автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка и исследование большепролетного каркаса здания с покрытием в виде сочлененных висячих оболочек

ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССИДОВАТЕЛЬСШЙ И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИГЛЕНТМЬНЫЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНЫХ ПРОБЛЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИМЕНИ В.А. КУЧЕРЕНКО

("ЦНИИСК им. КУЧЕРЕНКО)

На правах рукописи

ТУЛЕБАЕВ КОПСЖБАЙ РАТКУЛОЕИЧ

' РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БОЛЬШЕПРСЙЕТНОГО КАРКАСА ЗДАНИЯ С ПОКРЫТИЕМ В ЕЩЕ СОЧЛЕНЕННЫХ • ШСЯЧИХ ОБОЛОЧЕК

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Государственном Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкция и сооружений им. В.А.Кучеренко (ЦНИИСК им. Кучеренко).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ТРОФИМОВ В.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ТРАВУШ В.И.

- кандидат технических наук МИШИН В.Б.

Ведущее предприятие - Укрниипроектстапьхонструкция г. Киев

Зашита состоится "_"_1993 г. в__часов на заседании специализированного совета Д.033.04.01 по зашите диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук при ордена Трудового Красного Знамени Государственном Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В.А. Кучеренко по специальности 05.23.01 "Строительные конструкции, здания и сооружения" по адресу: 109428, г. Москва, 2-я Институтская ул., 6,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИСК им. Кучеренко.

Автореферат разослан "__"________ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

ВОРОБЬЕВА С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Алиуаяьиость теан. Васячав ющщтия является одавш аз перо-Ц9ХТ1В8ЫХ твпов конструкций для зданвЗ я сооружений ббяъЕшх жро-яатов. В саатояцае вреня ошв похула да бехыаое распроотрааоаае а грахдавокон отроатедьства. Нема пргнваеааэ бодънонродвттю вас»* чао по«рыгая с прзиеаение* юаюздистояЕХ негбраптах сбодочоз. В практике отроатвльотва езвэогпо casse цраиэвение свдгогаганх оболочек, иавщяг в шаао грпвояавэЁжаа очертания a juaazjt» 03а-вазву.

Рассцатрвваоанэ тасотрукцаа являются езожчэй ссогеаой гюаба-паровааного »та, овальпоЗ формн в плаве, предстаЕХЯВЗй собой щюотранотзенвув репетчату» эаструкцав, которая тддарааваэз пять ввйбраввнх оболочек. Бзедрвавв тагах вонотрукцзй в cspai-вальсгве одергивается Еодостагочныма зпзаглыа о папрялазао-дг^зр-нэровааноа состоянии ковотруицва погсрытвя, ¡загадка Езутраиява виоячий а паружнзЗ простравоэвевзна подомгзпЗ опоргаЗ тавгур. Отсутотвуюг згспвриаэзтально-теоретвчэогав acoreдовавая новотруг-цаз данного тана.

ПроЕадэаво паучанх аоалэдоэавлЗ j охотного лроэгтзрэБанзя йодьпепролатвого згогрытяя в виде сочлэвеззнх оэдлогадшх асабрэн-вых оболочек о виоячии ввугреанам опорным товтурои позволят распирать облао« прааевааая данного твда конструкции.

Пелья дяоовргадии является создание балинапрояатаой рейегча-тоё копотруквди в аенбраанша обэхочкам а о вяоячэи хаугрвнааа опораш кэнгурся а гсследованлэ (зкслергцентальное а чвсденнов) напряхенво-дефорыврованвого сосгоянйя гонструкцвв пра действия распределениях ватрузок ; разработка продяоханлй до пияопервнн «вгодав расчета в хозсгрувровааию подобшг гаокрытиЭ.

Научную новизну работы составляют следующие результаты, защищаемые автором:

- новый тип большепролетной решетчатой конструкции с мембранными седловидными оболочками с висячим внутренним опорным контуром иметода инженерного расчета таких систем;

- экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии покрытия на действия постоянной и временной распределенных нагрузок;

- результаты численных исследований.

Практическое значение диссертационной работы. Результаты экспериментально-теоретических исследований использованы при проектировании и строительстве Универсального спортивно-зрелищного зала на 10500 мест в г.Алма-Ате, имеющего стальную пространственную решетчатую конструкцию с сочлененными мембранными оболочками овальной формы в плане с размерами главных осей 136,5x108 м. Предложения по инженерному расчету и конструированию также были использованы при проектировании покрытия данного объекта.

Апробация1 работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ГУ-региональном совещании "Эффективные пространственные конструкции в практике проектирования и строительства республик Средней Азии и Казахстана (г.Ашхабад, 1986 г.), на конгрессах Международной Ассоциации по пространственным конструкциям (ИАСС) (Дания, г.Копенгаген, 1991 г. и Канада, Торонто, 1992 г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (169 наименований) и приложения.

Работа изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 88 рисунков.

Работа в целом выполнена .под руководством д.т.н., про(?.

В.И.Трофимова, эксперименты проведены в отделе вовне форм я прочности металлических конструкций ЦЕИИСК ни. В. А. Кучеренко год дг-ководотвой д.т.а. Л.И.Гольдевберга.

ООДЕРГШИВ РАБОТЫ

Во ввэдеваи обосновав а актуальность теш, приведена цель в задачи, выносимые на защиту, дана краткая характеристика выполненной работа.

