автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и устойчивость элементов ребристого купола из клеефанерных труб с меридиональными и кольцевыми затяжками

На правах рукописи

Беляшева Нелли Леонтьевна

ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ РЕБРИСТОГО КУПОЛА ИЗ КЛЕЕФАНЕРНЫХ ТРУБ С МЕРИДИОНАЛЬНЫМИ И КОЛЬЦЕВЫМИ ЗАТЯЖКАМИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре "Строительное производство" Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор, Борис Кузьмич Михайлов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Валентин Иванович Плетнев;

- доктор технических наук, профессор, Лидия Никитовна Кондратьева

Ведущая организация -ОАО СПбЗНИиПИ

Защита состоится "¡¡¿_" ¿Cf&tC^i. 2004 года в-^Л^асов на заседании диссертационного совета Д 212.223.03 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4, зал заседаний. E-mail: rector@spice.spb.ru Факс:(812)316-58-72.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан'

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальной задачей капитального строительства является повышение обеспечения надежности прочности и устойчивости, несущей способности и срока эксплуатации конструкций большепролетных сооружений быстро собираемых, мобильных и удобных для применения по всей территории России, включая отдаленные и труднодоступные районы на основе совершенствования конструктивных форм и методов их расчета. Купольные покрытия зданий, как одна из наиболее рациональных форм применения деревянных клееных конструкций, находят широкое распространение в строительстве павильонов, больших помещений и т.п. Ребристая купольная конструкция с затяжками с применением клеефанерных труб и упруго-податливыми узлами является практически новой, особенно в области стержневых пространственных систем, и недостаточно изученной. Надежной методики инженерного расчета указанных конструкций также не существует. Применяемые до сих пор методы расчета таких конструкций перестают удовлетворять запросам практически, поскольку эти методы позволяют лишь приближенно оценивать напряженное состояние и надежность оболочек с различными нерегулярностями. Относительно изучены конструкции отдельных узлов и принципы образования конструкции ребристых куполов с затяжками. Пространственные конструкции таких куполов требуют также дополнительного исследования. Недостаточный опыт эксплуатации, несовершенство методов расчета вынуждают проектировщика использовать приближенные параметры для оценки конструкционных свойств сжатых элементов. В связи с этим данная работа, посвященная совершенствованию конструкции ребристого купола из трубчатых элементов с меридиональными и кольцевыми затяжками на основе уточненных методов расчета, разработке соответствующих алгоритмов и программ расчета с последующей экспериментальной проверкой полученных результатов, а также созданию надежной инженерной методики расчета, является актуальной.

Целью данной работы является повышение обеспечения надежности прочности и устойчивости, несущей способности и длительного срока эксплуатации предлагаемого типа купольного покрытия с применением клеефанерных труб мобильного, быстро собираемого, удобного для возведения по всей территории страны России, включая отдаленные труднодоступные северные районы. Для этого предложены варианты подхода к расчету данной конструкции и разработана методика расчета, позволяющая учитывать совместную работу ребер и покрытия при использовании экономичных, надежных и быстромонтируе^----------------шений

и материалов.

Научная новизна:

- разработано большепролетное купольное покрытие с применением клеефанерных труб с меридиональными и кольцевыми затяжками, быстровозводимое в отдаленных труднодоступных северных районах;

- использованы экономичные, надежные и быстромонтируемые варианты узловых соединений;

- исследована применимость существующих расчетных моделей к предложенной мною конструкции;

- разработана методика расчета ребристого купола из клеефанерных труб с кольцевыми и меридиональными затяжками по дискретно-континуальной схеме с использованием разрывных функций, учитывающая совместную работу покрытия и ребер. В первом приближении этот ребристый купол рассчитан согласно континуальной схеме. Для сравнения представлена методика расчета по дискретной схеме;

- выполнена экспериментальная проверка результатов расчета согласно дискретной схеме.

Практическая ценность работы заключается в разработке конкретной инженерной методики расчета ребристого купола из клеефанерных труб с меридиональными и кольцевыми затяжками. Предлагаемый вариант конструкции и методика расчета позволяют оптимизировать конструктивные параметры элементов, благодаря чему возможна их доставка воздушным путем, включая отдаленные и труднодоступные районы. На основе методики разработаны практические рекомендации для проектировщиков.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы, представленные инженерной методикой расчета ребристого купола с затяжками и практическими рекомендациями внедрены в Государственном областном унитарном предприятии (ГОУП) жилищно-коммунального хозяйства "Новжилкоммунсервис" проектном институте "Новжилком-мунпроект", г. В. Новгород/Россия/ и в инженерном бюро доктора-инженера Иоганна Циммера г. Ольденбург /Германия/.

Достоверностьрезультатов диссертации подтверждается применением математического аппарата, адекватного поставленной задаче исследования, и классических методов строительной механики, а также удовлетворительным согласованием теоретических и экспериментальных результатов.

Апробация работ. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на 56 - 60-й научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов, проходивших в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (СПб., 1999- 2003 г.г.).

Публикация, По теме диссертации опубликовано пять статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 252 страницы, включая 45 рисунков и 4 таблицы. Список литературы состоит из 198 наименований, из них 167 на русском языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели и задачи работы. Изложены сведения о научной новизне, практической ценности работы и внедрении результатов.

В первой главе приводятся основные исторические сведения по истории купольных конструкций и дан анализ развития их конструктивных форм в России и за рубежом. Рассмотрены основные исторические периоды создания и совершенствования купольных покрытий. Проанализированы некоторые существующие и проектируемые покрытия, а также этапы развития основных конструктивных идей, по которым они создавались.

Рассмотрены купольные покрытия, возводимые еще древними мастерами. Так, единство внешней и внутренней формы и рациональной конструкции нашло свое выражение еще в культовых сооружениях древней Греции и Римской империи.

В отечественном строительстве в разработку и внедрение пространственных деревянных конструкций, в том числе и куполов, значительный вклад внесли советские инженеры и ученые (В.Ф. Иванов, Т. Т. Карлсен, М.Е. Каган, Г.В. Свенцицкий и др.). В послевоенное время получили развитие клееные конструкции, с созданием которых появились большие возможности для проектирования рациональных в статическом и выразительных в архитектурном отношениях клеедеревянных и клеефанерных конструкций покрытия. Вопросам разработки и исследования куполов из клееной древесины посвящены работы М.С. Туполева, Е.И. Светозаровой, Я.Ф. Хлебного, К.П. Пятикрестовского, Ю.А. Барашкова, А.А. Журавлева и др.

Широкое применение купольные покрытия нашли в Германии, Англии, США, Канаде, Финляндии, Румынии и других странах. В работе приводятся сведения о некоторых купольных покрытиях зданий и сооружений различного назначения, осуществленных за рубежом.

Историческое развитие и совершенствование купольных конструкций привело к облегчению веса, повышению мобильности, сборности, архитектурной выразительности, к увеличению пролетов, использованию композиционных материалов. Обзор работ показывает историю совершенствования конструкции куполов. В современных конструкциях используется следующее

преимущество древесины - ее высокая несущая способность при незначительном собственном весе большепролетных конструкций.

Несмотря на появление большого количества новых пространственно-конструктивных форм, купольные сооружения продолжают оставаться наиболее распространенными, а область их применения значительно расширилась.

Далее приводится исторический обзор работ, посвященных развитию и совершенствованию купольных конструкций и известных методов расчета оболочек вращения применительно к ребристым куполам с затяжками и современное состояние этих вопросов.

