автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Разработка легких металлических конструкций и методов их расчета для водохозяйственного и энергетического строительства

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

те од

ДУКЛРСК11Й 'Юлиан Мееровач

РАЗРАБОТКА ЛЕГКИХ ШАЛШЧЕСШ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОЙ КХ РАСЧЕТА ДЛЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

¿26'/3. ^

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора пгхт'.кеских кггук в форме шучнао доклада

теки - 1ез.1

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТИИНШИ УНИВЕРСИТЕТ ИРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи УДК 624.01; 624. 014; 69. 024; 69.057

ДУЮ1РСКШГ Юлиан Меерович

РАЗРАБОТКА ЛЕГКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ К МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА ДЛЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО 'И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.07 - гидротехническое и мелиоративное

строительство

05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технинеасих каук в форма научного доклада

о

МОСКВА - 1994

РаСзопа выполнена в Центральном научно-исслелс - птельском. инешищуоо строительных конструкций имени В.Л.Кучеренко (1'ННИСК им.Кучеренко) и в Московском Государсжюенноа Университете природообусарсйства (бив. Московский гидромелиоративный институт ИТМИ)

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор Ю.Н.Новичкоп Доктор технических наук О.Н.Тоцкий Член т корреспондент РИА, доктор технических наук, профессор Л.И.Кудояров

Ведущая организация; ,. • '

Государственный институт проектированию организации энергетл-

ческого строительства "ОРГЭНЕРГОСТРОЙ"

Защита сотоатся " ^" ФЛОГЛ^^ 1994 года в /Ь часов в ауд. на заседании специализированного Совета Д 120.16.01

по защите диссертаций на соикание ученой степени доктора технических наук Московского ордена Трудового красного Знамени гидромелиоративного института по адресу: 127550; Носква, ул.Прянишникова, 19 | ' ■

С научным докладом пожко ознакоки^я в библиотеке КГКИ.

Просим Баш отзыв, заверенный печатью предприятия, направить в 2 - х!экэ. ло вьпюназв&ккому адресу.

I

Доклад разослан " "1994 года

Ученый секретарь специализированного Совеаа ?<шл.аехн.н&ук, профессор

Л.и.Яковлева

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

»

Актуальность проблемы.

Основные направления развития строительного производства »

заключаются в снижении материалоемкости констркуций, индустриализации их производства и поставки на строительные объекты конструкций высокой заводской готовности. Этим требованиям наиболее полно отвечают легкие, быстровозводимые сооружения многоцелевого назначения с несущим металлическим каркасом и ограждением из тонколистовых металлов и эффективных полимерных материалов.

Применение гладкого тонкого листа в ограждающих конструкциях оказывается оправданным только при условии создания в листе предварительного напряжения. Объединив тонкий лист с легким каркасом и создав преднапряжение можно получить чрезвычайно легкую панельную конструкцию, совмещающую несущие и ограждающие функции. Но внедрение таких панелей требует соответствующих экспернменталь-но-теоретических исследований.

Из ограждающих конструкций наибольший эффект, связанный с облегчением сооружения в целом, дает применение профилированных металлических листов (прежде всего стальных, а также из алюминиевых сплавов). Как известно, благодаря профилированию тонколистовой металл оказывается способным хорошо работать на местный поперечный изгиб и воспринимать сжимающие усилия. Это его свойство позволяет профилированные листы использовать на только в конструкциях, выполняющих ограждающие функции, но также в конструкциях несущих и совмещающих несущие и ограждающие функции. При проектировании конструкций с применением профилированных листов возникла необходимость в решении ряда вопросов, требующих проведения теоретических и экспериментальных исследований. К ним относятся исследования работы листов на изгиб по балочной схеме, устойчи- . вости при сжатии и сдвиге.

К моменту освоения серийного производства стального профилированного листа в нашей стране был накоплен большой опыт крупно-1анельного строительства из сборного железобетона. Наличие крупах заводов строительной индустрии, оснащение строительства соот-зететвующими монтажными механизмами, отработанная технология монтажа и транспортировки крупноразмерных панелей - все это способствовало созданию легких крупногабаритных панелей размером до 3x12 1 с применением стального профилированного листа. Большое коли-»ество конструктивных решений подобных стальных панелей (балоч-

ные, шпренгельиые, с предварительным напряжением и без него) требует такого же многообразия экспериментально-теоретических исследований по их направленности.

Создание в короткие сроки в пионерных условиях производственных баз, которые во многом определяют успешное выполнение работ, ритм и темпы всего строительства, - одна иэ важнейщих задач строительной индустрии. Промышленные базы, включающие в себя производственные и складские здания, жилой поселок с объектами соц-культбыта, создаются временно на период строительства объекта и относятся к разряду .мобильных (инвентарных) сборно-разборных и-контейнерных.

Наиболее эффективными из сборно-разборных зданий, требующих через определенные интервалы времеьи передислокацию и, соответственно транспортировки, следует признать здания, имеющие малый собственный вес и при этом значительную прочность, позволяющую без ущерба несущей способности производить их монтаж, демонтаж и транспортировку по несколько раз (по нормам оборачиваемость сборно-разборных зданий должна быть пятикратной). Создание подобных конструкций должно идти по пути экономии материалов без снижения надежности, что может быть достигнуто путем совершенствования их расчета и экспериментальными исследованиями.

В основном все системы контейнерных зданий решаются на основе одного унифицированного блок-контейнера и поставляются они на строительную площадку при полной заводской готовности. Соответствие блок-контейнеров функциональным требованиям в значительной степени определяется их компоновочными возможностями и степенью проработанности вопросов блокирования, сочетаемыми с минимальным собственным весом. Такой подход требует проведения комплекса зке- • периментальных и теоретических исследований.

Указанные выше обстоятельства придают актуальность работам по разработке новых видов легких металлоконструкций, широко применяемых практически во всех видах строительства. Особенно актуально применение легких металлических конструкций в водохозяйственном и энергетическом строительстве, так как во многом их отличительная особенность - отдаленность строящихся объектов, необходимость их возведения в труднодоступных и Северных районах, характеризующихся отсутствием удобных и дешевых транспортных путей, налой обеспеченностью рабочей силой, прежде всего квалифицирован-

ной.