В ЦЭРУЙ ГДа^а дается обзор некоторых вэнструктаввых решений висячих мембранных свете« в приводятся метода стабилизации их формы, проанализированы результаты теоретических в экспериментальное всследований таких систем.

Отвечается вклад 1.И.Гольдеаберга, П.Г.Еремеева, Н.Н.Кироано-ва, О.А.Курбатова, И.Г.1юдковского, Н.П.Мельникова, В.Б.Мицулива,

A.П.Морозова, Н.С.Москалева, В.Ф.Цущавова, Н.С.Стрелецкого, В.И. Трофимова и др. в исследовании и разработке 20вструятявных репэниЗ больпепролетных висячих покрытий.

Учитывается, что трудаии отечественных ученых А.В.Алехсанд-рова, С.¿.Алексеева, А.С.Водьиир, А.С.Григорьева, А.А.Илыяшва,

B.К.Качурина, М.С.Корнипина, БЛ.Крайтермана, А.Р.Рканицына, В.А. Родосского, Г.А.Смирнова-Аляева, Н.Н.Шапопиикова, В.Н.Шямааовсно-го и др., а хавке зарубежных ученых I.Г.Грина, Ж.Донвелла, Ф.Ди-ишвгара, Э.Ыейеснера, Г.Рейссвера, В.Фдвгге и др. теория расчета оболочек, яваящейся основный несущим элементом висячих конструкций, разработана достаточно полно.

Ввиду ввчгожво налой изгибвой жесткости обычно рассматривается безмомввтвое состояние оболочка мембранного покрытия. Для изучения напряженно-деформированного состояния мембранных оболочек применяет приближенные методы - аналитические (Бубвова-Галер-

жива, Ритца 1 др.) в численные (метод конечных развостеЗ, метод

3

доведших елаевагсв) а др.

Хсракзврвш для ыеабраявых оболочек является ах двфориатяв-еость а наличие в ввкоторых случаях ■ кинематических перемедавий при в ера мая ер енх вагрузках. В свяян с этим расчес мембранных ободочек производится в геометрически нелинейной постановке о учатся хестжвота опорного so в тура и юлонн, поддерживающих опорвнй контур. в расчетах таксе учитывается дефорыативвость ковтура, что водояает установить сасатяе в местную потерю устойчивое га при-совгурнкх зов иембравн.

В последнее время в связи с появлением вычислительных машин, для решения ввхевервых задач используются численные методы расчета. Метод конечных разностей (ШСР) и метод ко вечных элементов (МКЭ) позволяет с достаточвой точностью исследовать работу висячей системы комбивированного типа, представляющей собой пространственную решетчатую конструкцию, которая поддергивает мембранные оболочка.

Обзор теоретических исследований показывает, что при современном уровне развитая численных методов расчета таких систем с цри-кевеввеы вычЕслительной техники наиболее перспективен ЫКЭ. Метод конечных элементов (МКЭ) отличается своей универсальностью, физической наглядностью в высокой алгоритиичвосты).

Уточнение расчетной схемы висячей системы, т.е. максимальное пряблидение расчетной иодели к физической, базируется ва результатах экспериментальных исследований действительной работы конструкций и действующих ва систему нагрузок. Окончательное внедре-вие в инженерную практику более совершенных методов расчета тесно связаво о накоплением необходимых экспериментальных данных.

В конце главы ва основании анализа результатов выполненного обзора теоретических исследований и конструктивных разевай вися-чах систем сформулированы цель а задачи научных исследований.

Целью' настоящей работы является разработка большепролетной решетчатой конструкции с седловидными мембранными оболочками и висячим внутренним опорным контуром, численное и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния новой конструкции, разработка предложений по инженерным методам расчета и конструированию данного покрытия.

Для реализации поставленной цели необходимо решить•следующие задачи:

- создание нового типа комбинированного большепролетного висячего покрытия здания состоящего из решетчатой конструкции с седловидными мембранными оболочками и еисячим внутренним опорным контуром;

- исследовать напряженно-деформированное состояние большепролетной комбинированной висячей конструкции овального в плане покрытия представляющей собой седловидную мембранную оболочку с поддерживающими стержневыми элементами, при равномерном и неравномерном загружениях;

- изучить влияние податливости наружного опорного контура на усилия в конструкции покрытия;

- установить характер совместной работы мембранной системы и опорных конструкций.

Вторая глава диссертации посвящена разработке технических решений нового типа висячего покрытия из сочлененных седловидных мембранных оболочек с висячим внутренним опорным контуром, вопросам монтажа покрытия и инженерному методу расчета.

Несущая система висячего комбинированного покрытия представляет собой пространственную большепролетную решетчатую конструкции, которая поддерживает пять мембранных оболочек (рис. I). Пространственная решетчатая конструкция состоит из следующих элементов: двух наклоненных под углом 30° рам (рклччагощих четыре.пило-

Рва. I. Обдзй вед сооружения с больсецролатнш висячаы поврнгием

ва и соединяющих их два ригеля) ; двух висячих трехгранных ферм в связевнх фару центральной части покрытия. Система мембранных ободочек включает одну центральную в четыре боковых оболочки.

Mßiidpaeaoe покрытие боковых пролетов представляет собой стальную оболочку отрицательной гауссовой 1фивизны толщиной 4 од. Для формообразования оболочки и обеспечения ее монтажа в проект-воц положении используется стальная ортоговальная сетка, образовавши направляющими в поперечными прогонами. Мембранное покрытие боковых пролетов прикрепляется к овальному в плаве опорному контуру, опертону на нижележащие конструкции сооружения.