В целях исследования напряженно-деформированного состояния ребристых куполов с затяжками, применяются два основных подхода. Первым из них предусматривается развитие методов расчета купольных конструкций на основе использования дискретных расчетных схем. Методы, где купола рассчитываются как плоские конструкции, основаны на рассмотрении трехшарнирной арки или арки с условными затяжками (Н.С. Стрелецкий). Дальнейшее развитие этот метод получил в работах Д.В. Вайнберга и В.Г. Чудновского, М.Е. Липницкого. Инженерный метод расчета ребристо-кольцевых куполов предложен В.А. Лебедевым.

В основе другого подхода содержится метод расчета ребристых куполов по пространственной расчетной схеме с учетом и без учета локального действия ребер, последний содержит метод статической эквивалентности, заключающийся в замене дискретно-континуальной системы эквивалентным континуальным аналогом. Разработке такого метода расчета посвящены работы Г.Ф. Ершова, А.А. Журавлева, М.Е. Липницкого, Л.Н. Лубо, К.Клеппеля и Р. Шардта, Г.И. Пшеничнова, Д.Т. Райта, В.А. Савельева.

Далее приведен краткий анализ существующих методов решения задач прочности и устойчивости купольных покрытий: аналитический, численный и экспериментальный. Согласно этой классификации рассматриваются научные работы исследователей.

К аналитическим методам относятся: методы прямого интегрирования, методы, основанные на разложении искомых функций в тригонометрические ряды или степенные ряды, вариационные методы. Аналитические методы использовались с самого начала развития теории оболочек и весьма эффективны для континуальных систем, то есть для оболочек, не имеющих нарушений регулярности в виде ребер, изломов, разрывов, отверстий.

Основополагающими в развитии прямых методов явились исследования Ритца (1908), СП. Тимошенко (1910), И.Г. Бубнова (1913), Б.Г. Галеркина (1915), П.Ф. Папковича, В.З. Власова и др. В.П. Ильин исследовал в одной из последних работ напряженно-деформированное состояние и устойчивость

ребристых оболочек при различных видах подкреплений на действие равномерно-распределенной поперечной нагрузки. Работу континуальных оболочечных конструкций аналитическими методами исследовали В.Я. Павилайнена и О.Б. Терушкина, А.Н. Беликов, Г.Б.Меньков.

В публикациях последних 40 лет большинство апторов стало уделять надлежащее внимание учету дискретного расположения ребер. К их числу относится и ряд сотрудников отдела строительной механики тонкостенных конструкций Института механики им. СП. Тимошенко НАН Украины, освещению теоретических работ которых и посвящена одна из последних работ И.Я. Амиро и В.А. Заруцкого. В.П. Агапов исследовал метод энергетического баланса в нелинейных статических расчетах тонкостенных подкрепленных конструкций.

В.И. Кучерявый, А.Е. Саргосян и В.Д. Чарков занимались расчетом элементов конструкций требуемой надежности при изгибе с кручением.

Эффективное применение аналитических методов для решения дискретно-континуальных систем связано с использованием специальных обобщенных функций. Здесь следует отметить работы Л.Г. Гедиванова, А.Г. Назарова, В.Д. Вайнберг. С идеей ввода специальных разрывных функций не только в исходные дифференциальные уравнения, но и в их решения связаны работы Б.К. Михайлова и его учеников-последователей. Ф.Ф. Гаяновым, например, осуществлено дальнейшее развитие этого метода на примере пологих оболочек, усиленных упругими ребрами различной ширины, в том числе и для ребер ограниченной длины.

Ряд недостатков, присущих аналитическим методам при расчете ребристых оболочек устраняют, применяя методы численного анализа. В разработку Теоретических основ метода конечных элементов и его приложений внесли большой вклад многие исследователи. Среди них можно выделить М. Дж. Тернера, Дж. X. Аргируса, Р.Ф. Клафа, О.Т. Зенкевича, Л.А. Розина, Дж. Одена, А.С Городецкого, И. Альтенбаха, В.А. Постнова, Н.Н. Шапошникова, Д. Стренга, Д. Фикса и др. Работу оболочек методом конечных элементов исследовали как в России, так и за рубежом. Можно отметить работы П.З. Менабдижвили, В.В. Карпов и Д.О. Кипиани, Г.В. Меньков, Е.В. Решетникова, Б.В. Миряев, Б.В. Миряев и С.А. Тлужов.

В направлении изучения действительной работы клеедеревянных и клеефанерных конструкций куполов проводились их экспериментальные исследования. Обращает на себя внимание немногочисленность такого рода исследований, в большинстве своем выполненных на моделях. Заслуживает интерес ряд экспериментальных исследований купольных конструкций, проведенных на моделях Б.В. Миряевым и В.И. Мартемьяновым, К.П. Пятикрестовским и Е.Н. Щепеткиной, Б.В.Миряевым и А.А. Кузнецовым, Л. Цхонгуе и Ш. Циян.

При исследовании несущей способности ребристых купольных систем пространственных покрытий в инженерной практике наряду с задачами о напряженном состоянии не менее важное значение имеют задачи по устойчивости. Вопрос устойчивости применительно к куполам подробно рассматривался в работах А. С. Вольмира, С.А. Иванова, А.А. Журавлева, К. Клеппсля, А.О. Кунцевича, П.К. Линда, И.В. Ломбардо, A.M. Михайли-ченко, Д.Т. Райта, В.А. Савельева, И.А. Тавгень, В.И. Тур. Результаты по исследованию устойчивости оболочек представлены также в работах А.В. Александрова, В.Н. Травуш и А.В. Матвеева, Шеен Ву-Юн, Донг Ши-Лин и Фу Гонг-Йи, В.Л. Якушева, В.В. Безделева и В.В. Распопина,

A.А. Кузнецова. А.С. Юдина, СЕ. Пономарева и С.А. Юдина исследовали модели устойчивости подкрепленных оболочек. Цханг Аилин, Ванг хайтао и Рен Веийе занимались в оптимальном проектировании конструкций упрощенным рассмотрением ограничений на надежность устойчивости.

Б. Сургулидзе, Г. Парциаладзе и В. Мецниереба исследовали гашение вызванных нагрузкой деформаций в сжатых элементах посредством эффекта предварительного напряжения. А. Ю. Ким исследовал воздухоопорный купол с авторегулированием напряженно-деформированного состояния.

B.В. Пикуль сформулировал современное состояние и перспективы развития теории оболочек.

В последнее время широко применяют трубчатые элементы. В ряде работ рекомендуются трубы в качестве основного конструкционного материала.

В Японии разработаны трубчатые клеебумажные элементы. На основе идеи традиционных бумажных стеновых ограждений в Японии, используемых в сельском жилище, в последнее время разработаны трубчатые клеебумажные конструкции, изготовляемые путем клеевого спирального рулонирования бумажных полос. Бумажные полосы подвергаются специальной обработке, обеспечивающей изделию требуемую огнестойкость и предотвращающей гигроскопичность клеебумажной конструкции.

На основании обзора удалось уточнить цель и задачи настоящей работы.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию напряженно-деформированного состояния и расчету на прочность и устойчивость элементов ребристого купола из клеефанерных труб с затяжками. Изложена методика расчета купольного покрытия как пространственной модели с нарушением регулярности в виде ребер и конструктивными особенностями в виде предложенных вариантов конструкций соединительных и опорных узлов при условии, что величина усилия натяжения внутренних затяжек достаточна, чтобы считать, что клсефанерные трубы и колодки посредством системы конструктивных элементов связаны в одно целое и в первом

приближении можно считать эти соединительные узлы при сжатии с изгибом жесткими. Содержится разработка методики расчета принятой конструкции на статическую нагрузку.