Цель и залами исследования•

Основная цель - на основе экспериментальных и георетичесхих исследований создать новые виды металлоконструкций, отличающихся «алым собственным весом, высокой заводской готовностью, удобством при транспортировании и быстротой возведения.

Для реализации поставленной цели предполагалось решить следующие основные задачи:

1. Разработка для отдаленных и труднодоступных, преимущественно Северных районов стеновых панелей с обшивками из гладкого преднапряженного алюминиевого листа, экспериментальные и теоретические исследования таких панелей и разработка методики расчета.

2. Исследование устойчивости профилированных листов из алюминиевых сплавов и стали при сжатии и сдвиге.

3. На основе экспериментальных и теоретических исследований стальных кровельных панелей балочного и шпренгельного типа создать методику их расчета, учитывающую влияние на работу элементов панелей профилированного листа.

4. Разработка преднапряженной стальной шпренгельной панели наименьшей металлоемкости, в которой профилированный лист является единственным элементом верхнего пояса; экспериментальные и теоретические исследования панелей, разработка методики расчета.

5. Разработка новой конструктивной формы инвентарного сборно-разборного здания, экспериментальное исследование пространс- е

гвенной работы каркаса здания с учетом жесткости панелей покрытия »

с применением стального профилированного листа. Теоретические и экспериментальные исследования балок с перфорированной стенкой, являющихся основным несущик элементом сборно-разборного здания, с рекомендациями по их расчету.

6. Натурные исследования здания контейнерного типа с металлическим каркасом и новым видом ограждения как пространственного блока с целью выявления прочности и жесткости на стадии эксплуатации и в процессе транспортировки в экстремальных условиях (при динамических нагрузках).

Научная новизна.

Разработана и экспериментально проверена на натурных образцах стеновая панель с сбвивками из гладких алюминиевых листов с

новый видом предварительного напряжения. Предложена методика их расчета, основанная на работе мембран.

Р

Впервые теоретически исследована работа гофрйЪсанных алюминиевых листов (анизотропных пластинок) на сжатие и сдвиг с учетом физической и геометрической нелинейности. Даны рекомендации для расчета гофрированных листов на сжатие после потери устойчивости (закритическая стадия работы). При исследовании устойчивости при сдвиге гофрированных листов получено значение нижнего критического напряжения. Теоретические исследования подтверждены результатами экспериментальных исследований как на алюминиевых, так и на стальных гофрированных листах.

Экспериментально исследованы в натуральную величину несколько типов впервые разработанных в нашей стране стальных кровельных панелей с применением профилированного листа. К ним относятся панели балочные, шпренгельные с предварительным напряжением и без него. В процессе этих исследований получены данные по влиянию профилированных листов на устойчивость сжатых поясов (полок) продольных прогонов панелей, по совместной работе профилированного листа и верхнего (сжатого) пояса прогона, по сдвиговой жесткости панелей и связанной с этой жесткостью восприятия панелями скатной составляющей вертикальной нагрузки, по особенностям работы профилированного листа в составе панели. На основании проведенных экспериментов созданы методики расчета панелей, в которых были учтены результаты теоретическо-эксперикенталькых исследований отдельных профилированных'листов.

Разработана принципиально новая конструктивная форма инвентарного сборно-разборного здания секционного типа.» Экспериментально, исследована на натурных секциях жесткость ограждающих конструкций здания с применением профилированных листов, обеспечивающих неизменяемость каркаса без установки горизонтальных и вертикальных связей. Проведен анализ методов расчета балок с перфорированной стенкой в составе сборно-разборного здания и даны практические рекомендации по расчету подобных зданий.

Экспериментально исследованы в натуральную величину здания контейнерного типа (объемные Блоки) с металлическим каркасом и новым материалом для ограждающих конструкций - цементно-стружеч-ныки плитами. По результатам статических ^динамических испытаний даны рекомендации по расчету.

Практическая ценность и реализация работы.

Предлагаемые научно обоснованные методы, расчета и конструирования новых видов легких металлических конструкций позволили получить значительные преимущества по сравнению с традиционным материалом для водохозяйственного, энергетического и других видов строительства - железобетоном. Преимущества, дающие большой экономический эффект, определяются: снижением расхода материала на несущие и ограждающие конструкции и, соответственно, на фундаменты, сокращением транспортных расходов, уменьшением трудоемкости возведения зданий и сооружений, ускорением строительства объектов.

Внедрение основных результатов исследований было осуществле-нол на многочисленных объектах водохозяйственного и энергетического строительства. Алюминиевые стеновые преднапряжеиные панели применены на Якутской ГРЭС и Билибинской АЭС. Практически на всех покрытиях главных корпусов гидро- и теплоэлектростанций после 1970 г. стали применять разнообразные металлические панели с применением профилированных листов (Капчагайская ГЭС, Колымская ГЭС, ЛадыжинЬкая ГРЭС, Ростовская ТЭЦ-2, Сургутская ГРЭС и др.). Объем годового выпуска таких панелей в конце восьмидесятых годов достиг 180 тыс.м в год. Сборно-разборные здания секционного типа стали применять начиная с 1973 г. На рубеже восьмидесятых - девяностых годов объем выпуска этих зданий превышал 100 тыс.м2 в год. География применения сборно-разборных зданий на водохозяйственных к энергетических объектах охватывает не только практически весь бывший Советский Союз, но и ряд стран дальнего зарубежья. На

строительство объектов н Иране, Ираке, МНР и др. странах было

р

поставлено только за период 1975 - 80 г.г. около 30 тыс.м сборно-разборных зданий секционного типа. Контейнерные здания с применением в качестве ограждения цементно-стружечных плит в конце восьмидесятых годов выпускали в количестве до 1000 шт. в год. Они поставлялись в подготовительный период строительства объектов как в нашей стране, так и за рубежом (Нигерия, Йемен).