Два трехгранные висячие фермы пролетом 67,3 и, подвешенные к наклонны» пилонам и ориентированные вдоль большой оси эллипса, служат внутренними опорными контурами оболочек соответствующих боковых пролетов. Конструктивная основа пространственной трехгранной фермы - плоская ферма серповидного очертания бысотой 3 ы, которая наклонена под углом 31° к вертикальной плоскости. 6

Трехгранные фермы, объединенные овязевкыи фермами, прогонами я профаастилоы, образуют цилиндрическую оболочку нулевой гауссовой кривизны центральной части покрытия. Внешний опорной контур мембранного покрытия представляет собой -четыре ваклопвые про-странстввнше стальные арки с поперечным сечением из сварного двутавра с п<?ясаыи из широкополочного двутавра и прокатных швеллеров, соединенных между собой ластом.

Боковши опорными контурами оболочек покрытия служат консольные решетчатые наклонные пилота с прямоугольным сечением разиэрой 5x4 м. На расстоянии 2/3 от опорного узла с фундаментом пилоны имеют промежуточную вертикальную опору в виде железобетонной колонны.

Вначале монтируются решетчатые наклонные пилоны и соединяющие их попарно два ригеля. Затеи к образованным таким способом двуы рамам подвепиваатся две трехгранные висячие фермы, объединяемые связевыип' фермами в центральный пространственный блок похитил. Одновременно осуществляется ыонгая внешнего опорного щнтура.

После чего устанавливаются направляющие и поперечные прогоны, и по образованной в результате этого основе ведется ыонтаа тонколистовой стальной неубранной оболочки.

Для сопоставления с последующими численными расчетами, проводимыми на ЭВМ автором был проведен предварительный приближенный метод расчета. Приближенный метод расчета сочетает метод последовательных приближений с известными решениями теории висячих систем повышенной жесткости. Рассматриваемый метод расчета включает, в себя несколько последовательных этапов. На первом этапе первого шага рассчитываются направляэдае (висячие нити конечной яэсткости). Далео с учетом получанных результатов корректируются геометрические характеристики сечения нити.

На втором этапе первого шага выполеяэтся оасчзг трехгранной

7

висячей фарш. Вводится предположение, что двогфетные реакции в узлах вреолевия направляющих нитей в поперечных ферм центральной части помытая заменяются ахвивалантвыма распределенными нагрузками.

Во втором паге иетода последовательных приближений яроазво-дптся перерасчет направляющих нитей с учетом геометрии висячей фермы (первый этап второго вага). После этого расчет повторяется. Полученные данные во второй приближении удовлетворяет заданной точности. Потом определялись сечения конструктивных элементов покрытия для использования в дальнейших численных расчетах, проводимых по соответствующим программам на ЭВМ.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию напряженно-деформированного состояния крупвомасштабвой модели покрытия (м 1:25), имеющего овальное очертание в плане о размерами главных осей 432x546 см. Помимо автора в испытаниях модели, которым руководил д.т.н. Л.И.Гольденберг, участвовали сотрудники отдела металлических конструкций Н.Н.Сорокина и А.В.Волошин.

Приводятся: описание исследуемой модели: обоснование выбора материала покрытия и выбора параметров »¡одели помытая; методика проведения эксперимента и обработка экспериментальных данных. В качестве материала модели приняты алюиняевые сплавы.

Модель покрытия устанавливается на замкнутую в плане массивную опорную стенд-раму высотой 1,60 м, состоящей из четырех пространственных металлических модулей.

Конструкция модели поирыгля запроектирована с сохранением полного подобия как конструктивной формы в целом, так и нэнструк-тивных элементов жифытия в натуре. Поперечные сечения сжатых и сжато-изогнутых элементов пилонов, ригелей и висячих ферм запроектированы в виде двухвегвовых сечений.

Внешний опорный контур принят сплошного поперечного таврово-

го сечения и моделировав с критерием местной устойчивости, обеспечивающими совпадение гибкости пластин оплошного сечения иэнтура в ватуре и модели.

В описании аппаратуры и приспособлений, используемых в эксперименте , показано, что для измерения перемещений применялась элекг-ропрогибомерн ЭМП-100. Относительные деформации элементов конструкции покрытия замерялись тензодатчиками сопротивлений типа ПКБ о базой 10 мм.

В зависимости от величин постоянных и временных вагрузок и учитывая 1фивизву оболочек покрытия модели загрухевие осуществлялось штучными грузами (красныыи кирпичами размером 250x120x65 мм и весом 3,50 кг, а также чугунными грузами весом 20 кг).

В процессе эксперимента модель покрытия испытывалась на статическую нагрузку в трех возможных вариантах ее приложения: равномерно распределенную по всей поверхности покрытия и на половине площади покрыгня относительно большой и малой осей эллиптического покрытия. Величина постоянной нагрузки для оболочек боковых пролетов составляет 2 кН/м2 а нагрузка прикладывалась в два этапа по I кН/м2. Полная постоянная испытательная нагрузка на центральную оболочку покрытия величиной 5,5 кН/ы^ передавалась чугунными грузами в четыре этапа. Временная снеговая нагрузка для пяти оболочек создается двумя этапами по I кй/м^ чугунными грузами (рис. 2).

