автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Расчет и конструирование слоистых деревянных гипаров

Введение

Глава I Обзор работ о конструкциях деревянных гипаров и методах их расчета

1.1. Общая характеристика деревянных гипаров

1.2. Некоторые примеры применения деревянных гипаров для покрытия сооружений

1.3. О методах расчета пологих деревянных гипаров

1.4. Выводы по I главе

Глава II Метод расчета гипаров

2.1. Введение

2.2. Геометрические характеристики гипара

2.3. Расчетная схема конструкций

2.4. Внутренние силы в оболочке

2.5. Вывод уравнений

2.6. Пример расчета

2.7. Выводы по II главе

Глава III Экспериментальное исследование пологого деревянного гипара 73 3.1. Введение

3.2. Конструкция и изготовление моделей

3.3. Испытание модели

3.4. Результаты испытания

3.5. Выводы по III главе

Глава 1У 0 возведении деревянных гипаров и их поведение

4.1. Предложения по конструированию

4.2. Возведение деревянных гипаров

4.3. Ведение наблюдений по возведенным деревянным гипарам

4.4. Выводы по 1У главе

Глава У Основные выводы и рекомендации 132 Литература

Одной из важнейших проблем в строительстве является вопрос о наиболее рациональном и полном использовании ценнейшего строительного материала - древесины. Решениями ХХУ1 съезда КПСС предусматривается и дальнейшее использование деревянных конструкций для промышленного, гражданского и сельско-хозяйст-венного строительства, где наиболее полностью проявляются такие их достоинства,как небольшая масса конструктивных элементов, индустриальность изготовления, транспортабельность, сбор-ность. Особенно эффективными являются пространственные деревянные конструкции, в частности деревянные оболочки.

В современной практике строительства как в СССР так и за рубежом, наряду с оболочками нулевой и положительной гауссовой кривизны, получили распространение оболочки отрицательной гауссовой кривизны очерченные по поверхности гиперболического параболоида (гипар).

Достоинства пологих гипаров, особенно с прямолинейными краями: экономичность, возможность создания разнообразных архитектурных форм, простота образования линейчатой её поверхности, более простая форма контурных диафрагм по сравнению с оболочками других типов.

В настоящее время используются деревянные гипары как в СССР (Красноярск, Баку, Кишинев, Э6СР) так и за рубежом (Канада, Англия, Чехословакия, ФРГ и др. страны).

Поскольку деревянные гипары внедрены в строительство позднее других видов оболочек, их статические и жесткостные свойства, а также проблема проектирования менее изучены и разработаны. Поэтому в технической литературе данные исследования и методы расчета оболочек такого типа с прямолинейными краями представлены пока недостаточно. Работы Н.П. Абовского /2, 3/, И. Е. Милейковского /27-30/, В. Флгоге /44, 54/, А. Хаас /56/, Ф. Кандела /53/, и другие работы /8, 9, II, 19, 33, 43, 49/ посвящены оболочкам из железобетона. Только в некоторых случаях, например, при цилиндрических оболочках, методы расчета разработанные для железобетонных оболочек, могут быть в некоторой мере приспособлены для применения к деревянным оболочкам. Большей частью эти методы расчета не применимы м вынуждают прибегать к приближенному расчету или модельным испытаниям.

Целью данной диссертации является экспериментальное и теоретическое исследование работы пологих деревянных гипаров и составление рекомендаций по их проектированию (разработка инженерного метода расчета).

В данной работе исследуется статическая работа гипаров нескольких вариантов. Для этого проводились экспериментальные исследования работы гипаров на моделях квадратных в плане с прямолинейными бортовыми элементами. Выполнение моделей дощатое на податливых и жестких соединениях.

В данной работе рассматривается работа двух 2-х слойных гипаров одинакового размера в плане, выполненных на гвоздевом соединении и на клею, а также работа 3-х слойного гипара с варьированием жесткостями затяжек и работа этой оболочки при отсутствии затяжки. На основании результатов эксперимента разработан метод расчета таких гипаров.