Разработанные методы расчета и конструирования легких металлических конструкций были использованы при составлении следующих нормативных документов: СНиП 2.03.06-85 "Алюминиевые конструкции. Нормы проектирования" (раздел 7); СНиП П-23-81* "-Стальные конструкции. Нормы проектирования" (раздел 19); "Рекомендации по проектированию крозельных и глухих стеновых панелей для промышленных

зданий" (изд. ЦНИИСК им. Кучеренко, 1967); "Рекомендации по учету жесткости диафрагм из стального профилированного настила в покрытиях одноэтажных производственных сд.лний при горизонтальных нагрузках" (изд. ЦНИИПроектстальконструкция, 1970); "Рекомендации по применению стальных профилированных настилов нового сортамента в утепленных покрытиях производственных зданий" (изд. ЦНИИПроектстальконструкция, 1985); "Рекомендации по проектированию, изготовлению и применению конструкций на основе цементно-стружечных плит" (изд. ЦНИИСК им. Кучеренко, 1985); "Рекомендации по оценке уровня качества, мобильных (инвентарных) зданий" (изд. ЦНИИОМТП, 1986). Они также включены в три учебника и три учебных пособия для студентов водохозяйственных специальностей ьысших и средних учебных заведений.

Апробация работы и публикации.

Основные положения и материалы настоящей работы докладывались: на Международном симпозиуме "Складчатые конструкции", Вена, 1970 г.; на III Международной конференции по предварительно-напряженным металлическим конструкциям, Ленинград, 1971 г.; на Международной конференции по облегченным пространственным конструкциям покрытий для строительства в обычных и сейсмических районах, Алма-Ата, 1977 г.; на научно-технических конференциях МИСИ в 1965 - 19б7 г.г.; на научно-технических конференциях ЦНИИСК им. Кучеренко;, Москва, в 1966 - 1972 г.г.; на научно-технических конференциях ВЗИСИ, ' Москва, 1966 - 1967 г. г."; на ,1 Московской конференции молодых ученых в 1966 г; на IY совещг.нин-секинаре по обме-

!

ну опытом строительства в суровых климатических условиях, Красноярск,! 1970 г.; на Всесоюзном совещании "Проектирование и строительство сейсмостойких зданий и сооружений", Фрунзе, 1971 г.; на семинарах ВДНХ СССР: "Изготовление и применение сборно-разборных инвентарных зданий полной заводской готовности в энергетическом строительстве", 1973 г. и "Эффективные технологические линии по производству строительных конструкций на заводах стройиндустрии Минэнерго СССР", 1974 г.; на научно-техническом семинаре Московского дома научно-технической пропаганды " Новые виды легких металлических конструкций", Москва, 1975 г.; на научно-технических конференциях МГМИ в 1972 - 1992 г.г.

Результаты работы опубликованы в 42 печатных работах, в том числе в 2 монографиях, в описаниях 3 изобретений, в 3 учебниках

[2 для вузов и 1 для техникумов) и 3 учебных пособиях для студентов водохозяйственных специальностей.

Личный вклад в решение проблемы.

Диссертация является результатом многолетних исследований 1ВТора, выполненных в отделе прочности и новых форм металлических «онструкций Центрального научно-исследовательского института строительных конструкций им. В.А.Кучеренко (ЦНИИСК им. Кучерен-со) и на кафедре инженерных конструкций Московского гидромелиоративного института (МГМИ).

Постановка и формулирование всех рассмотренных научных за-;ач, поиск путей их решения теоретическими и экспериментальными 1утями, анализ приведенных п диссертации научных и практических результатов, формирование итоговых выводов осуществлены лично автором диссертации.

Разработка новых видов легких металлических конструкций (паклей, сборно-разборных и контейнерных зданий) производилась при ^посредственном участии автора в ЦНИИСК им. Кучеренко (совместно : В.И.Трофимовым), Теплоэлектропроекте (совместно с П.М.Свердло-зым, Ю.К.Тринчером, Н.В.Хуцишвили) и Энерготехпроме (совместно с '.Д.Нововым, А.Б.Руссоником, Ю.В.Сергеевым).

Экспериментальные исследования проводились в ЦНИИСК им. Ку-1еренко лично автором диссертации с привлечением технического терсонала, в Энерготехпроме, Уральском и Киевском филиалах Тепло->лектропроекта - сотрудниками научных подразделений этих органи-1аций при постоянном непосредственном участии автора диссертации I под его научным руководством.

Автор считает для себя приятным долгом выразить глубокую >лагодарность многолетнему научному консультанту Заслуженному де-гтелю науки и техники РФ, проф., д.т.н. В.И.Трофимову за ценные 'казания при подготовке данной рукописи.

На защиту выносятся:

1. Разработанная конструкция и методика расчета преднапря-сенной стеновой алюминиевой панели.

2. Методика расчета профилированных листов на устойчивость |ри сжатии и сдвиге.

3. Экспериментально подтвержденная методика расчета стальных ровельных панелей с применением профилированного листа.

• 4. Разработанная конструкция и методика расчета унифициро-

ванного сборно-разборного здания с металлическим каркасом и ограждением из профилированного листа.

5. Усовершенствованная конструкция блок-контейнера (объемного блока) с металлическим каркасом и ограждением из цемент-но-стружечных плит.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

I.'•ПРЕДНАПРЯЖЕННЫЕ СТЕНОВЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ ПАНЕЛИ.

При строительстве в районах Крайнего Севера вопрос снижени: веса ограждающих конструкций играет существенную роль из-за стой мости транспортировки. В этих районах применение даже таких срав нительно дорогих строительных материалов, как алюминиевые сплавы является целесообразным. Для Якутской ГРЭС и Билибинской АЭС при меиение стеновых алюминиевых панелей объяснялось прежде всего ограниченными сроками возведения станций, в результате чего транспортировка панелей планировалась и осуществлялась воздушны: транспортом. В ценах семидесятых годов такая транспортировка стоила 1000-1500 руб/тонна, в результате чего транспортные расход! на одну панель весом 200 кг составляли 200-300 руб. (при стоимости самой пэнелй около 100 руб.). Применение железобетонных стеновых панелей из легкого бетона увеличило бы стоимость в 3-5 раз, < при доставке этих панелей водным транспортом сроки строительств« затягивались на 1,5-2 года из -за сезонности навигации..

Для стеновых алюминиевых панелей с обшивками из гладких листов ЦНИИСК им. Кучеренко (В.И.Трофимов) предложил способ предварительного напряжения, названный распорным. К достоинствам таки; панелей, кроме простоты осуществления преднапряжения обшивок, относится возможность использования дешевых несгораемых утеплителе1 типа минераловатных плит.