Исследуемый ребристый купол с затяжками из плоских элементов покрытия рассматривался как оболочка с меридиональными изломами, вписанная в сферическую поверхность. Рассматриваемая оболочка имеет малые углы излома поверхности, поэтому принималось допущение, что длина кривой, образованной сечением гладкой поверхности покрытия, описанной вокруг рассматриваемой ломаной поверхности, мало отличается от длины соответствующей вписанной в нее ломаной линии. Поэтому при выводе основных уравнений вместо метрики ломаной поверхности принималась приближенно равная метрика соответствующей описанной гладкой поверхности покрытия. Учитывая наличие меридиональных ребер и кольцевых затяжек, исследована сферическая оболочка, подкрепленная перекрестной системой ребер, т.е. ребристая оболочка. При этом соответствующие разрешающие уравнения отличаются от уравнений исходной ребристой оболочки с полигональным покрытием посредством коэффициентов, содержащих кривизны, принимающих бесконечно большие значения на линиях изломов.

Теоретические модели для расчета принятой конструкции купольного покрытия исследовались следующим образом. Исходя от типа выбранной конструкции и её реального состояния под нагрузкой, выбранный ребристый купол с кольцевыми затяжками рассматривался в результате как ребристо-кольцевая механическая система купольного покрытия или ребристая оболочка (дискретно-континуальная механическая система).

Анализируя схему деформации конструктивных элементов ребристой оболочки в зависимости от взаимного соотношения толщины оболочки и ребра, рассмотрена стержневая (дискретная) пасчетная схема, дискретно-континуальная расчетная схема в виде ребристой оболочки и континуальная расчетная схема в виде фиктивной оболочки с приведенной жесткостью. При уменьшении толщины оболочки размеры ребра увеличиваются, в результате тонкая оболочка практически не влияет на деформацию всей конструкции. Это соответствует дискретной расчетной схеме с приведенной жесткостью. Таким образом, в расчете используется плоская модель для расчета принятой конструкции купольного покрытия.

В теоретических исследованиях напряженно-деформированного состояния ребристых оболочек как дискретно-континуальных механических систем, т.е. по пространственной модели расчета, при статическом нагру-жении обычно применяются два подхода, отличающиеся способом учета дискретной работы ребер оболочки. Первый из них основан на сведении

рассматриваемой ребристой оболочки к конструктивно-ортотропной модели и использовании методов теории ортотропных оболочек. Это целесообразно при большом числе часто расположенных ребер. При этом применяется метод континуализации, т.е. приведения ребристой оболочки к некоторой фиктивной гладкой путем "размазывания" жесткостей ребер на интервале-шаге этих ребер оболочки. При этом напряженно-деформированное состояние вблизи ребер усредняется, т.е. искажается. В итоге получается континуальная расчетная схема, жесткая на изгиб и сжатие. С учетом ребер приведенная жесткость конструкции будет осредненной.

Однако, заменяя ребристую оболочку на фиктивную гладкую, не удается выявить ряд важных закономерностей, связанных с дискретной работой ребер. Второй подход к рассмотрению ребристой оболочки основан на технической теории ребристых оболочек, упрощенной по методу Муштари-Донелла-Власова, уравнения которой построены с учетом дискретного размещения ребер.

В представленной работе исследовано применение двух основных подходов к расчету принятой конструкции ребристого купола из клеефанерных труб:

1. плоская модель для расчета, то есть дискретная расчетная схема;

2. пространственная расчетная модель для расчета, то есть ребристая оболочка непосредственно как дискретно-континуальная расчетная схема, которую в первом приближении при расчете на прочность и при проверке на устойчивость рассматривают как континуальную расчетную схему.

По дискретной расчетной схеме купольное покрытие исследовалось на прочность и устойчивость как арка с затяжками, соответствующими кольцевым затяжкам купола. Расчет выполнен методом строительной механики стержневых систем. При этом принималось, что каждая арка воспринимает только нагрузки, приложенные в ее плоскости, а в ключевом сечении может получить реактивные усилия от примыкающих арок лишь вертикальные или горизонтальные, приложенные также в ее плоскости. Боковые силы воспринимаются конструкцией кровли и связевыми дисками. Усилия определяются из условий совместности деформаций всех арок в ключевом сечении. Расчет на прочность и проверка на устойчивость выполнены известными методами, принятыми предыдущими исследователями.

Для учета совместной работы ребер и конструкции покрытия данного купола была исследована ребристая оболочка как дискретно-континуальная механическая система. Для ее расчета в первом приближении, рассматриваемую ребристую оболочку привели к некоторой фиктивной гладкой путем "размазывания" жесткостей ребер ребристой оболочки. В

результате получили континуальную расчетную схему - жесткую на изгиб и сжатие, которая была исследована в линейной постановке. Приведенные жесткостные характеристики и радиус инерции фиктивной оболочки находились предварительным расчетом из условия равенства деформаций изгиба и растяжения (сжатия) для фиктивной гладкой оболочки и реальной конструкции куполя. С использованием безмоментной теории и с учетом краевого эффекта получены выражения для усилий в сечениях фиктивной гладкой оболочки от действия собственного веса, снеговой и ветровой нагрузки, с помощью которых определялись максимальные усилия и далее выполнен расчет на прочность и устойчивость в элементах купольного покрытия согласно рекомендациям действующих норм. В результате определена несущая способность при потере устойчивости в малом.

Для расчета напряжений и деформаций в ребристой оболочке принятой конструкции купола с учетом местного влияния меридиональных ребер, была решена задача на основе смешанных уравнений технической теории оболочек относительно функции прогиба и усилий, упрощенных по методу Муштари-Донелла-Власова.

При построении разрешающих дифференциальных уравнений учет влияния ребер на напряженно-деформированное состояние конструкции производился при помощи соотношений для обобщенных усилий и моментов, содержащих коэффициенты в виде дельта-функций.

где: Т1*, - внутренние усилия и моменты в ребристой оболочке; -

- усилия и моменты в гладкой части оболочки; площадь

поперечного сечения, статический момент, момент инерции и модуль упругости /-го ребра; - дельта-функция Дирака.

Исходная разрешающая система уравнений имела вид:

БД^ - Д ^ = Р + Ь,г(уу,Г)+Ь|п(\УЛ

/1 - коэффициент Пуассона;

Е- модуль упругости материала; Р- интенсивность нагрузки;

£) = £йэ /12(1-//') - цилиндрическая жесткость оболочки при изгибе.

Для решения данной системы использован вариациоьный метод Бубнова-Галеркина. При шарнирных условиях опирания по контуру, искомые функции разлагаются в ряды:

/-¿¿/-«ада^шКАЛ (5)

(6)

где:

После решения полученной системы уравнений для ограниченного числа членов ряда найдена последовательность значений коэффициентов у»т и затем усилия и моменты в оболочке в виде рядов и определены напряжения в тангециальных направлениях из известных выражений:

г.=-ЕЕ Д?/- мр,у\

я я

Тг =

Я я Я я

» я Я Я

Я = -0(1 -/0ЕЕ"-А сЦв.,х)сов(Д,Л

м я

Устойчивость панели ребристой сферической оболочки исследована при предположении о малости деформаций, т.е. рассматривая линейную задачу.