Научной новизной настоящей диссертации является то, что получены данные о напряженно-деформированном состоянии при разных схемах нагружения двух- и трехслойных деревянных гипаров, выполненных на гвоздевых и клеевых соединениях как при различных жесткостях затяжек, так и при отсутствии затяжки и контрфорсов; на основании результатов экспериментальных исследований определена возможность аппроксимировать работу деревянных оболочек рассматриваемого типа расчетной схемой сети выпуклых и вогнутых арок; получены данные многолетних исследований натурных деревянных гипаров.

По результатам исследований напряженно-деформированного состояния гипаров получено характерное для деревянных многослойных оболочек распределение внутренних сил. По экспериментам установлены зависимости между нагрузкой, перемещениями и внутренними усилиями в гипарах, выполненных из 2-х или 3-х слоев досок на податливых и жестких связях, а также зависимость внутренней силы затяжки и перемещений оболочки от на -грузки при разных жесткостях затяжки и бортовых элементов.

Приведенная методика расчета на основании экспериментальных данных позволяет определеить напряженно-деформированное состояние пологих деревянных гипаров с удовлетворительной точностью при относительно простой аппроксимации системы.

По результатам исследований натурных объектов выведены рекомендации для проектирования и возведения деревянных гипаров.

На защиту выносится метод расчета деревянного гипара с аппроксимацией оболочки в виде сети из перекрестных систем арок энергетическим методом, результаты экспериментальных исследований деревянных гипаров, предложения для конструирования и возведения, а также результаты натурных исследований оболочек такого типа.

Диссертация состоит из введения и пяти глав. В первой главе дается общая характеристика деревянных гипаров и приводится краткий обзор о наиболее типичных конструкциях оболочек такого типа, применяемых в СССР и за рубежом для покрытия сооружений различного назначения. Рассматриваются некоторые методы расчета гипаров, которые можно применить для расчета деревянных гипаров и дается их краткая характеристика, излагаются основные задачи исследования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Преимущество предложенного метода расчета по сравнению с другими Методами заключается в том, ото он с удовлетворительной точностью и относительно просто позволяет учитывать деформативность контура и определить напряженно-деформированное состояние не только собственной оболочки, но и контура в том числе бесраспорного). Метод позволяет определять внутренние силы и прогибы во всех сечениях гипара. Выведенные расчетные формулы для определения внутренних усилий в элементах оболочек, разрешающая система уравнений и коэффициенты, входящие в уравнения, составлены в удобном виде для пользования на ЭВМ.

2. Экспериментальные исследования подтверждают правильность введенных в расчетную схему упрощений и предпосылок, в том числе учета упругой работы материала и геометрически линейной работы конструкции. Модельные испытания тоже показали, что при расчетах деревянных гипаров необходимо учесть влияние изгибающих моментов, действующих в криволинейной части оболочки и бортовых элементах (в двух плоскостях). В то же время н напряжения от моментов меньше чем напряжения от нормальных сил.

3. В упругой стадии работы материала перемещения и нап пряжения возрастают линейно до нагрузки 3,7 кН/м . При натрур жении оболочки расчетной нагрузкой (2,5 кН/м ) с принятыми параметрами, напряжения не превышают допущенные нормами /38/, а прогибы криволинейной части визуально незаметны. При этом максимальные значения прогибов криволинейной части возникают в среднем районе оболочки, а у бортовых элементов - в середине пролета.

4. Изменение жесткости затяжки на растяжение или изгиб-ной жесткости бортового элемента влияет на статическую работу гипара: при увеличении их жесткостей перемещения оболочки уменьшаются, внутренние усилия в соответствующих элементах, как правило, увеличиваются. По результатам исследования установлено, что перемещения поверхности оболочки, изготовленной на гвоздевых соединениях при других одинаковых параметрах конструкции практически не отличаются от перемещений оболочки на клею.

5. При одной и той же величине нагрузки на единицу площади наибольшие перемещения и усилия в деревянном гипаре возникают при нагружении равномерно распределенной нагрузкой по всей площади покрытия. Это обстоятельство необходимо учесть при проектировании. Экспериментами установлено, что при нагружении оболочки по четвертям нагруженные бортовые элементы выгибаются, являясь тем самым немаловажным фактором при проектировании зданий с покрытием деревянного гипара.