После каждого этапа нагружения выдерживалась пауза не менее 15-20 минут, а затем снимались показания по всем приборам, после чего прикладывалась следующая ступень нагрузки.

Проведенвые экспериментальные исследования модели покрытия позволили оценить конструктивные .свойства выбранного решения покрытия. Установлено, что модель обладает требуемой несущей способностью при действии расчетной статической нагрузки.

Рис. 2. Общий вид подала -шлфыгия

Анализ полученных результатов показывает, что центральная ■часть покрытия, состоящая из висячих и связевых ферм и мембранной оболочки, обладаем существенной жесткостью в горизонтальной плоскости.

Максимальные вертикальные перемещения возникала в середине пролета висячих фары от полной расчетной нагрузка и составляли 18,7 ¿¡к, что составляет 1/144 пролета фермы, а у узла кропления висячей фермы к наклонному пилону - 4,2 ии.

Сравнительный анализ полученных экспериментальных данных показывает, чго симметричное загруленаа покрытия является определяющим для напряжен но-деформироваввого состояния большепролетного мембранного покрытия в целок.

В четвертой главе приводятся численные исследования помытая.

Численные исследования напрякенно-дефэрмированйого состояния

конструкции были проведены на основе мвоговариавтных расчетов

покрытия. Были использованы вычислительные комплексы "ЛИРА" и

"ПАРУС". 10

Расчетная схема, принятая при расчете по программе "ЛИРА"?, предполагает разбивку покрытия на две части: пространственную стержневую конструкцию металлического каркаса и мембранное пощш-тие боковых пролетов с наружным опорным контуром. Первая часть расчетной схемы покрытия представляет собой пространственную шар-нирно-стержневую систему. Мембранное покрытие, уложенное на йет-ку, образованную направляющими и поперечными прогонами, в состав общей расчетной схемы на входят и рассматривается как нагружающий элемент.

В основу методики расчета комбинированных систем, состоящих из фрагментов различной мерности, и жесткости, примененный в комплексе "ПАРУС", положены нелинейные соотношения метода конечных элементов. Для решения нелинейной системы уравнений используются: метод последовательных нагрукений; ыотод Ньютона-Канторовича. Выполнен расчет на основе данной методики висячих мембранно-стерж-невых систем покрытия.

Мембранные элементы по£фытия в расчетной схеме моделируются тонкой гибкой оболочкой, а направляющие нити конечной жесткости, на которые уложена мембрана боковых пролетов-стержняыа прямоугольного сечения. Элементы каркаса-пилоны, ригели пилонов, висячие трехгранные и связэвые фермы центральной частя - моделируются такае стержнями прямоугольного сечения с учетом эксцентриситетов сопряжения мембранной оболочки со стержнем. Далее в расчет вводятся геометрические, топологические и физические характеристики ко-нечноэлементной расчетной модели покрытия.

Расчет конструкция доьфытия производился на два вида воздействия: статическое (собственный вес по1фыгия с учетом 1фатковре-ыенной к снеговой нагрузок) с суммарной интенсивностью равномерно распределенной нагрузки ^ = 2 кН/м^ и динамическое при расчетной сейсмичности района строительства 9 баллов.

Расчет проводился по грен вариантам:

- для мембранного покрытия, опертого на абсолютно жесткий наружный опорный контур;

- для мембранного пощштия с упруго-податливым наружным опорный контуром ; -

- для мембранного покрытия, опертого на абсолютно жесткий наружный опорный контур и без учета ортогональной сетки мембранных ободочек (направляющих нитей и поперечных прогонов).

. По программам "ЛИРА" и "ГАММА." расчет модели покрытия выполнен на равномерно расцределенную нагрузку, равную удвоенной максимальной нагрузке на натурную конструкцию. Расчетная схема модели покрытия аналогична схеме, принятой при расчете реальной конструкции. При вншлнении расчета по комплексу "ПАРУС" в КИСИ (г. Киев) разработан ряд дополнительных программных модулей.

Раочет модели покрытия о упруго-подагливым наружным опорным контуром осуществлялся на два типа нагружения: - собственный вес; собственный вес и полная эксплуатационная нагрузка с учетом снегового воздействия. Полная нагрузка g. =4,0 кН/ы2 прикладывается одинаковыми порциями по 1,0 кН/ы^ с выдачей результатов расчета по каждому этапу. Данные расчета модели покрытия по обеим программам имели приемлемое совпадение с зафиксированными экспериментально величинами.

Б результате анализа работы элементов пкифытия установлено, что наиболее нагруженный элементом несущей системы каркаса является трехгранная висячая ферма, величина продольных усилий в поясах которой находится в пределах от -2830 кН до +12700кН. Перемещение узлов крепления фермы по вертикали составляют 120 мм, по горизонтали - 8 ыи. Максимальное вертикальное перемещение приходится на узлы в середине пролета фермы и составляет 522 мм ( пролета фермы). 12

Максимальное сжимающее усалив в поясах конструкции пилонов равно -6030 кН.

Анализ сравнения результатов чиолевных исследований в экспериментальных данных показал хорошую сходимость их между собой при максимальном расхождении в среднем не превышающим 15-205?.