Для получения уравнения критического состояния использован "статический критерий", суть которого состоит в том, что в момент потери устойчивости "возмущенное" состояние ребристой пластинки становится таким же равновесным, как и исходное невозмущенное состояние. Это соответствует моменту перехода от устойчивого равновесия к безразличному равновесию. В момент наступления такого состояния, сжимающая внешняя нагрузка вызывает изгиб элемента (пластинки), аналогичный изгибу ее от

при: х = 0; х = а; у = 0; у = Ъ,

Т, 6М, ' Г, „ 6М, Г ЛЛ 5_6Я

Ч 2Г .

внешней изгибающей нагрузки, перпендикулярной срединной плоскости. Для определения критической нагрузки получено выражение:

В заключение главы расчет на прочность и проверка на устойчивость ребристого купола выполнены, следуя рекомендациям действующих норм, и представлена методика проверки местной устойчивости.

Третья глава посвящена изложению экспериментального исследования фрагментов купола из клеефанерных труб с затяжками. Экспериментальные исследования фрагментов купола проводились в испытательной лаборатории при кафедре КДиП СПб ГАСУ. Цель испытаний состояла в проверке результатов аналитического расчета, а также возможная корректировка результатов теоретических данных с учетом результатов эксперимента.

Испытано три фрагмента купольного покрытия в виде арок пролетом 2,352 м. Основными несущими элементами арки являлись клеефанерные трубы с внутренними металлическими затяжками, которые соединялись между собой с помощью металлических колодок, а на опорах заделаны в стальные балки-швеллера. Металлические внутренние затяжки и связевые элементы предварительно подвергались напряжениям посредством затяжных ключей. Таким образом, клеефанерные трубы и металлические колодки оказались соединены между собой внутренними затяжками, стянутыми гайками. Испытываемые фрагменты - арки соответствуют конструкции исходной модели купола. Все элементы модели изготовлены в тех же пропорциях жесткости, что и в расчетной схеме.

Испытание модели арки было проведено при предварительном натяжении внешних контурных затяжек с различным усилием предварительного напряжения. Испытания проводились при одностороннем и симметричном загружении моделей арок купола. Загружение модели проводилось ступенями по одной пятой от расчетной нагрузки. Во время испытаний измерение перемещений осуществлялось посредством прогибомеров ПАО-6 с ценой деления 0,01 мм, прогибы и горизонтальные перемещения подвижной опоры - с помощью индикаторов с точностью 0,01 мм (ИЧ-10), деформация растяжения-сжатия волокон клеефанерных труб измерялись посредством тензодатчиков.

Испытание модели арки купола позволило определить возможности функционирования предварительно-напряженных арок купола с затяжками. Предварительное напряжение модели производилось с помощью натяжения муфты четырьмя ступенями с выдержкой каждой ступени по 20 минут.

Рекомендовано преднапряжение без донатяжения, которое имеет преимущество в том, что осуществляет контроль несущей способности предварительно-напряженных арок с затяжками, и позволяет выбирать основную часть деформаций в узлах клеедеревянных элементов.

Экспериментальные значения нормальных напряжений определялись на всех тгяпах зягружения из условий линейного деформированною состояния. Сравнение экспериментальных значений с теоретическими, вычисленными для сжато-изгибаемого элемента, показало удовлетворительную сходимость в пределах 15%. При испытании арки купольного покрытия получена в целом линейная зависимость прогибов, а также напряжений в клеефанерных трубах и усилий в гибких элементах от нагрузки. Рост остаточных деформаций при этом отсутствовал.

Анализ результатов испытаний показывает, что максимальное значение вертикального перемещения вершины арки купола составило 1/450 часть пролета. Эта величина для подобного класса конструкции пока не нормирована. Полученное значение относительного вертикального перемещения на 12% превышает значение, найденное теоретически и находится в пределах, допускаемых для подобного класса конструкций. Выполненные экспериментальные исследования арки купола свидетельствуют о правильности теоретических предпосылок их расчета и возможности использования в конструкциях купольных покрытий из клеефанерных труб.

Таким образом, проведенные настоящие экспериментальные исследования подтвердили разработанный ранее метод расчета конструкции купольного покрытия в виде купола из клеефанерных труб с меридиональными и кольцевыми затяжками, а именно, согласно дискретной расчетной схемы с точностью 10-15%.

Четвертая глава посвящена разработке рекомендаций по совершенствованию принятой конструкции купольного покрытия из клеефанерных труб. С целью повышения его несущей способности, надежности и срока эксплуатации.

В настоящее время для большинства используемых конструкций не единичны примеры недостаточной надежности конструкций в период эксплуатации. Значительная доля отмеченного недостатка обусловлена односторонним подходом в выборе используемых конструкций - в основном с позиций технологичности. Не умаляя значения поточного высокомеханизированного изготовления клеедеревянных и клеефанерных конструкций для их массового производства и применения, следует согласиться с недооценкой расчетно-конструктивных критериев (прочностных и деформационных) и их решающего влияния на надежность конструкций, при условии качественного изготовления. Известно, что эффективность

конструктивного решения зависит в первую очередь от того, насколько достоверно учтены при проектировании прочностные и физические свойства материала, а также действительная работа конструкции под нагрузкой. Резервом повышения надежности клеефанерных конструкций является рациональное конструирование и совершенствование методов их расчета, выявлению и использованию которых посвящена данная работа.

Предложенный вариант конструкции купольного покрытия позволяет путем изменения натяжения стержней создавать различную жесткость узловых соединений и тем самым изменять распределение усилий в несущих элементах конструкции. В предложенной конструкции используются внутренние затяжки, предназначенные для присоединения клеефанерных труб к узловым колодкам, позволяющие также менять податливость узлов в целом. В конструкции используются и внешние контурные затяжки, позволяющие повышать жесткость конструкции и обеспечивать рациональное распределение усилий в элементах системы. Это особенно важно, так как исследуется конструкция, в которой используется фанера - древесный материал с большим разбросом физико-механических характеристик.

Предварительное напряжение, примененное в предложенной конструкции, позволило создать стрежневую систему, в которой отдельные элементы работают только на сжатие или только на растяжение и за счет этого наиболее полно использованы положительные качества различных материалов - фанеры и металла. В данном купольном покрытии усилия сжатия перераспределяются в арочный пояс, создавая систему, в которой пространственную работу надежно обеспечивают конструкция покрытия и связи, расположенные в плоскости покрытия; усилия растяжения воспринимаются системой гибких элементов - контурных затяжек.

Разработанный метод расчета исследуемой конструкции по дискретно-континуальной расчетной схеме позволяет повысить эффект обеспечения надежности, прочности и устойчивости, поскольку функциональные ряды при аппроксимации в виде полиномов имеют быструю сходимость, поэтому решение соответствующих уравнений, достаточно хорошо отражает напряженно-деформированное состояние исследуемой ребристой оболочки в условиях геометрически нелинейного деформирования, следовательно позволяет точно оценить прочность и устойчивость и тем самым надежность исследуемой купольной конструкции. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния, ребристой оболочки, полученные во второй главе при расчете согласно дискретно-континуальной расчетной схеме, показали, что использование в решении разрывных функций, отражающих ожидаемый характер усилий и моментов, позволяет получить решение в виде быстросходящихся рядов для всех компонентов напряженно-деформи-

рованного состояния как в локальной, вблизи ребер, так и в континуальных зонах конструкции. Разработанна надежная методика расчета купола, учитывающая нерегулярность конструкции в виде ребер. Она позволяет в настоящее время перейти к более реальным и точным расчетным схемам тонкостенных конструкций, в частности оценить влияние условий сопряжения подкрепляющих ребер с оболочкой.