6. Наибольшие нормальные напряжения возникают в сжатом выпуклом слое оболочки. Нормальные напряжения в вогнутых арках увеличиваются от середины оболочки в сторону верхних опор, а в выпуклых арках в сторону нижних опор контура. Бортовые элементы в основном работают на сжатие, напряжения от изгибающих моментов небольшие и поэтому перемещения их также малы.

7. Усилие в затяжке (в долях полной нагрузки оболочки) квадратного в плане гипара с подъемом бортового элемента 1/5 составляет 1,25.Л,8 в зависимости от жесткости затяжки. Прогиб средней точки оболочки составляет 0,167 .1,667 см/кН, а горизонтальное перемещение нижних углов при отсутствии затяжки составляет примерно 0,11 см/кН от суммарной нагрузки действующей на оболочку. По экспериментальным данным выяснилось также, что большая часть вертикальной нагрузки передается на нижние опоры, а в некоторых случаях углы контура поднимаются от опор.

8. Возведение деревянных гипаров следует производить относительно в сухое время года, чтобы в процессе строительства влага не попадала в конструкцию, при этом деревянные элементы должны быть антисептированы, защищены от дождевой воды и иметь надлежащую вентиляцию. При возведении пологих оболочек рекомендуется использовать доски не ниже 3-го сорта, а в зависимости от размеров в плане оболочки следует изготовлять из 2-х или более слоев досок толщиной 25 мм и шириной 100.150 мм, учитывая то, что при увеличении подъема бортового элемента следует использовать более узкие доски.

9. В начальной период эксплуатации прогибы деревянных гипаров развиваются относительно быстро, а после 2.3 лет эксплуатации прирост перемещений поглащается и дальше практически не развивается.

10. В связи с освоением производства клееных деревянных конструкций стало возможным увеличение пролетов деревянных гипаров до 30 метров и более, при этом бортовые элементы желательно выполнять из клееной древесины, соединение криволинейной части с бортовыми элементами желательно выполнить на клею, поскольку при гвоздевом соединении (согласно конструктивным требованиям СНиП) размеры сечения бортовых элементов значительно увеличиваются.

11. По стоимости и трудоемкости возведения деревянные ги-пары значительно выгоднее монолитных железобетонных конструкций такого же типа. Опыт внедрения деревянных гипаров показал, что при их возведении не требуется высококвалифицированная рабочая сила. Сравнивая дощатые гипары с изготовленными из фанеры выходит, что приведенная толщина фанерной оболочки 3,55 см., а толщина возведенных деревянных двухслойных оболочек 5 см, не учитывая при этом толщину бортовых элементов. Но для изготовления деревянных гипаров можно использовать пиломатериалы 2-го и 3-го сортов, что гораздо дешевле и менее дефицитно водостойкая фанера,

12. На основе результатов проведенных исследовательских работ спроектировано и построено в ЭССР б покрытий, соответствующих конструкциям испытанных моделей.

1. Аарна А.Я., Кийслер К.Р. Смола ДФК и ее применение-ГНТК СМ ЭССР, Таллин, 19612, Абовский Н.П.* Самолянов И.И. Пологие оболочки типа гиперболического параболоида. Учебное пособие, Красноярский политехнический институт, Красноярск, 1968.

2. Абовский Н.П., Хмелев Ю.П., Абрамович К.Г. Испытания модели оболочки отрицательной гауссовой кривизны на равномерно распределенные нагрузки. В кн.: Пространственные конструкции в Красноярском крае, вып. I. Красноярск, 1965.

3. Большепролетные оболочки. Труды международного конгресса по проблемам взаимосвязи проектирования и возведения о оболочек для производственных и общественных зданий с большими пролетами. Т. 1-М, 1969.