Пятая глава поовящена исследованию большепролетного мембранного покрытия в период строительства. Особенностью проводимых геодезических исследований является то, что наряду с практическими интересами, связанными с эксплуатацией такого объекта, до настоящего момента не существует нормативных документов, определяющих максимально допустимые значения прогибов элементов большепролетной решетчатой конструкции с мембранными оболочками отрицательной гауссовой кривизны. Недостаточно определенной является и действительная снеговая нагрузка на покрытие сложной формы.

В задачи натурных исследований включены следующие работы: определение планово-высотного положения характеристик точек конструктивных элементов погфытия в процессе монтажа ; сопоставление результатов натурных исследований с данными численного расчета.

Разработана плановая опорная сеть. Пункты I, П, Ш и 17, закладываемые на оголовках наклонных пилонов здания, которые служат опорными при определении горизонтальных смещений строительных конструкций, включаются в государственную геодезическую сеть.

В первом цикле набяюдевие за плановыми смещениями производились с опорных пунктов I, П, Ш, 17. В последующих циклах перед производством наблюдений за плановыми смещениями деформационных точек, линейно-утловыми измерениями в двух геодезических четырехугольниках I, П, Ш, 1У и I, 17, А, В подтвердились неизменность планового положения опорных пунктов I, П, Ш, 17.

Верхние точки середины поперечных ферм определены полярным '

методом с ближайших пунктов опорной плановой сети. Точки на вися-

13

чих фермах определялись аналогично точкам наружного опорного контура, т.е. методом прямой однократной засечки с пунктов опорной плановой сети I, П, Ш, 17. Также определяется точки на мембранном покрытии.

В качестве исходных реперов высотной опорной сети использованы два фундаментальных репера, заложенных вне деформационной зоны строительства объекта.

В процессе работы смещения одноименных деформационных знаков сравниваются по циклам, в соответствии с чем выполнен анализ деформации металлических конструкций мембранного 'покрытия. Б каждом из циклов работ выполнены несколько этапов: нивелирование высотной опорной сети ; передача отметки на наружный опорный контур; нивелирование опорного контура ; определение высотного положения деформационных точек на мембранном покрытии, висячих и поперечных ферм, наклонных пилонах и ригелей пилонов.; определение высотного положения деформационных точек центральной части покрытия.

Высоты точек наружного опорного контура определены из нивелирования П-класса. Высоты точек на поперечных фермах, центральной части гокрнтия определены из хода вивелирования 1У-класса, Одновременно с этим при проложении хода определяются высоты соответствующих точек висячих ферм. Высоты точек, расположенных на оголовках пилонов, а также точка мембранного покрытия определены с точек опорного контура односторонним тригонометрическим нивелированием двумя приемами.

Сравнение подученных данных натурного исследования после монтажа конструктивных элементов пощштия с данными проектирования свидетельствует о точности их монтажа.

Помимо автора в натурных исследованиях покрытия принимали

- I

участие сотрудники Алмаатинского геодезического центра Л.А.Марты-

нюк^А.Я.Силкин. 14

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разрабогава новая большепролетная конструкция, в которой событие образовано из сочлененных седловидных мембранных оболочек, имеющих внутренний опорный контур в виде трехгранной висячей фермы. Конструкция защищена авторским свидетельством

№ 1599495.

2. Численными исследованиями на ЭШ ш системе "ПАРУС" установлены шраметры напряжен но-деформированного состояния по^ытия и выявлено влияние податливого наружного и внутреннего опорных контуров на деформированное состояние мембранного гоедытия и поддерживающей решетчатой конструкции. Показано, что продольные усилия в решетчатой конструкции при учете податливости контуров снижается до 25$.

3. Экспериментальные исследования работы покрытия, выполненные на модели подтвердили надежность разработанной методики расчета и правильность конструирования основных конструктивных элементов. Подтверждено, что равномерно распределенная расчетная нагрузка является определяющей для по1фытия в целом по максимальным величинам перемещений и напряжений, в го же время несимметричное нагружение собственно одной из мембран наиболее неблагоприятно, вызывая большие перемещения в загруженной мембране.

4. Испытания щ>упномасштабной модели мембранного по!фытия при действии различных сочетаний нагрузок подтвердили цравиль-ность принятых исходных предпосылок и расчетных схем. Разница между данными экспериментальных и численных исследований не превышала 18$.

5. Исследование большепролетного мембранного П01фытия в период строительства показало, что проведенные измерения перемеще-

15

ввЁ покрытия соответствует проектеым данный, в эти данные могут быть приняты для дальнейших измерений.

6. Результаты диосерхацаонной работы использованы в проектных институтах "Алмаатагипрогор" и "Каз.отделение ПРОЕКГШЛЬКОН-СТНГКЦШ" при разработке проектно-саштвой документации объекта "Универсальный спортивно-зрелищный зал в г. Алма-Ате".

Основное содержание диссертации нашло отражение в следующих работах:

1. Тулебаев К.Р. Особенности конструктивного раненая большепролетного висячего покрытия "Универсального спэртивно-зрелищного зала в г. Алма-Ате на 10500 зрителей. // Эффективные пространственные конструкции в практике проектирования и строительства республик Средней Азии и Казахстана: Тез. докл. U регион, совещания. - Ашхабад, 1986. - С.72-74.

2. Тулебаев К.Р. Мовтаж конструкции спортивно-зрелищного зала на 10500 мем в г. Алма-Ате // Экспресс-информация./ Сер. Монтажные и специальные работы. - Алма-Ата.: КазЦНТЙС Госстроя РК, 1991. - * 3. - 7 с.