В данной конструкции проявляется преимущество клеефанерных труб как долговечность.

Исследуемая конструкция купольного покрытия является примером рационального проектирования, так как в ней рационально использованы клеефанерные трубы в направлении наибольшей прочности и устранены опасные для цельной клеефанерной конструкции напряжения в промежуточных узловых соединениях, что является причиной недостаточной надежности эксплуатируемых конструкций.

Одним из определяющих факторов при разработке ребристых куполов с затяжками также является выбор опорных и ключевых узловых сопряжений. При разработке сопряжений выбраны такие узловые соединения, которые создают равнопрочность данной конструкции в реальных условиях. При этом предложены наиболее надежные и простые в изготовлении конструктивные решения стыков элементов для выбранного варианта конструкции.

В заключение сформулированы основные выводы выполненной автором работы и даны практические рекомендации. Сделана экономическая оценка предложенного конструктивного решения. Основныевыводыпо диссертации:

1. Разработанная конструкция купола из клеефанерных труб позволяет создавать мобильные, быстровозводимые покрытия различного назначения, собираемые на месте из готовых элементов. Доставка может производится в труднодоступные районы как традиционным сухопутным, так и воздушным путем, вследствие малого веса отдельных сборных элементов.

2. Предложенная методика расчета и созданные на ее основе алгоритмы позволяют с применением дискретной, континуальной и дискретно-континуальной расчетной схеме производить быструю реализацию расчета по определению напряженно-деформированного состояния и, следовательно, выполнить за короткое время многовариантный расчет с целью определения оптимального сочетания конструктивных параметров. Оптимальные конструктивные параметры купольного покрытия из клеефанерных труб с затяжками уточняются при расчете по дискретно-континуальной расчетной схеме.

3. Анализ результатов расчета по дискретной расчетной схеме подтверждает близкое совпадение (в пределах 15-20%) теоретических и эксперимен-

тальных данных. Экспериментально подтверждена также возможность регулирования напряженно-деформированного состояния путем изменения натяжения внутренних затяжек и, следовательно, жесткости узловых соединений.

4. Определена критическая нагрузка для дискретной, континуальной и дискретно-континуальной расчетным схемам. Показано, что при определении критической нагрузки вполне допустимо пользоваться континуальной расчетной схемой, при которой жесткостные характеристики ребер усредняются. Оптимальная величина критической нагрузки получается при использовании дискретно-континуальной расчетной схеме.

5. Эффективность предложенной конструкции основана на следующих показателях:

- путем изменения натяжения стержней позволяет создавать различную жесткость узловых соединений и тем самым изменять распределение усилий в несущих элементах конструкции;

- допускает многократную сборку и разборку, легко транспортируется в разобранном состоянии;

- позволяет создавать различные очертания меридиана без принципиального изменения конструкций соединительных узлов.

Основныеположения диссертации изложены в следующихработах:

1. Михайлов Б.К., Хузин З.М., Беляшева Н.Л. Варианты ребристо-кольцевого купола с применением клеефанерных труб // Мобильные и быстровозводимые здания, сооружения и комплексы. . Сб. научных трудов. Под общ. ред. Шнитковского А.Ф., Васильева А.И. СПб.: ГОССТРОЙ РФ, 1999. -с. 192-194.

2. Михайлов Б.К., Беляшева Н.Л. Напряженно- деформированное состояние и устойчивость панели купольного покрытия. -Новгородский Гос. Университет им. Ярослава Мудрого. 2001. - 7 с-Деп. в ВИНИТИ № 2466- В 01 от 27.11.01.

3. Михайлов Б.К., Беляшева Н.Л. Вариант конструкции ребристо-кольцевого купола. Теоретические модели и модели его расчета. -Новгородский Гос. Университет им. Ярослава Мудрого. 2002. - 20 с: ил. - Библиогр. 26 назв. - Русс. - Деп. в ВИНИТИ № 352 - В 02 от 21.02.02.

4. Михайлов Б.К., Беляшева Н.Л. Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния и расчет на устойчивость элемента ребристо-кольцевого купола из клеефанерных труб с предварительно-напряженными затяжками на основе дискретно-

континуальной модели расчета. - Новгородский Гос. Университет им. Ярослава Мудрого. 2002. -13 с: ил. - Библиогр. 13 назв. - Русс. - Деп. В ВИНИТИ № 353 - В 02 от 21.02.02. 5. Михайлов Б.К., Тарбаев В.В., Беляшева Н.Л. Конструктивные решения купольного покрытия с использованием деревянных клееных конструкций// Строит, эксперт. - 2002. -Лл 18 (133) сект. - С.9.

Подписано к печати 17.05.2004. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 79.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская,4

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, 5.

■•» * - 1 3 8 5 6

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные исторические сведения по возникновению и развитию купольных покрытий и основные сведения из истории развития теории ребристых оболочек по работам ее основоположников

1.2 Анализ существующих методов решения задач прочности и устойчивости купольных покрытий и обзор соответствующих научных работ.

1.3 Выводы по первой главе.

Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И ПРОВЕРКА НА УСТОЙЧИВОСТЬ РЕБРИСТОГО КУПОЛА ИЗ КЛЕЕФАНЕРНЫХ ТРУБ С МЕРИДИОНАЛЬНЫМИ И КОЛЬЦЕВЫМИ ЗАТЯЖКАМИ

2.1 Конструкция ребристого купола из клеефанерных труб с меридиональными и кольцевыми затяжками и исходные допущения.

2.2 Расчетные модели для принятой конструкции купольного покрытия.

2.3 Исследование купольного покрытия по дискретной расчетной схеме на прочность.

2.4 Исследование купольного покрытия по дискретной расчетной схеме на устойчивость.

2.5 Исследование купольного покрытия по пространственной модели согласно континуальной расчетной схеме. Статический расчет на прочность.

2.5.1 Исходные зависимости, допущения и разрешающие уравнения безмоментного состояния оболочки

- А. Безреберная пластина как элемент покрытия.

- Б. Оболочка с приведенной жесткостью.

2.5.2 Решение статической задачи при внешней симметричной и несимметричной нагрузке для оболочки с приведенной жесткостью

- А. Безреберная пластина как элемент покрытия.

- Б. Оболочка с приведенной жесткостью.

2.5.3 Учет краевого эффекта и граничные условия.

2.6 Проверка на устойчивость при исследовании купольного покрытия по пространственной модели согласно континуальной расчетной схеме.

- А. Безреберная пластина как элемент покрытия.

- Б. Оболочка с приведенной жесткостью.

2.7 Исследование купольного покрытия на основании пространственной модели и согласно дискретно-континуальной расчетной схеме. Статический расчет на прочность.

2.7.1 Основные исходные зависимости, допущения и разрешающие уравнения

- А. Элемент покрытия в виде ребристой пластины.

- Б. Ребристая оболочка.

2.7.2 Методика решения уравнений. Решение статической задачи на прочность

- А. Элемент покрытия в виде ребристой пластины

- Б. Ребристая оболочка.

2.8 Проверка на устойчивость при исследовании элемента купольного покрытия на основании пространственной модели в виде ребристой пластины согласно дискретно-континуальной расчетной схеме.