4. Вайк М.Г., Кютси В.А., Юст Э.Э. Деревянные гиперболи-ческо-параболоидные оболочки. Бюллетень Государственного Комитета ЭССР по делам строительства: Строительство и архитектура, Таллин, 1981, А^ I, с. 47-49-(эст. яз.),

5. Вайк М.Г., Ыйгер К.П., Юст Э.Э. Возведение и натурные исследования деревянных гипаров. В кн.: Тезисы докладов 1У научно-технической конференции межколхозных строительных организаций Прибалтийских республик. Ч. I, Рига, 1980, с. 41-42.

6. Власов В.З. Общая теория оболочек и ее приложение в технике. Гостехиздат, 1949.

7. Гаранин Л.С. Расчет пологих оболочек. Стройиздат, 1964

8. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек.1. М. 1953,

9. Деревянные конструкции / Г.Г. Карлсен В.В., Большаков М.Е. Каган, Г.В. Свеницкий М. 1975.

10. С' II. Доренбаум И,В. Расчет пологой оболочки описанной по поверхности гиперболического параболоида. Сб. Главпромстрой' проекта СССР "Строительное проектирование промышленных предприятий". М. 1965, № 5.

11. Дубинский A.M., Шарапов Г.В. Покрытия в виде гиперболических параболоидов. Строительство и архитектура, 1971, № 4.

12. Иванова Е.Н. Дерево в архитектуру, Зрубежный опыт применения деревянных клееных конструкций. М. "Знание", 1971.

13. Ишаков В.И, К расчету пологих оболочек типа гиперболического параболоида. Журнал "Строит, мех. и расчет сооружений" # 1974, Jfe I.

14. Кан С.Н. Строительная механика оболочек. "Машиностроение", 1966, № I.

15. Киселев В.А. Строительная механика., М. 1967.

16. Колкунов Н.В. Основы расчета упругих оболочек, М,1972.

17. Лавров А.И., Ыйгер К.П., Юст Э.Э. Об исследовании работы деревянной оболочки. В кн.: Тезисы докладов резпуб-ликанской научной конференции "Тонкостенные и пространственные конструкции, Таллин, 1978, с. 42-43.

18. Лаул Х.Х. Расчет цилиндрических оболочек с криволинейными частями, очерченными по окружности. Тр. Таллинск. политехи, ин-та, 1953, № 50.

19. Лаул Х.Х., Лейбур М.Х., Таккер Ю.И. О расчете гипаров. Тр. Таллинск. политехи. ин-та, 1975, Л 384»21» Лаул Х.Х., Пугаль Я.П. О выводе разрешающих уравнений для пологих деревянных гипаров. Тр. Таллине к. политехи, ин-та, 1975, № 384, с. 29-37.

20. Лаул Х.Х., Пугаль Я.П. О расчете пологих деревянных гипаров. Тр. Таллинск. политехи, ин-та, 1975, Л 384, с. 19-28

21. Лаул Х.Х., Юст Э.Э. О разработке расчета пологих деревянных гипаров (вторая часть). Тр. Таллинск. политехи, инта, 1982, № 527, с. 53-57.

22. Лаул Х.Х., Юст Э.Э. Разработка расчета пологих деревянных гипаров (первая часть). Тр. Таллинск. политехи, инта, 1981, № 504, с. 29-38.

23. Максимович Б.Г. Проектирование и производство конструкций из клееной древесины. Минск, 1981.

24. Мельников Н.П., Николаев И.С Выставка в Брюсселе 1958 г. Архитектура. Конструктивные формы павильонов. М, 1963.

25. Милейковский И.Е. Расчет оболочек и складок методом перемещений, Москва, I960.

26. Милейковский И.Е. и Доренбаум И.В. Методы расчета покрытий из оболочек очерченных по поверхности гиперболического параболоида. Сб. Главпромстройпроекта СССР "Строительное проектирование промышленных предприятий" М. 1965, № 5.

27. Милейковский И.Е., Купар А.К. Гипары расчет и проектирование пологих оболочек покрытий в форме гиперболического параболоидов. Москва, Стройиздат, 1977.