Из других работ, посвященных панелям с преднапряженной гладкой металлической обшивкой, наиболее известны исследования Г.Д Попова, О.Н.Тоцкого, Г.Г.Михайлова. Теоретические исследование мембран, как правило, основываются на теории А.Феппля, котора; была развита в исследованиях С.П.Тимошенко, И.Г.Бубнова, Б.Г.Га-леркина, В.Ритца, Г.Г.Ростовцева, А.С.Бо^ьмира и ряда других исследователей .

Конструкция панели представляет собой двухслойную панель мембранного типа (рис. 1), в которой одновременно предварительно напряжены дне обшипкиблагодаря чему перхняя и нижняя обшивки иэ тонкого алюминиевого листа■воспринимают местные нагрузки и участвуют в работе несущих элементов конструкции. Панель может состоять из одной или нескольких ячеек с самостоятельным предварительным напряжением. В центре каждой ячейки в пространстве между обшивками устанавливается болт. Напряжение обшивок панели может достигаться двумя способами: 1) вывинчиванием болта и соответствующим распиранием обшивок (рис. 1, а); 2) ввинчиванием болта, при котором обшивки вбираются внутрь ячеек (рис. 1, б).

2.3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.

Определение прогиба квадратной мембраны. нагруженной в центре сосредоточенной силой. Рассматривалась шарнирно опертая квадратная мембрана со стороной 2а и толщиной Ъ, нагруженная в центре сосредоточенной силой Р (рис. 2). Выбор направления осей координат вызван тем, что мембрана от действия силы получает диагональные пинии перегиба. Пространство мембраны, ограниченное осями координат, получается плоским. Задача решалась энергетическим методом. Цля упрощения решения было решено пренебречь горизонтальными сме-цениями мембраны, оставляя лишь одно вертикальное И. Степень точ-яости такого приближения был оценен при вычислении прогиба квадратной мембраны, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой. 1олученный результат был сравнен с решением, -в котором учитываюсь все три смещения. Сравнение показало, что учет в решении горизонтальных смещений дает прогиб лишь на 3,35% больше, чем без /чета. .

Энергия деформации мембраны, обусловленная растяжением её серединой поверхности, при пренебрежении горизонтальными смещением определяется выражением:

К 1 Г Ь Э" 1212

V = --— I - — + — ах-ау, (1)

г 2 (1 -V ) П 4 Ц Эх I Эх ) ]

■до Е - модуль упругости, V - коэффициент Пуассона.

Прогиб в любой точке участка квадратной мембраны, ограничен-

ной координатами х = а ¡/Т и у = а /2~(рис. 2), может быть г:олуче| из выражения:

W =

Wo _ \

- а /Г- х - у • (2

' а ]/Т ■ )

где W0 - прогиб в центре мембраны.

Используя метод виртуальных перемещений, определяется вели чина прогиба квадратной мембраны, нагруженной в центре сосредото ченной силой Р. Зная, что пренебрежение горизонтальными смещения ии дает несколько заниженные'результаты, для практических расче тов рекомендована формула, дающая прогиб на 9,5 X больше его тео ретического значения:

w0" = 0,85 I/ --(3)

V E't

Определение минимальных размеров площадки для передачи усилия от распорного болта на лист. Считалось, что площадка для передачи усилия от распорного болта на мембрану имеет форму квадрата со стороной 2d. По краям площадки на лист действуют нормальные растягивающие напряжения бх, бу и касательные напряжения Тху. В

этом случае приведенные напряжения равны:

)--<4>

6ef=l/6x2 - бхбу + бу2 + ЗТХу2 < Ry ,

где Ry - расчетное сопротивление материала мембраны.

В мембране, нагруженной в центре сосредоточенной силой, деформации значительны только в радиальном направлении, а меридианные практически равны нулю. Учитывая это обстоятельство и используя взаимосвязь относительных деформаций и главных напряжений получено выражение, определяющее минимальный размер площадки для передачи усилия от распорного болта на мембрану

2Й > - I/-+ з (5)

164-0

Чтобы определить требуемую толщину площадки , её рассматривали" как пластинку, нагруженную с одной стороны сосредоточенной силой, а сдругой - равномерно распределенной нагрузкой (её роль выполняет лист мембраны, сопротивляющийся в процессе натяжения и

эксплуатации). В результате находим-

0,1034 Ьп

2<а

+ 0,02

(б)

где 06 - диаметр распорного болта.

Влияние эксплуатационных нагрузок. Загружение панели, пред-напряженной распорным способом, равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью q приводит к распределению напряжений в ней. •

В панели с распиранием обшивок:

1) часть реакции от равномерно распределенной нагрузки воспринимается центральным распорным стержнем, в связи с чем он опус- , кается. Благодаря опусканию распорного болта предварительный прогиб верхнего листа, воспринимающего нагрузку, снижается, отчего он теряет преднапряжение. В нижнем листе напряжения возрастают;

2) от общего изгиба панели в верхнем листе возникает сжатие, снимающее напряжение, а в нижнем - дополнительные растягивающие . напряжения;

3) от действия местной поперечной нагрузки в верхней листе возникают мембранные растягивающие напряжения.

Необходимого предварительного напряжения в обшивках панели можно достигнуть, задав ей прогиб, равный

где - прогиб, компенсирующий опускание распорного болта при эагружении панели; И?и - прогиб, необходимый для ликвидации сжимающих напряжений от общего изгиба панели.

Прогиб [V,, может быть определен по формуле (3), причем вместо распорного усилия Р должно быть усилие 0 = -*<уа2/.3 (часть нагрузки, воспринимаемая распорным стержнем).

Прогиб за висит от сжимающих напряжений 0ц, которые возникают в центральной части верхнего листа панели при расчете её по балочной схеме:

В панели со вбиранием обшивок:

1) часть реакции от разномерно распределенной нагрузки воспринимается распорным стержнем, в результате -чего в верхнем листе

»и > К + "и '

(7)

(8)

преднапряжение увеличивается (от опускания болта), а в нижнем -уменьшается;

2) от общего изгиба в верхнем листе возникают сжимающие усилия, в нижнем - растягивающие;

3) от местного приложения нагрузки в верхнем листе возникают растягивающие мембранные напряжения.