2.8.1 Исходное уравнение критического состояния.

2.8.2 Решение дифференциального уравнения критического состояния

2.9 Пример расчета.

2.10 Выводы по второй главе.

Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФРАГМЕНТА - КРИВОЛИНЕЙНОГО ЭЛЕМЕНТА КУПОЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ КЛЕЕФАНЕРНЫХ ТРУБ С ЗАТЯЖКАМИ

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований.

3.2 Конструкция модели купольного покрытия.

3.3 Оснастка и приборы и методика загружения.

3.4 Результаты статических испытаний модели купольного покрытия и оценка результатов испытаний.

3.5 Выводы по третьей главе.

Глава 4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КУПОЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ.

В отечественном строительстве в разработку и внедрение пространственных деревянных конструкций, в том числе и куполов, значительный вклад внесли советские инженеры и ученые (В.Ф. Иванов, Г.Г. Карлсен, М.Е. Каган, Г.В. Свенцицкий и др.). В послевоенное время получили развитие клееные конструкции, с созданием которых появились большие возможности для проектирования рациональных в статическом и выразительных в архитектурном отношениях клеедеревянных и клеефанерных конструкций покрытия. Вопросам разработки и исследования куполов из клееной древесины посвящены работы М.С. Туполева, Е.И. Светозаровой, Я.Ф. Хлебного, К.П. Пятикрестовского, Ю.А. Барашкова, А. А. Журавлева и др.

В условиях интенсивного роста капитального строительства и всемирного повышения уровня его индустриализации большое значение приобретает снижение веса элементов зданий и сооружений, способствующее ускорению строительства и уменьшению его стоимости. Проблема снижения веса конструкций особенно актуальна для строительства в сельской местности и отдаленных районах в связи с недостаточно высокой механизацией, отсутствием хороших дорог и необходимостью максимального сокращения продолжительности строительства дорог.

Интересы развития народного хозяйства России, рост объемов капитального строительства выдвигают также в качестве одной из важнейших задач всемирную экономию материалов, в первую очередь, металла и цемента. Основным вопросом экономии этих важнейших ресурсов стала замена их другими эффективными материалами.

Речь идет не столько о простой замене одних конструкционных материалов (и в особенности их комбинаций) для создания наиболее легких и экономичных конструкций, удовлетворяющих всем условиям технологии изготовления. Решение этой задачи осложняется постоянно растущими функциональными требованиями к зданиям и сооружениям.

Острая необходимость уменьшения веса конструкций, в первую очередь, относится к покрытиям сельскохозяйственных производственных зданий и выставочных помещений павильонного типа.

Разработка облегченных конструкций представляет собой метод научно обоснованного конструирования, причем его конечная цель достигается разработкой рациональных конструктивных форм, обеспечивающих максимально эффективное использование свойств существующих материалов (конструкции облегченных форм), и соответствующим выбором и применением новых материалов (конструкции из новых материалов).

Несоответствие между эксплуатационным назначением и большим весом ограждающих конструкций бросается в глаза.

Значительное сокращение применения железобетонных и стальных конструкций преимущественно при строительстве в отдаленных районах и в сельской местности может быть достигнуто при широком использовании деревянных конструкций (ДК) и клееных деревянных конструкций (КДК).

Применение 1 м клееной древесины экономит 0,5-1,0 т стали. При изготовлении КДК энергии расходуется в 4 раза меньше, чем при производстве только цемента для равноценных железобетонных конструкций.

При выборе проектов для строительства необходимо руководствоваться принципами максимального ограничения числа конструктивных схем, применения унифицированных габаритных схем. Конструкции должны иметь высокий уровень унификации, минимальную массу, технологичность изготовления, транспортабельность и повышенную заводскую готовность.

Наиболее полно всем требованиям, предъявляемым к современным производственным сооружениям с применением деревянных конструкций, отвечают купольные покрытия, которые экономичны по расходу материала, не требуют возведения специальных монтажных лесов, относительно просты в сборке и монтаже.

Актуальность темы. Актуальной задачей капитального строительства является повышение обеспечения надежности прочности и устойчивости, несущей способности и срока эксплуатации конструкций большепролетных сооружений быстро собираемых, мобильных и удобных для применения по всей территории России, включая отдаленные и труднодоступные районы на основе совершенствования конструктивных форм и методов их расчета. Купольные покрытия зданий, как одна из наиболее рациональных форм применения деревянных клееных конструкций, находят широкое распространение в строительстве павильонов, больших помещений и т.п. Ребристая купольная конструкция с затяжками с применением клеефанерных труб и упруго-податливыми узлами является практически новой, особенно в области стержневых пространственных систем, и недостаточно изученной. Надежной методики инженерного расчета указанных конструкций также не существует. Применяемые до сих пор методы расчета таких конструкций перестают удовлетворять запросам практически, поскольку эти методы позволяют лишь приближенно оценивать напряженное состояние и надежность оболочек с различными нерегулярностями. Относительно изучены конструкции отдельных узлов и принципы образования конструкции ребристых куполов с затяжками. Пространственные конструкции таких куполов требуют также дополнительного исследования. Недостаточный опыт эксплуатации, несовершенство методов расчета вынуждают проектировщика использовать приближенные параметры для оценки конструкционных свойств сжатых элементов. В связи с этим данная работа, посвященная совершенствованию конструкции ребристого купола из трубчатых элементов с меридиональными и кольцевыми затяжками на основе уточненных методов расчета, разработке соответствующих алгоритмов и программ расчета с последующей экспериментальной проверкой полученных результатов, а также созданию надежной инженерной методики расчета, является актуальной.

Целью данной работы является повышение обеспечения надежности прочности и устойчивости, несущей способности и длительного срока эксплуатации предлагаемого типа купольного покрытия с применением клеефанерных труб мобильного, быстро собираемого, удобного для возведения по всей территории страны России, включая отдаленные труднодоступные северные районы. Для этого предложены варианты подхода к расчету данной конструкции и разработана методика расчета, позволяющая учитывать совместную работу ребер и покрытия при использовании экономичных, надежных и быстромонтируемых типов узловых соединений и материалов.

Объект исследования. Объект исследования - конструкция ребристо-кольцевого купола с применением предварительно-напряженных клеефанерных труб, имеющая в плане форму многоугольника, вписанного в окружность. Модель покрытия выполнена в виде арки купола.

Особенность данной конструкции состоит в рациональном использовании предварительно-напряженных клеефанерных труб. Данная конструкция отличается от аналогов использованием предварительно-напряженных клеефанерных труб с различной степенью натяга, возможностью образования куполов различного очертания; применением оригинальных узловых соединений с помощью металлических "башмаков", обеспечивающих упругоподатливое шарнирное соединение.

Экономическая эффективность достигается применением трубчатых профилей, благодаря чему несущая способность каждого из них по прочности и по устойчивости практически одинакова.

В данной работе исследуется новый вариант конструктивного решения ребристого купола с затяжками с применением клеефанерных труб. Соединения меридиональных и кольцевых элементов обеспечиваются посредством металлических тяжей, расположенных внутри клеефанерных труб в меридиональном направлении и являющихся затяжками в кольцевом направлении и натягиваемых с помощью винтовых нарезок в специальных колодках. Металлические колодки с находящимися внутри гайками образуют узловые соединения купольной конструкции.