28. Милейковский И.Е., рубинчик М.И. Некоторые задачи расчета пологих оболочек типа гиперболического параболоида для покрытий с квадратным планом. Второй Всесоюзный съезд потеоретической и прикладной механике. Аннотации докладов, М. Изво АН СССР, 1962,

29. Назаров А.А. Основные теории и методы расчета пологих оболочек. Стройиздат, 1966.

30. Натурные исследования деревянных оболочек вида гипара / Вайк М.Г., Лавров А.Н., Ыйгер К.П., Юст Э.Э. Тр. Тал-линск. политехи, ин-та, 1977, № 433, с. 25-32.

31. Ннкиреев В.М., Щадурский В.Л. Практические методы расчета оболочек. Москва, 1966.

32. Воле Г. Пространственные покрытия, том II, Москва, Стройиздат, 1974.

33. СНиП 11-25-80 Деревянные конструкция. Нормы проектирования. Ввод. I.01.1982.

34. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический т. Издательство литературы по строительству. М. 1973, т II.

35. Стоянов В.В. Разработка клеефанерной конструкции покрытия типа гиперболического параболоида и некоторые вопросы исследования его напряженно-деформированного состояния: Автореферат дис. канд. тех. наук М. 1980, 17 с.

36. Филин Л.П. Расчет оболочек произвольного очертания на основе дискретной расчетной схемы. Труды конференции по теории пластин и оболочек. Казанский филиал АН СССР, 1961.

37. Флюгге В. Статика и динамика оболочек. М. 1961,

38. Хасанов М.М. К расчету нелинейно-упругих гипаров. -Журнал "Строит, мех. и расчет сооружений", 1970, № 6.

39. Ыйгер К.П., Юст Э.Э. 0 расчете седловидной перекрестной стержневой системы "энергетическим методом". Тр. Тал-линск. политехи, ин-та, 1984, 575 с.

40. Экспериментальные исследования модели деревянной оболочки в виде гипара. / Вайк М.Г., Лавров А.И., Ыйгер К.П., Юст Э.Э. Тр. Таллинск. политехи, ин-та 1977, JS 433, с. 33-42.

41. Экспериментальные и теоретические исследования тонкостенных пространственных конструкций. Сборник статей ЦНИПС, Москва, 1953.

42. Экспресс-информация. Гражданское строительство и архитектура. Зарубежный опыт, М, 1969, JS 6.

43. Экспресс-информация. Общие вопросы строительства. Зарубежный опыт, М, 1967, № 36.

44. An elementary analysis of hyperbolic parabolid shells I and II Indian Concrete Journal, 1960, December, pp. 464-470, 1961, February, pp. 52-59.

45. Candela F, Structural Applikations of Hyperbolic paraboloidical Shells. Journal at the American Concrete Institute, 1955, nr. 1.

46. Flugge W, Stresses in shells. New York, 1973.

47. Groll G.A., Scrivener J.G, Edge effects in Hyperbolic Paraboloid Shells. Proceeding of the American Society of Civil Engineers. Journal of the Structural Division. 1969, st, 3.

48. Haas A.M. Design of thin concrete Shells. Vol. 2,1967.

49. Joedicke J. Shell architecture. Documents of Modern Architecture edited by Jurgen Joedicke, 1962,

50. Tottenham H. The Analysis of hyperbolic Paraboloid Shells. Membrane (Momentless) Analysis. T.D.A., London, 1957

51. Главный инженер ПИ "Эсткоадзпроект"7 Э.Г.Пульк84 г.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

52. Период внедрения III и 1У кв. 1970 г.1. В результате внедрения:- уменьшено расход металла- уменьшено расход древесины 1-го и 2-го сорта- экономический эффект целом составил 2 тыс. рублей

53. Главный конструктор ПИ "Эстколхозпроект" с^- ^ О.А.Рауд4ЧЦ1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

54. Период внедрения: III кв. 1976 г. при этом т. Э.Юст лично участвовал при внедрении техническим консультантом.

55. В результате внедрения уменьшено расход стройматериалов (металл, древесина) и экономический эффект составил 6,5 тысяча рублей.

56. Начальник технического отдела Раквереского МСО1. РО "Эстколхозстрои1. Р.О.Реивельт