Такой характер работы панели приводит к складыванию напряжений обратных знаков в верхней и нижней обшивках и, б конечном итоге, к небольшим напряжениям в листах. Требуемое допустимое условие предварительного напряжения: при расчетной нагрузке■нижняя обшивка достигает одного уровня с нижними элементами каркаса па-1нели, что соответствует потере предварительного напряжения в панели. Необходимый для этого прогиб определяют по формуле (3) при усилии; передаваемом на распорный болт, равном Q.

Учет деформативности контура. Деформативность контура приводит к уменьшению абсолютного удлинения мембраны на величину бг » которая зависит от прогиба в горизонтальном направлении* при действии :ia него цепной реакции. Расчеты позволили получить величину 5|, характеризующую деформацию контура в зависимости от прогиба: | . . .

I

.1 . t

! • 5 = 0 ,0106 • W02 • а2 •- (9)

¡ • з

где J - момент инерции контура в горизонтальном направлении. В дальнейшем эта деформация учитывается при определении необходимого предварительного напряжения в мембране, задавая соответствующий прогиб 1/д .

Влияние температурных перепадов. В сталеалюминиевых панелях (алюминиевые обшивки и стальной контур) при температурных перепадах из-за различных коэффициентов линейного расширения алюминия и стали возникают дополнительные напряжения:

j ' .' бтем («ал " °ст ) Т'Еал, ' (10)

! » -

где Т - температурный перепад в градусах.

Напряжения на контуре можно выразить через цепную реакцию WT, возникающую при перепаде температур: бтем= WT/t. С учетом деформативности контура цепная реакция может быть получена при решении квадратного уравнения с одним неизвестным Л'т :

а 2 1

0,0054---Ыт + — Ыт - 2Еал(0Сал - Ост)-Т » О (11)

Е'СГ Ь

Температурные напряжения добавляют к напряжениям от предварительного натяжения листов и эксплуатационным.

1.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.

с целью проверки теории расчета преднапряженных мембранных панелей было проведено экспериментальное исследование панели с алюминиевыми обшивками и стальным каркасом. Панель состояла из двух полущитов размером 1,5x6 м, соединенных между собсй стальной решеткой и планками. Контур каждого полущита выполнялся из стальных уголков 50x5 мм и приклёпанного к нему алюминиевого листа (сплав АМг-П) толщиной 1 мм. Полущит был поделен стальными уголками на четыре квадратные ячейки. Предварительное напряжение панели осуществлялось распиранием обшивок в каждой ячейке. Нагрузку на панель подавали специальным пневматическим устройством, создававшим равномерно-распределенную нагрузку.

Было произведено три типа нагружения панели интенсивностью:

1) Я » 5 кПа - при предварительном прогибе обшивок в 3 см;

2) я = 4 кПа - без напряжения обшивок;

3) я = 2,4 кПа - при предварительном прогибе обшивок и 6,8 см.

Распределение напряжений в нижней обшивке показало, что обшивка работает только в одном направлении - по длине панели. Напряжения по ширине панели чрезвычайно малы. Это говорит о том, что из-за деформативности контура (во всех ячейках по ширине панели) мембрана в этом направлении практически не работает, а все напряжения передаются на направление, где контур не деформируется (вдоль панели). Следовательно, напряжения воспринимаются в ячейке только двумя треугольными участками мембраны, расположенными по длина панели. На эпюре распределения напряжений по длине панели в одной из средних ячеек при первом нагружении (рис. 3) пунктиром показаны напряжения, вычисленные теоретически по приведенной выше методике. На рисунке видно хорошее совпадение экспериментальных и теоретических данных (расхождение - 3,5%). На рис. Л показаны графики вертикальных прогибов в одной из средних ячеек под распорным болтом, где деформации нижней обшивки накладываются на общую деформацию панели. И здесь наблюдается достаточно хорокее

совпадение теоретических (пунктир) и экспериментальных данных (расхожденизб пределах 10%).

Панель разрушилась во время третьего испытания, когда равномерно распределенная нагрузка превысила величину 2,4 кПа. В этот момент стальная площадка для передачи усилия от распорного болта на обшивку порвала алюминиевый лист.

Основной целью экспериментальных исследований панелей с каркасом из алюминиевых уголков 30x2,5 мм и бакелизированной фанеры сечением 130x10 мм являлось выявление наиболее целесообразной и экономичной по расходу материала конструкции панели для дальнейшего использования её в качестве стенового ограждения зданий Якутской ГРЭС и Билибинской АЭС. Всего было испытано семь панелей, имевших принципиально одинаковую конструкцию. Панели имели размер 1,5x6 м, по длине делились на 4 ячейк::. В центре каждой ячейки устанавливался распорный болт диаметром 6 мм. Напряжение обшивок иа сплава АМЦ толщиной 1 мм (две панели) и 1,5 мм (пять панелей) достигалось ввинчиванием болта, при котором обшивки вбирались внутрь ячеек. Соединялись контур с обшивками заклепками. Кроне толщины обшивки в пакелях варьировалась марка алюминиевого сплала для уголков. Для панелей с обшивками толшиной 1,5 мм бып принят термический не упрочняемый сплав АМц, а для панелей с обшивками толщиной 1 мм - термически упрочняемый сплав Д16-Т. В процессе исследований имитировался наиболее неблагоприятный для работы панелей монтажный режим, в котором помимо активной ветровой нагрузки 0,3 кПа действует со стороны внутренней обшивки отрицательное давление 0,2 кПа". Разрушающие нагрузки для панелей колебались от 1,95 кПа (панель с уголками из сплава Д16-Т) до 1,33 КПа. Прогибы находились в интервале: при нагрузке 0,5 кПа -от 1/191 до 1/272 пролета, при нагрузке 0,7 кПа - от 1/131 до 1/184 пролета, что значительно меньше требуемых по СНиП 1/125 пролета (при нормативной нагрузке 0,5 кПа).

2. УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЛИСТОВ ПРИ СЖАТИИ Н СДВИГЕ.