3. Гольденберг JLH., Тулебаев К.Р. Моделирование стальных конструкций покрытия Универсального спортивно-зрелищного зала в

г. Алма-Ате. // Экспресс-информация. Строительство и архитектура./ Сер. Сейсмостойкое строительство. - М.: ЩИИНГШ Tgo-сгроя СССР, 1991. - Вып.8. - С.26-30.

4. Шимановокий В.Н., Цыхановский В.К., Тулебаев К.Р. Численные исследования комбинированного висячего покрытия спортивной арены на статичеокие и сейсмические воздействия // Изв.вузов./ Сер. Строительство и архитектура. - 1992. - Л 4,- С.17-24.

5. Grcldenkzg L.I.Juteiayev КЛ. Л <#№ Sieel Шишиге

Of ¿fie SpozJs АгепаЧ Laiye • Span Space Roof in AtmQ-Ш.ШЯ.

К

И РгосаесИпц о} Ые Зутро&шт.- СорепЬадеп.. ; Кипз1а^етСе4в Рог Сад АгШеШ&оСеп.-(г.1-1391 - рр 55-58. &■ СсМепёегд IX, ТиШауы К.И. 7ел' Ыиау Шце-ЬЫе &{ееС зра11а£ юо} of ¡,рог{$ Ягепа ¿л Жма--Р-/4.//ШЗ ln.Utnakon.ai Соп$?е$$, Ш1. „ In.net/aitire 1а%де Зр4п вНиЫи^." -Тогоп{о. -1Г.2. -рр.В7£-878. ? $?11тапо1/с1у Jf.tr., ТиШауег К.Я. Леи; {урез о/ £агде - ¿рап. Зиьрепс/ес! гоо/з ¿е>г рцбКс £с1 ¿^¿глис ЩСоп$ апс! те{АоЫ. о/ 11$ саееи1а11сп.5А ЩкгпаШпае Сопугеь;,, !Ш. ,1ппо1гакие Аагце $рап -Того»^о.-1г-2.-рр.^о-Ш.

Подписано в печать 27.05.93 г. Формат 60x84/16 Объем 1,0 п. л. Тирэк 100 экз. Ззкзз 2103

ППО ГОСНИТИ

го сечения и моделирован с критерием местной устойчивости, обеспечивающими совпадение гибкости пластин сплошного сечения контура в натуре и модели.

В описании аппаратуры и приспособлений, используемых в эксперименте, показано, что для измерения перемещений применялись элекг-ролрогибомеры ЭМП-100. Относительные деформации элементов конструкции покрытия замерялись тензодатчикаии сопротивлений типа ПКБ о базой 10 мм.

В зависимости от величин постоянных и временных нагрузок и учитывая 1фивизну оболочек покрытия модели загрухение осуществлялось штучными грузами (красными кирпичами размером 250x120x65 мм и весом 3,50 кг, а также чугунными грузами весом 20 кг).

В процессе эксперимента модель покрытия испытывалась на статическую нагрузку в трех возможных вариантах ее приложения: равномерно распределенную по всей поверхности пырытия и на половине площади покрытия относительно большой и малой осей эллиптического покрытия. Величина постоянной нагрузки для оболочек боковых пролетов составляет 2 кН/м2 и нагрузка прикладывалась в два этапа по I кН/м2. Полная постоянная испытательная нагрузка на центральную оболочку покрытия величиной 5,5 кН/ц2 передавалась чугунными грузами в четыре этапа. Временная снеговая нагрузка для пяти оболочек создается двумя этапами по I кН/м2 чугунными грузами (рис. 2).

После каждого этапа нагруяения выдерживалась пауза не менее 15-20 кинут, а затем снимались показания по всем приборам, после чего прикладывалась следующая ступень нагрузки..

Проведенные экспериментальные исследования модели покрытия позволили оценить конструктивные .свойства выбранного решения покрытия. Установлено, что модель обладает требуемой несущей .способностью при действии расчетной статической нагрузки.

Рас. 2. Общий вид модели -покрытия

Анализ получанных результатов показывает, что центральная часть пощжтия, состоящая из висячих и связевых ферм и мембранной оболочка, обладает существенной жесткостью в горизонтальной плоскости.

Максимальные вертикальные перемещения возникали в середине пролета висячих ферм от полной расчетной нагрузка.и составляли 18,7 мы, что составляет 1/144 пролета фермы, а у узла фепления висячей фермы к наклонному пилону - 4,2 мм.

Сравнительный анализ полученных экспериментальных данных показывает, что симметричное загруяение погфытвд является определяющим для напряженно-деформированного состояния большепролетного мембранного покрытия в целом.

В четвертой главе приводятся численные исследования помытая.

Численные исследования напряженно-деформирован кого состояния.

конструкции были проведены на основе многовариантных расчетов

покрытия. Были использованы вычислительные комплексы "ЛИРА" и

"ПАР?П". 10

Расчетная схема, принятая при расчете по программе "ЛИРА"; предполагает разбивку покрытия на две части: пространственную стержневую конструкцию металлического каркаса и мембранное похитив боковых пролетов с наружным опорным контуром. Первая часть расчетной схемы покрытия представляет собой пространственную шар-нирно-сгержневую систему. Мембранное покрытие, уложенное на сетку, образованную направляющими а поперечными прогонами, в состав общей расчетной схемы не входят и рассматривается как нагружающий элемент.

