечения задаются в «SCAD». Снова производится линейный расчет, и т.к. полученные новые усилия отличаются меньше чем на 30%, от предыдущих. То уточненный подбор сечений рамной конструкции, не производится. [6]

Рассчитав вес каждой отправочной марки, расход стали на рамную схему ангара составил: 967,952 т. (табл.3).

Таблица 3.

Ведомость отправочных элементов рамной схемы ангара

Вывод: В ходе сравнения 2 расмотренных варианта, наименьший расход стали имеет вариант выполнения структурной схемы ангара(780т), т.е. можно сказать, что рационально конструировать структурное покрытие ангара, чтобы сделать процесс изготовления экономически выгодным.