Исследованиями профилированных листов на различные воздействия и созданием новых типов профилей в нашей стране наиболее активно занимались в ЦНИИПроектстальконструкции (Э.Л.Айрумян, В.Ф.Беляев, С.С.Кармилов, Г.Ф.Сайц и др.) и Теплоэлектропроекте

(Ю.К.Тринмер, П.М.Свердлов). Основные работы по анизотропным пластинкам среди наших ученых принадлежат С.Г.Лехницкому, за рубежом - Е.Зейделю. В авиации исследованиями, связанными с анизотропными, в том числе гофрированными, пластинками занимались Л.И.Балабух, А.А.Подорожный и др., в судостроении - П.Ф.Папкович, М.Ф.Филиппео и др. (следует отметить, что соотношение размеров профилированных листов, используемых в строительстве, резко отличны от применяемых в авиации и судостроении). Закритическому поведению изотропных пластинок при сжатии посвящены работы Т.Кар^ мана,'Г.Кокса, Г.Г.Ростовцева, Б.М.Броуде м др.

2.1. УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЛИСТОВ ПРИ СЖАТИИ.

В расчетах профилированного листа на изгиб по балочной схеме принимается, что полки работают как бесконечно длинные опертые пластинки: верхние на сжатие, а нижние - на растяжение. Исключение составляют только надопорные участки неразрезных балок. Характерным для сжатых тонких пластинок, опертых по контуру, является их способность после потери устойчивости воспринимать нагрузку, значительно превышающую критическую (закритическая стадия работы). В этом случае в критическом состоянии выпучивается лишь средняя часть пластинки; крайние участки, связанные с опорными закреплениями или продольными ребрами, практически остаются прямолинейными и имеют возможность воспринимать нагрузку значительно больше критической. Следовательно, после потери устойчивости распределение напряжений по поперечному сечению пластинки становится неравномерным - большие по краям и меньшие пси-середине

(рис. 5, а). Эту неравномерную эпюру напряжений можно заменить

- ' V

эквивалентной ей фиктивном с постоянным напряжением на некотрой

приведенной ширине 2с < Ь (рис. 5, б), т.е. считать, что после

потери устойчивости пластинка работает как плоский (не потерявший

устойчивости) элемент шириной 2с, остальная часть листа считается

нерабочей.

Выражение для определения ширины было получено Т. Карманом из формулы для критических напряжений бесконечно длинной опертой пластинки, в которой ширина пластинки Ь заменяется приведенной шириной 2с:

где Ь - толщина пластинки; Е -модуль упругости; бтах - максимальные краевые напряжения.

Формула (12) отражает качествен!,ую, а для большинства случаев и количественную сторону закритической работы пластинки.

Если рассматривать работу профилированных листов целиком, то при исследовании устойчивости при сжатии к ним следует подходить как к ортотропным пластинам. Используя подход Кармана, учитывая упруго-пластическую стадию работы материала (физическую нелинейность), и считая, что краевые напряжения достигают предела текучести материала • бт , (для алюминиевых сплавов - условного предела-текучести б0 2), можно получить формулы, определяющие приведенную ширину 2с:

для удлиненной пластины (пракч'ически уже при отношении длины пластины к ширине а/Ь > 3):

/2-е-К /-

2с = % I/ - (|/Ьх'0у + оху) ; (13)

, V бт • 1 • а

для пластины конечных размеров (а/Ь < 3):

0 ■ К ( Ь:

г

2с = 71 / -- Б*-— ♦ 20ху + ру-Н , (14)

| V 6-1-а I а2 Ьг

где и Оу - цилиндрические жесткости пластины на изгиб соответственно в направлении и поперек волны (гофра); Сху - то же при кручении; t - толщина пластины; Кис?- шаг и длина по периметру одной полуволны.

Коэффициент 8, введенный в формулы (13) и (14), учитывает упруго-пластическую стадию работы материала. На основании экспериментальных исследований было принято, что этот коэффициент должен определяться касательным модулем. Видимо, объясняется это тем, что после потери устойчивости своей средней частью ортотроп-ная пластина приближается к сжатому стержню, для которого в упруго-пластической стадии вводится касательный модуль. Отметим, что в случае алюминиевых сплавов для определения 9 учитывалась криволинейная диаграмма Вайнхольда.

В ряде случаев при крупном гофре и малой толщине листа .оказывается необходимой проверка местной устойчивости гофра. Для её проверки профилированный лист с волнистым гофром удобно представить в виде системы незамкнутых цилиндрических оболочек, иарнирно

соединенных друг с другом, и местную устойчивость проверять по формулам для сжатой цилиндрической панели. Трапециевидный гофр расчленяется на ряд плоских пластинок; при этом, когда их ширина различна, учитывается упругое подкрепление кромок пластинки большей ширины со стороны пластинки меньшей ширины. Критические напряжения следует определять по формулам для сжатых изотропных пластинок. Используя взаимосвязь устойчивости профилированного листа в целом с местной устойчивостью гсфра подбирается наиболее эффективная форма гофра при работе на сжатие.

Повышение критических напряжений (а вместе с этим и приведенной ширины) для профилированного листа может быть достигнуто путем постановки поперечных ребер. При достаточной жесткости они делят ортотропную пластину (профилированный лист) на ряд самостоятельно работающих пластин меньшей длины. Требуемый для этого мб-мент инерции поперечного сечения ребра определяется иэ условия равноустойчивости отсека ортотропной пластины (часть пластины между поперечными ребрами) и всей пластины с учетом подкрепления её поперечными ребрами. Момент инерции ребра »7д ^ определенный из эгих предпосылок, выражается следующей формулой:

охь4

¿3 " -Г" (15)

4 а

где а и Ь соответственно длина и ширина отсека; «7Х - момент инерции волны (гофра) на единицу длины.

Если реально имеющиеся ребра жесткости имеют «73 меньше величины, полученной из формулы (15), то цилиндрическая жесткость 0у (поперек гофра) определяется по формуле

К Е-Г3 Е-ав

? (16) а 12(1-V2) а Указанное значение Оу следует подставлять в формулы (13) и (14).

Проведенные теоретические исследования проверялись экспериментально. В качестве первых опытных образцов принимались замкнутые трехгранные стержни из алюминиевых профилированных листов длиной от 1 м до б м и с шириной до 625 мм.' Общая устойчивость проверялась на волнистых листах толщиной 1,2 мм, высота волны 35 мм, шаг волны 125 мм. Местная устойчивость трапецеидального гофра на листах толщиной 1,2 мм, высота волны 80 им., шаг волны 174 мм.