В основу методики расчета комбинированных систем, состоящих аз фрагментов различной мерности, а жесткости, примененный в комплексе "ПАРУС", положены нелинейные соотношения метода конечных элементов. Для решения нелинейной системы уравнений используются: метод последовательных кагружений ; метод Ньютона-Канторовича. Выполнен расчет на основе данной методики висячих ыембранно-стерж-невых систем покрытия.

Мембранные элементы покрытия в расчетной схеме моделируются тонкой гибкой оболочкой, а направляющие нити конечной лесткости, на которые уложена мембрана боковых пролетов-стержняаи прямоугольного сечения. Элементы каркаса-пилоны, ригели пилонов, висячие трехгранные н связевые фермы центральной части - моделируются гакке стержнями прямоугольного сечения с учетом эксцентриситетов сопряжения мембранной оболочки со стержнем. Далее в расчет вводятся геометрические, топологические и физические характеристики ко-нечаоэлекентной расчетной модели покрытия.

Расчет конструкции покрытая производился вз два вида воздействия: статическое (собственный вес покрытия с учетом згаатковре-ценной и снеговой нагрузок) с суммарной интенсивностью равномерно распределенной нагрузки £ = 2 кН/м^ и динамическое при расчетной сейсмичности района строительства 9 баллов. ^

Расчет проводился по трем вариантам:

- для мембранного покрытия, опертого на абсолютно жесткий наружный опорный контур;

- для «выбранного помытая с упруго-податливым наружным опорный контурой ;

- для мембранного покрытия, опертого на абсолютно жесткий наружный опорный контур и без учета ортогональной сетки мембранных оболочек (направляющих нитей и поперечных прогонов).

. По программам "ЛИРА" и "ГАММА." расчет модели пыфытия выполнен на равномерно распределенную нагрузку, равную удвоенной максимальной нагрузке на натурную конструкцию. Расчетная схема модели покрытия аналогична схеме, принятой при расчете реальной конструкции. При выполнении расчета по комплексу "ПАРУС" в КИСИ (г. Киев) разработан ряд дополнительных программных модулей.

Расчет модели покрытия с упруго-податливым наружным опорным контуром осуществлялся на два типа нагруженвя: - собственный вес; собственный вес и полная эксплуатационная нагрузка о учетом снегового воздействия. Полная нагрузка =4,0 кН/м^ прикладывается одинаковыми порциями по 1,0 кН/ы^ с выдачей результатов расчета по каждому этапу. Данные расчета модели покрытия по обеим программам имели приемлемое совпадение с зафиксированвши экспериментально величинами.

В результате анализа работы элементов помытая установлено, что наиболее нагруженным элементом несущей системы каркаса является трехгранная висячая ферма, величина продольных усилий в поясах которой находится в пределах от -2830 кН до +1?700кН. Перемещение узлов 1фвпления фермы го вертикали составляют 120 мм, по горизонтали - 8 мм. Максимальное вертикальное перемещение приходится на узлы в середине пролета фермы и составляет 522 мм ( пролета фермы). 12

Максимальное сжинающее усилие в поясах конструкции пилонов равно -60.30 кН.

Анализ сравнения результатов численных исследований и зкспе-риментальчых данных показал хорошую сходимость их между собой при максимальном расхождении в средней не превышающим 15-205?.

Пятая глава поовгацена исследованию большепролетного мембранного покрытия в период строительства. Особенностью проводимых геодезических исследований является то, что наряду с практическими интересами, связанными с эксплуатацией такого объекта, до настоящего момента не существует нормативных документов, определяющих максимально допустимые значения прогибов элементов большепролетной решетчатой конструкции с мембранными оболочками отрицательной гауссовой кривизны. Недостаточно определенной является и действительная снеговая нагрузка на покрытие сложной формы.

В задачи натурных исследований включены следующие работы: определение планово-высотного положения характеристик точек конструктивных элементов покрытия в процессе монтажа ; сопоставление результатов натурных исследований с данными численного расчета.

Разработана плановая опорная сеть. Пункты I, П, Ш и 17, закладываемые на оголовках наклонных пилонов здания, которые служат опорными при определении горизонтальных смещений строительных конструкций, включаются в государственную геодезическую сеть.

В первом цикле наблюдение за плановыми смещениями производились с опорных пунктов I, П, Ш, ЗУ. В последующих циклах перед производством наблюдений за плановыми смещениями деформационных точек, линейно-утловыыи измерениями в двух геодезических четырехугольниках I, П, Ш, 1У и I, 17, А, В подтвердились неизменность планового положения опорных пунктов I, П, Ш, 17.

Верхние точки середины поперечных ферм определены полярным

методом с ближайших цункгов опорной плановой сети. Точки на вися-

13

чих фермах определялись аналогично точкам наружного опорного контура, т.е. методом прямой однократной засечки с пунктов опорной плановой сети I, П, Ш, 17. Также определяются точки на мембранном покрытии.

В качестве исходных реперов высотной опорной сети использованы два фундаментальных репера, заложенных вне деформационной зоны строительства объекта.

В процессе работы смещения одноименных деформационных знаков сравниваются по циклам, в соответствии с чем выполнен анализ деформации металлических конструкций мембранного покрытия. Б каждом из циклов работ выполнены несколько этапов: нивелирование высотной опорной сети ; передача отметки на наружный опорный контур; нивелирование опорного контура ; определение высотного положения деформационных точек на мембранном покрытии, висячих и поперечных ферм, наклонных пилонах и ригелей пилонов.; определение высотного положения деформационных точек центральной части покрытия.

