Рациональное очертание стальной арки
Гаврилов А.А.
Арка представляет собой одно из старейших типов сооружений. Еще в далеком прошлом человечество применяло обычные арки, а в древнеримском и средневековом строительстве арочные мосты были наиболее распространенными системами.[1]
При проектировании металлических конструкций необходимо выбрать технически рациональный и экономически эффективный вариант конструкции. Чтобы сооружение отвечало этим требованиям необходимо применять рациональное очертание и эффективные типы профилей металлических конструкций. Арочные конструкции из металлического тонкостенного профиля имеют целый ряд преимуществ и обладают хорошими показателями, которые по стоимости и расходу стали в сегменте лёгких универсальных промышленных зданий превосходят многие другие[2]. С развитием индустрии ЛСТК стало необходимым найти рациональные формы арок из тонкостенных профилей с учетом загружения различными силами. металлическая конструкция арка нагрузка
Для того чтобы сооружение отвечало требованиям экономичности при проектировании необходимо применять рациональное очертание и эффективные типы профилей металлических конструкций.[3]
Также ставится практическая задача по понижению общих затрат на полный цикл создания арочной конструкции, кроменаучной задачи по уменьшению металлоемкости. Спецификой арок служит большой пролет.Из этого вытекает установка монтажных стыков по ее длине, так как необходимо соблюститребования экономичной транспортировки от завода-изготовителя ЛСТК до строительной площадки.
Использование данных конструкций имеет ряд достоинств, таких как:
· экономичность;
· не требуют массивных фундаментов;
· не требуется грузоподъёмное оборудование;
· высокая скорость сборки;
· низкая теплопроводность ЛСТ термопрофилей;
· всесезонный монтаж.
Однако такое важное свойство, как легкость может заметно сказаться на несущей способности конструкции. Поэтому конструкции перед внедрением в строительство проходят тщательный анализ по несущей способности [4].
Эксплуатация арочных конструкций из тонкостенных профилей в течение последних летстала более востребованной. Однако теоретические аспекты рационального проектирования данных конструкций не всегдапринимается во внимание, так как основной задачей остается снижение металлоемкости каркаса, следовательно, наиболее подходящий способ решения - использование арок оптимальной формы.
Проблема в поиске наилучшей формы состоит в следующем:
1. Многовариантность загружений вынуждает искать синтезированные формы арок, что является сложной математической задачей, связанной с вероятностной природой нагрузок и воздействий.
2. Чаще всего рациональная ось арки не является параболой или сегментом круга, из-за этого следует рассчитывать оси отдельно под каждое загружение, так как аналитическое задание такой оси отсутствует в литературе.[5] металлическая конструкция арка нагрузка
Исследование проводилось обучающимися с целью реализации ключевых компетенций [6, 7].
В статье представлен возможный метод нахождения рациональной оси арочной конструкции из ЛСТ-профилей под многовариантные загружения, в основе которого лежит упрощение для легких подъемистых арок, при которых разрешается не принимать во внимание влияние собственного веса. Данный расчет поможет определить рациональные оси арок любых габаритов.
Расчетная схема выражается изогнутым стержнем стального тонкостенного профиля (рисунок 1). В арках было использовано составное сечение из двух гнутых швеллеров, соединенных для совместности работы прокладками. В схеме изображено данное составное сечение одним стержнем, отчего особенности совместной работы швеллеров не учитываются.
Рисунок 1 - Расчет реакций опор
Рисунок 2 - Представим арку в виде балки
Анализируя рациональную форму арки при снеговой нагрузке, можем сделать вывод, что из всех загружений именно снеговая нагрузка имеет решающую роль, в связи с её интенсивностью и влиянием на эпюру изгибаемого момента.
Выполнены необходимые расчеты:
1. Найдены реакции опор (рисунок 2)
(1)
(2)
- (3)
(4)
2. Построены эпюры сил, моментов и нормальных напряжений (рисунок 3).
3. Определены координаты точек
(5)
Координаты сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Координаты точек
|
х |
0 |
1 |
2 |
4 |
6 |
8 |
9 |
10 |
|
|
у |
0 |
2,29 |
3,61 |
4,97 |
5,03 |
3,16 |
1,9 |
0 |
4. По произведенным расчетам рациональной оси арки, был построен график функции, произведен расчет на прочность и определены возможные минимальные размеры арки в зависимости от стрелы через программу Excel (рисунок 4).
Рисунок 3 - Эпюра моментов
Рисунок 4 - Окно расчета значений
Использование надстройки «Поиск решения» позволило определить рациональное значение стрелы подъема. В качестве критерия оптимизации выступала масса арки[8].
Таким образом, арочные конструкции из легких стальных тонкостенных профилей эксплуатируются в строительстве большепролетных зданий. Их применение обусловлено наименьшей металлоемкостью среди пролетных конструкций - балок и ферм. Целью работы являлось снижение металлоемкости арки за счет придания ей рациональной оси.
Итак, автоматизировав расчеты, можно сделать следующие выводы:
1. Придавая оси арки рациональный вид, понижается металлоемкость арки.
2. Рассматривая различные варианты загружений, следует проводить синтез рациональных осей под весь спектр нагрузок и воздействий.
Список литературы
1. Беленя, Е.И. Металлические конструкции. Общий курс : учебник длявузов/ Е.И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Ведеников и др. 6-е изд., перераб. и доп. - М. : Стройиздат, 1986. - 560 с.
2. Ватин Н.И., Жмарин Е.Н., Куражова В.Г., Усанова К.Ю. Конструирование зданий и сооружений. Легкие стальные тонкостенные конструкции: учеб. Руководство / СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. -266 с.
3. Щербина В. А., Артебякина Г. И., Мамутов Ф. А. Рациональная форма лёгких арочных конструкций // Молодой ученый. -- 2016. -- №26. -- С. 101-105. -- URL https://moluch.ru/archive/130/36033/ (дата обращения: 04.12.2018).
4. Рыбаков В. А., Гамаюнова О. С. Напряженно-деформированное состояние элементов каркасных сооружений из тонкостенных стержней // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 7 (12). С. 79-123.
5. Турчаненко А.К. Рациональное очертание стальной тонкостенной арки с симметричным сечением //СПб.: 2015. -- 95 с.
6. Кудина, Л.И. Научно-методические аспекты формирования ключевых компетенций при изучении курса теоретической механики / Л.И.Кудина, А.А.Гаврилов // В сборнике: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: Материалы Всероссийской научно-методической конференции. - 2014. - С. 337-340.
7. Морозов, Н.А. Формирование компетенций, связанных с самостоятельным решением задач / Н.А. Морозов, А.А.Гаврилов // В сборнике: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры:Материалы Всероссийской научно-методической конференции. - 2014. - С. 377-379.
8. Гребенюк, Г.И.Решение задач расчета и оптимизации тонкостенных многопролетных балок с учетом влияния вторичных сдвигов / Г.И. Гребенюк, А.А.Гаврилов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. -2016. - № 4 (44). - С. 158-168.