Эффективность применения стальных балок с круглой перфорацией в стенке

Библиографический список

1. ГОСТ Р 53778 - 2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. М.: Стандартинформ, 2010. 90 с.

2. ГОСТ Р. Шкала интенсивности землетрясений: проект новой Российской сейсмической шкалы // Инженерные изыскания. 2011. № 10. С. 62-85.

3. Барышев В.Г., Кузьменко А.П., Сабуров В.С. Диагностика технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений // Проектирование и строительство в Сибири. 2003. № 6 (18). С. 24-28.

4. Бержинская Л.П., Бержинский Ю.А. Методы паспортизации зданий в сейсмических районах // Вопросы инженерной сейсмологии. 2009. Т. 36. № 2. С. 57-69.

5. Методика оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений / М.А. Шахраманьян [и др.]. М.: Изд-во МЧС России, 2003. 85 с.

6. Оценка сейсмической уязвимости зданий повторными измерениями модальных форм собственных колебаний / Г.И. Татьков [и др.]. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. М.: Изд-во ВНИИНТПИ. 2005. № 6. С. 27-31.

7. Сейсмичность и районирование сейсмической опасности территории Монголии / В.И. Джурик [и др.]. Иркутск: Изд-во ИЗК СО РАН, 2009. 420 с.

8. Demberel S., Klychtvskii A.V., Bayaraa G. Strong earthquake in Mongolia in the past, today, tomorrow // The 9th General Assembly of Asia Seismological Commission Ulaanbaatar, Mongolia, september 17-20, 2012. Ulaanbaatar, 2012. P. 152.

9. Hiroshi Kawase, Madhab Mathema. Earthquake disaster risk management scenario for Ulaanbaatar City, Mongolia: final report submitted to United Nations Development Programme in Mongolia. Ulaanbaatar, 2000. 193 p.

УДК 624.01. 05.23.01

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ БАЛОК С КРУГЛОЙ ПЕРФОРАЦИЕЙ В СТЕНКЕ

© А.И. Скляднев1, Н.Ю. Попова2

Липецкий государственный технический университет, 398600, Россия, г. Липецк, ул. Московская, 30.

Представлены основные вопросы оптимального проектирования стальных балок с круглой перфорацией в стенке. Исследованы основные вопросы и преимущества конструктивного решения балок с круглой перфорацией в стенке. Задача оптимизации показана на конкретных примерах. Предложена методика расчета балок с круглой перфорацией в стенке с помощью метода случайного поиска с постепенным сужением интервала поиска. Исследована целевая функция, которой в данной работе является несущая способность. Ил. 4. Библиор. 4 назв.

Ключевые слова: стальная балка с круглой перфорацией; целевая функция; задача оптимизации; способы разрезки двутавра; метод случайного поиска; прочность по касательным напряжениям; прочность по нормальным напряжениям; несущая способность.

APPLICATION EFFICIENCY OF STEEL BEAMS WITH ROUND PERFORATION IN A WALL A.I. Sklyadnev, N.Yu. Popova

Lipetsk State Technical University, 30 Moscovskaya St., Lipetsk, 398600, Russia.

The paper presents the main issues of the optimal designing of steel beams with round perforation in the wall. The main problems and advantages of the constructive decision of the beams with round perforation in the wall are studied. The optimization problem is illustrated by specific examples. The calculation procedure for the beams with round perforation in the wall by means of the random search method with the gradual narrowing of the search interval is proposed. The target function, which this work treats as load bearing capacity, is studied. 4 figures. 4 sources.

Key words: steel beam with round perforation; target function; optimization problem; methods of I-beam cutting; method of random search; strength by shearing stresses; strength by normal stresses; load bearing capacity.

В современном строительстве балки с перфорированной стенкой получили широкое применение в качестве несущих конструкций покрытий и перекрытий, рамных систем многоэтажных каркасов, балок путей подвесных кранов и т.д.