Главное отличие предлагаемой конструкции от аналогов - в использовании клеефанерных труб с затяжками, натяжение которых можно изменять. Соединительные колодки в зависимости от их ориентации позволяют образовать купол с меридианами различного очертания.

Несущими элементами в меридиональном направлении являются клеефа-нерные трубы с затяжками, в горизонтальном - кольцевые затяжки. Упругую податливость соединений в узлах можно регулировать натяжением затяжек. В вершине купола ребра объединены кольцом, которое работает на изгиб, сжатие и кручение.

Предлагаемая конструкция обладает следующими преимуществами:

• путем изменения натяжения стержней позволяет создавать различную жесткость узловых соединений и тем самым изменять распределение усилий в несущих элементах конструкции;

• допускает многократную сборку и разборку, легко транспортируется в разобранном состоянии;

• позволяет создавать различные очертания меридиана без принципиального изменения конструкции соединительных узлов.

Практическая ценность работы заключается в разработке конкретной инженерной методики расчета ребристого купола из клеефанерных труб с меридиональными и кольцевыми затяжками. Предлагаемый вариант конструкции и методика расчета позволяют оптимизировать конструктивные параметры элементов, благодаря чему возможна их доставка воздушным путем, включая отдаленные и труднодоступные районы. На основе методики разработаны практические рекомендации. Научная новизна:

- разработано большепролетное купольное покрытие с применением клеефанерных труб с меридиональными и кольцевыми затяжками, бы-стровозводимое в отдаленных труднодоступных северных районах;

- использованы экономичные, надежные и быстромонтируемые варианты узловых соединений;

- разработаны расчетные модели для принятой конструкции купола;

- разработана методика расчета ребристого купола из клеефанерных труб с кольцевыми и меридиональными затяжками по дискретно-континуальной схеме с использованием разрывных функций, учитывающая совместную работу покрытия и ребер. В первом приближении этот ребристый купол рассчитан согласно континуальной схеме. Для сравнения представлена методика расчета по дискретной схеме;

- выполнена экспериментальная проверка результатов расчета согласно дискретной схеме.

Достоверность результатов диссертации подтверждается применением математического аппарата, адекватного поставленной задаче исследования, и классических методов строительной механики, а также удовлетворительным согласованием теоретических и экспериментальных результатов.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы, представленные инженерной методикой расчета ребристого купола с затяжками и практическими рекомендациями внедрены в Государственном областном унитарном предприятии (ГОУП) жилищно-коммунального хозяйства "Новжилкоммунсер-вис" проектном институте "Новжилкоммунпроект", г. В. Новгород /Россия/ и в инженерном бюро доктора-инженера Иогана Циммера г. Ольденбург /Германия/.

Апробация работ. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на 56 - 61-й научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов, проходивших в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (СПб., 1999- 2004 г.г.).

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ:

1. Разработанная конструкция купола из клеефанерных труб позволяет создавать мобильные, быстровозводимые покрытия различного назначения, собираемые на месте из готовых элементов. Причем доставка может производится в труднодоступные районы как традиционным сухопутным, так и воздушным путем вследствие малого веса отдельных сборных элементов.

2. Предложенная методика расчета и созданные на ее основе алгоритмы позволяют с применением дискретной, континуальной и дискретно-континуальной расчетным схемам производить быструю реализацию расчета по определению напряженно-деформированного состояния и, следовательно, выполнить за короткое время многовариантный расчет с целью определения оптимального сочетания конструктивных вариантов. Оптимальные конструктивные параметры купольного покрытия из клеефанерных труб с затяжками получаются при расчете по дискретно-континуальной расчетной схеме.

3. Анализ результатов расчета по дискретной расчетной схеме подтверждает близкое совпадение (в пределах 15-20%) теоретических и экспериментальных данных. Экспериментально подтверждена также возможность регулирования напряженно-деформированного состояния путем изменения натяжения внутренних затяжек и, следовательно, жесткости узловых соединений.

4. Определена критическая нагрузка для дискретной, континуальной и дискретно-континуальной расчетным схемам. Показано, что при определении критической нагрузки вполне допустимо пользоваться континуальной расчетной схемой, при которой жесткостные характеристики ребер усредняются. Оптимальная величина критической нагрузки, получается при использовании дискретно-континуальной расчетной схеме.

5. Эффективность предложенной конструкции основана на следующих показателях: путем изменения натяжения стержней позволяет создавать различную жесткость узловых соединений и тем самым изменять распределение усилий в несущих элементах конструкции; допускает многократную сборку и разборку, легко транспортируется в разобранном состоянии; позволяет создавать различные очертания меридиана без принципиального изменения конструкций соединительных узлов.

Рис. ! Флиппейон

Рис 2. Пантеон

Рие 3 Мавзолей султана Мухам еда Ульдшайту Ходаоепле

Рис 4 Купол Скалы-Куббаi ис-Сахара

Рис. 5. Мавзолей Аш-Шафия

Рис () Купол над центральным чалом Александрийского дворца гт? i лит\\\v

Рис 1 Особняк J1 аваля в Санкт-Петербурге

Рис. 8. Цирк в г Иванове

Рис. 9. Спортивный зал в штате Монтана (США)

Рис. 10. Олимпийский тренировочный комплекс в городе Такома (США)

Рис II Угольный скд-ад в Вальсум (Германия)

Рис. 12. Угольная смесительная установка угольной шахты в Оберхаузен-Остерфельд (Германия)

Рис. 13. Геодезический купол, разработанный проф., к.т.н. Б. Хаймесхофом, Технический университет, г Мюнхен (Германия)

Рис. 17 Опорный узел =

Рис. 19 Конструкция промежуточного узла: 1 - внешние затяжки; 2 - нижняя затажка; 3 - металлический башмак; 6 - клеефанерные трубы; 7 - внутренняя затяжка; 8 - натяжная гайка;

9 - накладка для крепления внешних затяжек;

10 - уголки для крепления панелей покрытия

Рис. 20. Опорный узел

I—-!—

--•. к »« ф

Рис. 21 Опорный узел арки купольного покрытия с нижним опорным кольцом с металлическим башмаком и с болтовым шарниром

N <N

О S cu

Рис. 23. Опорный узел арки купольного покрытия с нижним опорным кольцом с валиковым шарниром

-Опорная п/нстин-я

--Анкерные Бслты

Упрчш постель

Болт

Упруг-Дя ПОСТЕЛЬ (ph6bpou4, пергамент)

Рис. 25. Опорный узел арки купольного покрытия с нижним опорным кольцом на эластичном основании

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Предлагается конструктивное решение пространственного покрытия в виде ребристо-кольцевого купола из клеефанерных труб с металлическими затяжками, главное отличие которой от аналогов - в использовании клеефанерных труб с затяжками. Соединения меридиональных и кольцевых элементов обеспечиваются посредством металлических тяжей, расположенных внутри клеефанерных труб в меридиональном направлении и являющихся затяжками в кольцевом направлении и натягиваемых с помощью винтовых нарезок в специальных колодках. Металлические колодки с находящимися внутри гайками образуют узловые соединения купольной конструкции.

Рациональной областью применения купольных покрытий является промышленное и сельскохозяйственное строительство массовых одноэтажных отапливаемых полносборных комплектно поставляемых производственных зданий средних и больших пролетов для размещения производств с нормальным тем-пературно-влажностным режимом при отсутствии агрессивных выделений или производств со слабоагрессивной средой, но при соответствующей антикоррозионной защите соединительных конструктивных металлических элементов.