Высоты точек наружного опорного контура определены из нивелирования П-класса. Высоты точек на поперечных фермах, центральной части покрытия определены из хода нивелирования ЗУ-класса. Одновременно с этим при проложении хода определяются высоты соответствующих точек висячих ферм. Высоты точек, расположенных на оголовках пилонов, а также точки мембранного покрытия определены с точек опорного контура односторонним тригонометрическим нивелированием двумя приемами.

Сравнение подученных данных натурного исследования после монтажа конструктивных элементов покрытия с данными проектирования свидетельствует о точности их монтажа.

Помимо автора в натурных исследованиях покрытия принимали

участив сотрудники Алмаатинского геодезического центра Л.А.Марты-

нюк ^А.Я.Снлкин. 14

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разрабогана новая большепролетная конструкция, в которой шнргаив образовано из сочлененных седловидных мембранных оболочек, имеющих внутренний опорный контур в виде трехгранной висячей фермы. Конструкция защищена авторским свидетельством

№ 1599495.

2. Численными исследованиями на ЭВМ то системе "ПАРУС" установлены параметры напряжен но-деформированного состояния покрытия и выявлено влияние податливого наружного и внутреннего опорных контуров на деформированное состояние мембранного покрытия и поддерживающей решетчатой конструкции. Показано, что продольные усилия в решетчатой конструкции при учете податливости контуров снижается до 25$.

3. Экспериментальные исследования работы покрытия, выполненные на модели подтвердили надежность разработанной методики расчета и правильность конструирования основных конструктивных элементов. Подтверждено, что равномерно распределенная расчетная нагрузка является определяющей для по1фытия в целом по максимальным величинам перемещений и напряжений, в то же время несимметричное нагружение собственно одной из мембран наиболее неблагоприятно, вызывая большие перемещения в загруженной мембране.

4. Испитавия гфупномасшгабной модели мембранного по1фытия при действии различных сочетаний нагрузок подтвердили правильность принятых исходных предпосылок и расчетных схем. Разница между данными экспериментальных и численных исследований не превышала 18^.

5. Исследование большепролетного мембранного пощшгия в период строительства показало, что проведенные измерения перемеще-

15

най покрытия соответствуют проектным данный, в эти данные могут быть приняты для дальнейших измерений.

6. Результаты диссертационной работы использованы в проектных институтах "Алмаатагипрогор" и "Каз.отделение ПРОЕКГСТАЛЬКОН-СТЕПЩШ" при разработке проектво-сметной документации объекта "Универсальный спортивно-зрелищный зал в г. Алма-Ате".

Ооновное содержание диссертации нашло отражение в следущих работах:

1. Тулебеев K.P. Особенности конструктивного ранения большепролетного висячего покрытия "Универсального сгортивно-зрелищного зала в г. Алма-Ате на 10500 зрителей. // Эффективные пространственные конструкции в практике проектирования и строительства республик Средней Азии и Казахстана: Тез. докл. U регион, совещания. - Ашхабад, 1986. - С.72-74.

2. Тулебаев K.P. Монтаж конструкции спортивно-зрелищного зала на 10500 меот в г. Алма-Ате // Экспресс-информация./ Сер. Монтажные и специальные работы. - Алма-Ата.: КазЦНТИС Госстроя PK, 1991. - И. - 7 о.

3. Голь'денберг Л.И., Тулебаев K.P. Моделирование стальных конструкций. Ш1фытия Универсального спортивно-зрелищного зала в

г. Алма-Ате. // Экспресс-информация. Строительство и архитектура./ Сер. Сейсмостойкое строительство. - Н.: ЦВИИНПИ Tgo-огроя СССР, 1991. - Вып.8. - С.26-30.

4. Шимановокий В.Н., Дыхановский В.К., Тулебаев K.P. Численные исследования комбинированного висячего покрытия спортивной арены на статические и сейсмические воздействия // Изв.вузов./ Сор. Строительство и архитектура. - 1992. -J®4.- С. 17-24.

5. СгоЫепбегд L.LJutelayetr КЯ. Л Леи/ Sieet НчиЫиге

of ¿Яг Spozls Лгела'з Laiye - Span ¿расе Roof in Л?та-А-1аМЯЯ.

H Proceeding of Me I ASS Symposium. - Copenhagen..: Ku.tisia&ademie4s FozCag Ar£Uei:is£ofen.-ir.I.-<991,-pp.55-58.

6. GoCdenSeig LI., TuteSayeir K.R. Test Uuoy of idZfe-Scote &(eet spaiiaC roof of spozis Azena in. Мта-Ма./fIASS InUtnallonat Cangzess, {991. „ InnoiroiLire ¿аъце Span Sixuctures"-Tozonfa. -ir. 2. -pp. 81S-B18-

I Shimanoifsly Д.У., TuteBayetx K.R. Леит types of ¿azge-spatu Suspended г oofs Jol puBtic Вог Seismic teutons and meiAod of Us cateutaUons fl 1АЫ initlnatonat Confess J99Z . /innovative lazye Span Situ efaxes'. -Тогоп-h.-wt-pp. tfo-ш.

Подписано в печать 27.05.93 г. Формат 60x84/16 Объем 1,0 п.л. Тирэя 100 экз. Заказ 2103

ППО ГОСНИТИ