Перфорированные балки получают путём разрезки прокатного двутавра по линиям, позволяющим при последующей сварке выступающих частей получать балку с большей высотой по отношению к исходному

профилю. Дополнительное увеличение высоты балки может быть достигнуто путём установки листовых вставок. Эффективность изготовления перфорированных балок из прокатных двутавров обусловлена, прежде всего, увеличением геометрических характеристик сечения, в том числе момента сопротивления W и момента инерции I. Основные варианты разрезки и последующей сварки показаны на рис. 1.

1Скляднев Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры архитектуры, тел.: 89205244391. Sklyadnev Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Architecture, tel.: 89205244391.

2Попова Наталья Юрьевна, студентка, тел.: 89046881212, е-mail: natalyae1hpopova2009@yandex.ru Popova Natalya, Student, tel.: 89046881212, е-mail: natalyae1hpopova2009@yandex.ru

в)

Рис. 1. Варианты разрезки прокатного профиля и сварки верхней и нижней частей с целью получения: а - круглой перфорации стенки; б - шестиугольной; в - прямоугольной

Варианты разрезки позволяют получить различные отверстия в стенке: круглые (рис. 1,а), шестиугольные (при наличии листовых вставок - восьмиугольные) (рис. 1,6), прямоугольные (рис. 1,е) и др.

В практике строительства преобладает использование перфорированных балок с шестиугольными отверстиями, что объясняется наличием теоретических и экспериментальных исследований (Каплун, Бе-леня [2]), позволивших внести методы расчёта в действующие нормы проектирования (СНиП).

Балки с круглой перфорацией стенки (рис. 2,а) изучены крайне слабо, что сдерживает их широкое применение, хотя данное конструктивное решение

балок имеет ряд преимуществ, а именно:

- круглые отверстия обеспечивают наименьшую концентрацию напряжений в стенке, что имеет первостепенное значение для усталостной и хрупкой прочности стальных конструкций;

- эстетические качества круглой регулярной перфорации во многих случаях дают возможность оставлять указанные конструкции «открытыми», без устройства подвесных потолков и других ограждающих элементов, что обеспечивает не только качественное решение интерьеров помещений, но и существенный экономический эффект (рис. 2,6).

а) б)

Рис. 2. Балки с круглой перфорацией стенки: а - общий вид; б - металлоконструкция с применением перфорированной балки

В данной работе рассматриваются основные вопросы оптимального проектирования балок с круглой перфорацией в стенке.

Исходными данными для задачи оптимального проектирования являются:

- Я.у, - расчётное сопротивление стали при действии нормальных и касательных напряжений;

- ус - коэффициент условий работы;

- I - пролёт балки;

Ь1, 1Г, Л , , г - размеры исходного прокатного двутавра, в том числе ширина и толщина полки, высота профиля, толщина стенки, радиус закруглений в месте

- Г f 1

сопряжений точки со стенкой; .1 - относительный

IЬ _

прогиб балки; D, B - диаметр и длина участка сопряжения верхней и нижней частей перфорированного двутавра (см. рис. 1,а).

Целевой функцией при решении задачи оптимизации является несущая способность балки, а при действии чаще всего встречающейся равномерно распределённой нагрузки - погонная нагрузка на балку, q. Таким образом, целевая функция имеет вид

q = fl(L,Ry,Rs,yc

,bf,tf,h,tw,r,D,B) ^max.

При оптимизации перфорированной балки, выполненной из конкретного двутавра с определенными исходными данными, в целевой функции отражаются только варьируемые параметры, тогда символическая запись для целевой функции:

q = f2 (D, B)-max.

В развёрнутом виде несущая способность балки при равномерно-распределенной нагрузке определяется равенствами:

• по прочности ослабленного сечения от действия нормальных напряжений

qi =-

8 * Ry Г c *

l2

где - момент сопротивления ослабленного сечения;

• по прочности ослабленного сечения от действия касательных напряжений:

q2 =

2RS* yc*I0*tw

gome >¡< ^

где /0 - статический момент отсечённой части и момент инерции сечения перфорированной балки по ослабленному сечению;

• по прочности сварного шва:

Ъ =

2RJc*hc*(B - 2tJ*t„

l*

где Ис - расстояние между центрами тяжести тавров в ослабленном сечении;

• по условию допускаемого прогиба:

q4 =

* 384 * E*In

5l3

Геометрические характеристики сечения (W0,Sотс,10,Ьс) зависят от размеров исходного профиля и величины D.