Предлагаемая конструкция обладает следующими преимуществами:

• путем изменения натяжения стержней позволяет создавать различную жесткость узловых соединений и тем самым изменять распределение усилий в несущих элементах конструкций;

• допускает многократную сборку и разборку, легко транспортируется в разобранном состоянии;

• позволяет создавать различные очертания меридиана без принципиального изменения конструкции соединительных узлов.

2. Предлагается программа статического расчета на ЭВМ куполов из клеефанерных труб с металлическими затяжками согласно расчету по дискретно-континуальной модели.

Программа позволяет получить распределения напряжений и деформаций купола из клеефанерных труб с металлическими затяжками, а следовательно, она может быть использована для оценки его прочности.

3. Предложена экспериментально-теоретическая методика исследования ребристого купола с затяжками из клеефанерных труб согласно дискретной расчетной модели.

Методами теории подобия показана и экспериментально подтверждена возможность расчета и исследования ребристого купола посредством моделей конструкции из тех же материалов, что и натурный объект.

Использование предложенной методики и экспериментального моделирования клеефанерных труб и соответствующих ребристых куполов позволит повысить надежность проектирования таких покрытий при одновременном снижении затрат на проведение экспериментальных работ.

4. Выполнен экспериментально-теоретический анализ работы моделей конструкции при действии статических равномерно распределенных симметричной и несимметричной нагрузок. Показана эффективность предварительного напряжения арки купольного покрытия посредством натяжения контурных затяжек.

5. Показана возможность расчета ребристого купола с затяжками из клеефанерных труб на основе дискретной расчетной модели с использованием существующих программ расчета произвольных стержневых систем на ЭВМ.

Путем проведения эксперимента исследованы характер работы арки купольного покрытия и степень влияния предварительного напряжения на напряженно-деформированное состояние и устойчивость конструкции. Показана необходимость учета в расчете работы арки из клеефанерных труб, соединенных с металлическими колодками с помощью металлических затяжек как трехшар-нирной арки.

6. Одним из возможных предельных состояний ребристых куполов с затяжками из клеефанерных труб является потеря ими устойчивости при действии симметричных и несимметричных нагрузок. Решена задача об определении наименьшей критической нагрузки потери устойчивости ребристого купола с затяжками из клеефанерных труб при исследовании согласно дискретной, дискретно-континуальной и континуальной расчетной модели в случае действия внешней равномерной симметричной и несимметричной нагрузки. Выполнены решения частных задач согласно дискретной, дискретно-континуальной и континуальной теоретических моделей для исследуемого варианта конструктивного решения купольного покрытия.

7. Предложенная методика может быть использована для оценки устойчивости ребристых куполов в процессе их проектирования, а также может служить эталоном при разработке более сложных методик.

1. Абовский Н.П. К расчету ребристых оболочек смешанным методом. - В кн.: Пространственные конструкции в Красноярском крае: Материалы 1.I конф. По пространств, конструкциям. Красноярск, 1968, с. 36-55.

2. Абовский Н.П. О перестраивающихся системах в строительной механике (о системах с обратной связью) // Пространственные конструкции в Красноярском крае: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / КИСИ. Красноярск, 1979.-с 123-127.

3. Абовский Н.П. Основные уравнения метода сеток для ребристых оболочек. Пространственные конструкции в Красноярском крае (материалы II конференции). Красноярск, 1966.

4. Абовский Н.П. Ребристые оболочки. Красноярск: Краснояр. политехи, ин-т, 1967.- 64 е.: ил.

5. Абовский Н.П. Управляемая конструкция как система // Пространственные конструкции в Красноярском крае. Сборник научных трудов / КИСИ. Красноярск, 1992. - с.3-15.

6. Абовский Н.П., Воловик Ю.А., Заславская М.М. К вопросу о разработке систем автоматического управления деформируемыми конструкциями // Пространственные конструкции в Красноярском крае: Межвуз. темат. сб. науч. Тр. / КИСИ. Красноярск, 1989. - с.70-75.

7. Абовский Н.П., Волович А.Я. Системный подход в научно-техническом творчестве. Красноярск: Стройиздат, 1989. - 118 с.

8. Абовский Н.П., Енджиевский JI.B., Савченков В.И., Деруга А.П. Регулирование, синтез, оптимизация: избранные задачи по строительной механике и теории упругости. Красноярск: Изд-во КГУ, 1985. - 384 с.

9. Аистов Н.Н. Испытание статической нагрузкой строительных конструкций, их элементов и моделей, Изд. Наркомхоза РСФСР, 1938

10. Аистов Н.Н. Испытания сооружений. — M.-J1. Госстойиздат, I960.-316с.

11. Александров А.В. Обобщение уравнений В.З. Власова для деформаций тонкостенных стержней с кривой осью.// Вестник отделения строительных наук /Рос. акад. архитект. и строит, наук М. - Б. и. - 1999 Вып.2 -с.6-12: ил.

12. Александров А.В. Роль отдельных элементов стержневой системы при потере устойчивости. Вестн. МИИТа. 2001, №5, с.46-50.

13. Александров А.В., Травуш В.Н., Матвеев А.В.О расчете стержневых конструкций на устойчивость. Пром-и грапед.стр-во. 2002, №3, с. 16-19.

14. Александровский С.В. Об устойчивости цилиндрической оболочки при больших прогибах, "Расчет пространств, конструкций" 3, Стройиздат (1955), с. 453-492.

15. Алфутов Н.А. К оценке влияния поперечных сдвигов на критические нагрузки пластин и оболочек // Матер. 4-го Междунар. симп. "Динам, и технол. пробл. мех. конструкций и сплош. сред", Ярополец, 16-20 февр. 1998.-М., 1998.-С. 27.

16. Амиро И.Я., Заруцкий В.А. Методы расчета оболочек. В 5 т. Т.2. Теория ребристых оболочек. Киев: Наук. Думка, 1980. - 367 с.

17. Безухов К.И. Испытание строительных конструкций и сооружений. — М.: Стройиздат 1954,- 508с.

18. Беликов А.Н. Расчет сферической оболочки при нагружении через круглый фланец в полюсе с учетом реальной диаграммы деформирования. Сб. науч. тр. Самар. ин-т инж. ж-д. трансп. 2001, №2, с.71-79.

19. Белоусов В.П. Практический метод расчета сжатых стержней на устойчивость. Механика процессов и машин: Сборник научных трудов. Омск, гос. техн. ун-т. Омск: Изд-во Ом ГТУ. 2000, с.226-229, 12а.

20. Бохонский А.Н. Оптимальное управление в некоторых задачах механики // Сопротивление материалов и теория сооружений: Сборник № 41. Киев: Буд{вельник. 1982. - с. 45-49.

21. Буаллаг Бубакар. Применение метода последовательных нагружений к расчету пологих оболочек из плоских элементов в условиях геометрически нелинейной деформации // ВНИИНТПИ, № 106-69. 23.04.90.

22. Вайнберг Д.В., Ройтфарб И.З. Расчет пластин и оболочек с разрывными параметрами // Расчет пространственных конструкций. М.: Стройиздат, 1965. - Вып. 10. - с. 39-80.

23. Вайнберг Д.В., Синявский A.JI. Расчет оболочек.- Киев: Госстройиздат УССР, 1961.- 119 с.

24. Варвак А. П., Заруцкий В.А. О погрешности теории ребристых оболочек, основанной на гипотезах Кирхгофа-Лява. Прикл. Механика, 1970, 4, № 6, с. 49-57.28.