Всего было испытано 8 трехгранных стержней, из них на одном

проверялась местная устойчивость трапецеидального гофра. Испытания показали достаточно хорошее совпадение экспериментальных данных с теоретическими (рис.6), причем расчетные формулы в основном дают некоторый запас. Отношение предельной нагрузки, полученной экспериментально, к теоретической колебалась в пределах 0,99...1,2.

Следующая серия экспериментальных исследований проводилась на'алюминиевых крупных моделях реальных конструкций и также на алюминиевой кровельной панели в натуральную величину (3x6 м). Экспериментально исследовались:

1) трехгранный замкнутый стержень длиной 3 м с гранями из волнистых листов, подвергнутый воздействию поперечной нагрузки;

2) модель двухскатного" покрытия со стальной затяжкой пролетом б м (имитация покрытия лабораторного корпуса пролетом 90 м); поперечное сечение элемента покрытия - замкнутый трехгранный стержень с гранями из волнистых листов;

3) кровельная-панель из серии панелей, изготовленных для перекрытия лабораторного корпуса.

Результаты исследований подтвердили возможность расчета конструкций с использованием методики, представленной выше. Расхождения экспериментальных данных с теоретическим не превышали 10%.

Исследования стальных профилированных листов по балочной схеме подтвердили, что несмотря на потерю устойчивости верхней (сжатой) полкой, лист продолжает нести все возрастающую нагрузку, т.е. подтверждается закритическая стадия работы верхней пйлхи. Эпюра напряжений (рис. 7) наглядно показывает неравномерность распределения напряжений. Испытания крупноразмерных панелей с применением профилированных листов также подтвердили закритичсс-кую работу как листа в целом, так и его сжатых верхних полок (см. гл. 3) .

2.2. УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЛИСТОВ ПРИ СДВИГЕ.

Во многих конструкциях с применением профилированных листов этот лист работает на изгиб в своей плоскости. Особенно опасна его работа как ортотропной пластинки на сдвиг.0

. Теоретически задача решалась как в линейной постановке, так

и в нелинейной, учитывающей геометрическую нелинейность. Как известно, нелинейная задача дает возможность выявить соотношение между верхним и нижним критическим напряжением, что представляет основной интерес для практики.

При решении задач в линейной постановке использовалось дифференциальное уравнение изогнутой серединной поверхности ортот-ропной пластинки толщиной t:

34w d4w a"w э2"

Dx--+ 2DXy " - + Dy • -- = 2T--, (17)

ъ x4 Эх2-а уг byi Зх-Эу

где а и b - соответственно длина и ширина пластинки толщиной t;

Т - сдвигающее усилие (рис. S).

Граничные условия пластинки - шарнирное опирание. Им можно удовлетворить, аппроксимируя прогиб в виде двойного тригонометрического ряда:

mTlx пЛу

W = Z I An,n-sin--sin --(18)

m " a b

Задача решается приближенно методом Ритца-Тимошенко. В получаемой, в результате решения дифференциального уравнения (17), системе линейных уравнений из трех значений жесткостей с незначительной погрешностью можно оставить только одно Dx. В третьем приближении (сочетание индексов 1, 2, 3 и 4) получаем выражение для определения критических напряжений:

Л4 Dx • b

Ткр = 0-13--— (19)

t-a3

В нелинейной постановке решается задача об устойчивости изотропной пластинки, имеющей начальную погибь в виде волнистого гофрирования (рис. 8). В этом решении используются уравнения неразрывности деформаций и равновесия для пластинки, имеющей начальное искривлзние:

Г(А!М2 ¿2w э2" Э2 wq Э2" i

V4 Ф = Е -1 ----------! (20)

LUx 3y; "Зх2 эу2 эУ2 Эх2 j

Чэ2,р эг" . э2ф а2ф э2" a2wo2¿)2^ = _ ----. 2---+———.—¡ (21)

D 1Эу2 дхг дх-Ъу Эх■ Эу дхг Ьуг Ьуг 0Х2) Здесь обозначено : Ф -функция напряжений; D - цилиндрическая

жесткость изотропной пластинки; V - оператор Лапласа.

Уравнение кривой по осевой линии гофра (волны) примем в виде:

Яку

w0 = f0 sin - , (22)

b

где к - целое число полуволн ; f0 - высота полуволны.

Для шарнирно опертой пластинки краевым условиям можно удовлетворить, аппроксимируя прогиб в виде первых двух членов тригонометрического ряда:

7ÍX Лу 2 Лх 2Лу

W = fjj -sin - • sin- + f22 -sin- -sin-. (23)

a b a b

Задача решается методом Бубноьа-Галеркина. В результате получаем систему двух нелинейных уравнений, содержащих неизвестные параметры fjj и f22 . Вводя дополнительные обозначения:

b fll 2 . f0 . . Х

П = —; — = X, : -= 4 ; -- t0: f =-- (24)

a t t t ü Е- tz Эти уравнения приводим к виду.

С, . С, С, 32Т*

1) X3. - + U2ic2 + I—— - — + 4"

4 48(1-V2) " 16 9JT1

Cj С, 32Т*

2) - + 14 4Сг + i-2— - Ц,20С5 ♦ Xr ^

4 48(1-1Г) 9JT5

(25)

где , С2 .. . , С5 - некоторые функции Т\ и к.

Отбрасывая неизвестные высших порядков из (25), получим систему линейных уравнений.

Если параметры ^ и Г22 отличны от нуля, то определитель этой системы линейных уравнений равен нулю, откуда получаем условие для определения Т* и, затем, верхнего критического напряжения.

Введем параметр Ч* =С/£ • Исключая Т* из уравнений (25) полу-, чим биквадратное уравнение относительно Ч':

С^2^ .- 4к20С4 - Ь2+64420С5 - 16СД2 - « 0 (26)

1 3(1^ )■' . 3(1-^ )

Таким образом, устанавливается зависимость между параметрами

| и Задаваясь при определенных значениях и к находим Ч', а затем Т".. Минимальное значение Т" при действительных корнях биквадратного уравнения (26) определяет нижнее критическое напряжение.