Фактическая несущая способность перфорированной балки, рассчитанной по формулам (3)-(6). будет минимальной. Варьируя параметры D и В мы имеем возможность достичь максимума несущей способности в соответствии с формулой (2).

Для решения задачи оптимизации необходимо учесть конструктивные ограничения по варьируемым параметрам:

max <

[4tw

40мм + 2t

< B < H;

0 < D < H - 2t, - 2r.

На алгоритмическом языке «Pascal ABC» авторами составлена программа, реализующая метод случайного поиска с постепенным сужением интервала поиска, определённого первоначально конструктивными ограничениями. Блок-схема программы показана на рис. 3.

Результаты оптимизации балок с круглой перфорацией стенки представлены в графической форме на рис. 4 (расчётное сопротивление стали принято

2 2 f 1 Ry= 2300 кг/см2; Rs=1340 кг/см2; f = —).

L 250

Анализ результатов оптимизации позволяет сделать следующие выводы:

1. Оптимальные размеры отверстий в стенке балки при действии равномерно-распределённой нагрузки зависят от величины пролёта: с увеличением пролёта диаметр отверстия возрастает до предельных значений по конструктивным ограничениям.

2. Оптимизация сечения позволяет увеличить несущую способность перфорированной балки по отношению к балке с традиционным увеличением высоты (Н=1,5 х h0) на 10-80% (см. рис. 4).

3. Несущая способность оптимальной перфорированной балки с круглой перфорацией выше несущей способности исходного профиля на 30-90% (см. рис. 4).

Ввод исходных данных для конкретного прокатного

профиля +

Определение интервала поиска по условиям формул

I

Назначение варьируемых параметров (Б и В) как средних в пределах интервалов поиска

Определение несущей способности

Рис. 3. Блок-схема для оптимизации размеров отверстия балки с круглой перфорацией в стенке методом случайного поиска с сужением интервала поиска

а) б)

Рис. 4. Результаты оптимизации балки с круглой перфорацией стенки: а) двутавр 30:---оптимальное

конструктивное решение;-----традиционное конструктивное решение;----решение для исходного профиля

б) двутавр 50:---оптимальное конструктивное решение; — - традиционное конструктивное решение;

----решение для исходного профиля

Таким образом, усовершенствование балочной балок с круглой перфорацией в стенке позволяет по-

конструкции в направлении снижения её весовых по- лучать экономию стали от 10 до 30 и экономию энер-

казателей представляется эффективным и перспек- гозатрат на их изготовление около 20%. тивным направлением. Исследование и внедрение

Библиографический список

1. Рогатовских Т.М. Прочность стальных сжато-изогнутых 3. Скляднев А.И. Пути повышения эффективности примене-перфорированных элементов в упругопластической стадии: ния перфорированных балок // Известия вузов. Строитель-дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01; Липецкий гос. техн. ун-т. ство и архитектура. 1981. № 10. С. 11-15.

Липецк, 2009. 206 с. 4. Юрченко А.А. Напряжённо-деформированное состояние

2. Беленя Е.И. Металлические конструкции. Общий курс: балок замкнутого сечения с перфорированными стенками: учебник для инженерно-строительных вузов. М.: Стройиз- атореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.23.01; Сибирский феде-дат, 1985. 500 с. ральный ун-т. Красноярск, 2008.

УДК 628.8

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСЕРГИИ В УСТАНОВКАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

© О.В. Шарова1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены существующие методы оценки эффективности использования эксергии в системах кондиционирования воздуха. Отражены преимущества и недостатки способов, используемых в данный момент. Предложен новый метод составления эксергетического баланса, совмещающий отдельные части существующих методов, а также позволяющий более подробно рассмотреть распределение потоков эксергии, потери эксергии из -за несовершенства процессов, способы повышения эффективности установок.

1Шарова Ольга Владимировна, аспирант, тел.: (3952) 405143, e-mail: sharova@front.ru Sharova Olga, Postgraduate, tel.: (3952)405143, e-mail: sharova@front.ru