Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук. Пермь: Пермский национальный исследовательский
политехнический университет, 2012. — 20 с.
05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кашеварова Г.Г. Цель работы – создание на основе экспериментальных и численных методов научно-обоснованных расчетных моделей и методики оценки устойчивости большепролетных деревянных арочных конструкций, адекватно отражающих работу реальных пространственных сооружений, для надежного и рационального проектирования. Исходя из поставленной цели работы, решались следующие задачи:
1 Анализ существующих подходов к решению проблемы устойчивости большепролетных деревянных арок.
2 Выявление характера и причин разрушения большепролетных конструкций с увеличенным соотношением высоты сечения к ширине (параметра k = h/b) в экспериментальных испытаниях моделей арок из клееной древесины.
3 Разработка расчетной модели большепролетной деревянной арки на основе экспериментальных испытаний моделей арок из клееной древесины и вычислительных экспериментов в ПК ANSYS по исследованию влияния на критическую нагрузку и характер потери устойчивости арочной конструкции:
• разных видов загружения;
• расчетной конечно-элементной модели;
• увеличения соотношения высоты сечения арки к ширине (k);
• разных вариантов закреплений арки в пространстве;
• жесткости накладываемых связей и расстановки соединительных элементов в пространстве;
• учета анизотропии свойств древесины;
• типа анализа устойчивости (линейного, нелинейного).
4 Разработка методики расчета устойчивости пространственной арочной конструкции, алгоритма и программных модулей.
5 Применение разработанной методики к расчету реального арочного сооружения.
6 Сравнительный анализ результатов расчета по предлагаемой методике и по методикам, рекомендуемым СНиП. Научная новизна результатов исследования.
- Автором разработана компьютерная модель и создан программный модуль (на языке APDL), реализующие методику расчета устойчивости большепролетной арочной конструкции с учетом анизотропных свойств древесины, в линейной и геометрически нелинейной постановках.
- Экспериментально установлено и теоретически доказано, что для стрельчатых арок при соотношении высоты сечения h к ширине b больше 5 характерна пространственная форма деформаций, связанная с потерей устойчивости плоской формы деформирования сжатой грани полуарки, и эффект от введения дополнительных связей возрастает при увеличении этого соотношения.
- Вычислительные эксперименты показали, что на величину расчетной критической нагрузки и характер деформаций существенно влияет учет анизотропных свойств материала. Без учета анизотропии расчетные значения критической нагрузки существенно превышают экспериментальные значения.
- Верификация экспериментальных и теоретических исследований позволила выявить и обосновать необходимость учета при расчете арочных конструкций жесткости связей, обеспечивающих пространственную устойчивость конструкции.
- Выявлен эффект действия дополнительных связей на нижних гранях арок в пространственной конструкции, препятствующих боковым перемещениям, состоящий в том, что арки без дополнительных связей теряют несущую способность при меньших нагрузках от потери устойчивости; арки с дополнительными связями теряют несущую способность при больших нагрузках в результате разрыва волокон материала.
- На основании сравнения результатов натурных и вычислительных экспериментов показано, что для арок без дополнительных связей на нижних гранях более близкие к экспериментальным значениям критические нагрузки дает линейный расчет устойчивости равновесия, а для арок с дополнительными связями – нелинейный расчет. Практическая значимость работы.
Результаты проведенных исследований позволяют внести корректировку в методику СНиП по изменению коэффициентов, учитывающих пространственную жесткость конструкции при проведении проектировочных расчетов.
Основные разделы работы выполнялись в рамках тематического плана госбюджетных НИР по заданию Министерства образования РФ по направлению «Совершенствование методов проектирования зданий, конструкций, оснований и фундаментов, санитарно-технических систем, дорожно-транспортных комплексов с учетом энергосбережения и экологии».
05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кашеварова Г.Г. Цель работы – создание на основе экспериментальных и численных методов научно-обоснованных расчетных моделей и методики оценки устойчивости большепролетных деревянных арочных конструкций, адекватно отражающих работу реальных пространственных сооружений, для надежного и рационального проектирования. Исходя из поставленной цели работы, решались следующие задачи:
1 Анализ существующих подходов к решению проблемы устойчивости большепролетных деревянных арок.
2 Выявление характера и причин разрушения большепролетных конструкций с увеличенным соотношением высоты сечения к ширине (параметра k = h/b) в экспериментальных испытаниях моделей арок из клееной древесины.
3 Разработка расчетной модели большепролетной деревянной арки на основе экспериментальных испытаний моделей арок из клееной древесины и вычислительных экспериментов в ПК ANSYS по исследованию влияния на критическую нагрузку и характер потери устойчивости арочной конструкции:
• разных видов загружения;
• расчетной конечно-элементной модели;
• увеличения соотношения высоты сечения арки к ширине (k);
• разных вариантов закреплений арки в пространстве;
• жесткости накладываемых связей и расстановки соединительных элементов в пространстве;
• учета анизотропии свойств древесины;
• типа анализа устойчивости (линейного, нелинейного).
4 Разработка методики расчета устойчивости пространственной арочной конструкции, алгоритма и программных модулей.
5 Применение разработанной методики к расчету реального арочного сооружения.
6 Сравнительный анализ результатов расчета по предлагаемой методике и по методикам, рекомендуемым СНиП. Научная новизна результатов исследования.
- Автором разработана компьютерная модель и создан программный модуль (на языке APDL), реализующие методику расчета устойчивости большепролетной арочной конструкции с учетом анизотропных свойств древесины, в линейной и геометрически нелинейной постановках.
- Экспериментально установлено и теоретически доказано, что для стрельчатых арок при соотношении высоты сечения h к ширине b больше 5 характерна пространственная форма деформаций, связанная с потерей устойчивости плоской формы деформирования сжатой грани полуарки, и эффект от введения дополнительных связей возрастает при увеличении этого соотношения.
- Вычислительные эксперименты показали, что на величину расчетной критической нагрузки и характер деформаций существенно влияет учет анизотропных свойств материала. Без учета анизотропии расчетные значения критической нагрузки существенно превышают экспериментальные значения.
- Верификация экспериментальных и теоретических исследований позволила выявить и обосновать необходимость учета при расчете арочных конструкций жесткости связей, обеспечивающих пространственную устойчивость конструкции.
- Выявлен эффект действия дополнительных связей на нижних гранях арок в пространственной конструкции, препятствующих боковым перемещениям, состоящий в том, что арки без дополнительных связей теряют несущую способность при меньших нагрузках от потери устойчивости; арки с дополнительными связями теряют несущую способность при больших нагрузках в результате разрыва волокон материала.
- На основании сравнения результатов натурных и вычислительных экспериментов показано, что для арок без дополнительных связей на нижних гранях более близкие к экспериментальным значениям критические нагрузки дает линейный расчет устойчивости равновесия, а для арок с дополнительными связями – нелинейный расчет. Практическая значимость работы.
Результаты проведенных исследований позволяют внести корректировку в методику СНиП по изменению коэффициентов, учитывающих пространственную жесткость конструкции при проведении проектировочных расчетов.
Основные разделы работы выполнялись в рамках тематического плана госбюджетных НИР по заданию Министерства образования РФ по направлению «Совершенствование методов проектирования зданий, конструкций, оснований и фундаментов, санитарно-технических систем, дорожно-транспортных комплексов с учетом энергосбережения и экологии».