Полученные значения верхнего и нижнего критического напряжения позволяют определить насколько нижнее критическое напряжение

Т„ снижается по сравнению с верхним Тв. Было выявлено, что относи

шекие К,, =- = 0,647 0,688, го есть мало зависит от параметров

Л Х»

Т\, к и Для практических расчетов его можно принять равным

/Сн = 0,65.

Сопоставление критического напряжения, получаемого в первом приближении из линейного решения (сочетание индексов 1 и 2), с верхним критическим напряжением из нелинейного решения показало, что они очень близки. Следовательно, гофрированный лист можно рассматривать как ортотропную пластинку, считая получаемое из линейного решения напряжение верхним критическим. Для перевода его в нижнее критическое можно воспользоваться соотношение между верхним и нижним критическим напряжением, получаемым из нелинейной задачи, то есть в формулу (20) ввести коэффициент Кн < 1.

При рассмотрении местной устойчивости гофра при сдвиге профилированный лист, как и в случае сжатия, приводится к системе из незамкнутых цилиндрических оболочек или изотропных пластин, каждая из которых подвержена воздействие сдвигающих усилий. Было выявлено, что у листов с гофром криволинейного очертания местной потери устойчивости опасаться не следует. В случае трапецеидального гофра она является решающим фактором почти во всех случаях. Поэтому при проведении экспериментов на пластинках с гофром в виде трапеции основное внимание удалялось проверке именно мастной устойчивости гофра.

Экспериментальные исследования проводились на гофрированных алюминиевых листах с различными размерами и конфигурацией гофра, заключаемых в жесткую рамку с шарнирами в углах.

Гофрированный лист, заключенный в жесткую рамку, подвергался воздействию сдвигающих усилий следующим образом: к шарнирам, расположенным по диагонали, прикладывалось растягивающее усилие, которое приводило в направлении другой диагонали к сжимающим усилиям, а в целом гофрированный лист оказывался подверженным сдвигу.

Листы с волнистым гофром, на которых исследовалась' устойчивость пластинки при сдвиге, имели толщину 1,2 мм, высоту волны 35 мм и шаг 125 мм.

Местная устойчивость трапецеидального гофра проверялась на листе толщиной 0,а мм (высота гофра Ь = 37 мм, шаг 2К = 97 мм).

1,0 ми (Ь = 60,5 мм, 2К = 124 мм), 1,2 ММ (Ь » 30 мм, 2К ■= 174 мм) и 1,5 мм (Л = 80 мм, 2К = 174 мм).

Всего было испытано 19 образцов, размеры сторон которых изменялись в пределах от 50 до 89 см, а количество полуволн по ширине ОТ 7 ДО 14.

Эксперименты показали, что действительные критические напряжения оказываются несколько ниже, чем теоретически вычисленные нижние критические напряжения, причем несоответствие зависит от отношения размеров пластинки.

В связи с этим в формулу (19) для определения нижнего критического напряжения следует ввести поправочный коэффициент К0 < 1, меняющийся в зависимости от отношения ширины пластинки к длине в пределах от 0,58 до 0,81.

Для практических расчетов с определенным запасом этот коэффициент было решено принять равным К0 = 0,5 и формула (19) приняла следующий вид

Ж20хЬ

"[¡<р =0,042-— (27)

а

Исследования подтвердили значительную деформативность гофрированного листа при сдвиге по сравнению с плоским листом. Степень деформ^тивности определяется высотой гофра: чем выше высота, тем больше', деформативность гофрированного листа. В расчетах деформативность может быть учтена делением модуля сдвига б на коэфициент Кй > 1, определяемой из табл. 1.

| Таблица X

| Поправочный коэффициент для модуля сдвига

Высота волны 35 50 65 80

' КС 4,5 6 8,5 12

Повышенная деформативность гофрированного листа при сдвиге является одной из причин, по которой во всех случаях экспериментальные данные должны оказываться ниже теоретических, так как она приводит к быстрому нарушению прямолинейнности гофра, что в теоре тических подсчетах не учитывалось.

При сдвиговых исследованиях стальных профилированных листов степень его деформативности по сравнению с плоским листом оцени-

валась величиной, характеризующей абсолютное смещение профилированного листа от единичного сдш1гаю1дего усилия.

Результаты исследований устойчивости профилированного листа при сжатии и сдвиге легли в основу расчета кровельных металлических панелей с применением профилированного листа (см.гл.З).

3. СТАЛЬНЫЕ КРОВЕЛЬНЫЕ ПАНЕЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОФИЛИРОВАННОГО ЛИСТА

3.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КРОВЕЛЬНЫМ ПАНЕЛЯМ.

К моменту освоения серийного производства стального профилированного листа в СССР был накоплен большой опыт крупнопанельного строительства из сборного железобетона. Наличие крупных заводов строительной индустрии, оснащение строительства соответствующими монтажными механизмами, отработанная технология монтажа и транспортировки крупноразмерных изделий - все это способствовало впервые в нашей стране созданию крупногабаритных панелей с применением стального профилированного листа.

Применение профилированного листа в составе крупногабаритных панелей размером до 3x12 м не только вносит качественные изменения в методы возведения покрытия, но и влияет на конструктивные решения несущих конструкций.

Панели из профилированного листа, называемые комплексными панелями покрытия, представляют собой конструкции полного заводского изготовления. Панели состоят из каркаса - элементов, обеспечивающих работу В пролетах б или 12 м, т.е. соответствующих шагу основных несущих элементов зданий, профилированного листа и па-ро-тепло-гидроизоляции.

Основной конструктивной схемой покрытий при комплексных панелях является беспрогонная схема, аналогичная решению пок'рытий при железобетонных панелях.

Требования, предъявляемые к кровельным панелям с применением профилированного листа, можно свести к следующим:

1) минимальный расход стали;

2) высокая степень заводской готовности;

3) технологичность изготовления конструкций;

4) максимальные размеры панелей по условиям поставки кокс-

трукций железнодорожным транспортом;

5) минимальная высота панелей для повышения степени загрузки транспортных средств;

6) транспортная и монтажная жесткость и прочность панелей;

7) минимальная трудоемкость работ на строительной площадке как по подготовке панелей к монтажу, так и собственно монтажа;

8) минимальное количество типоразмеров.

При создании панелей было необходимо максимально использовать несущую способность "и жесткость профилированного листа для совместной работы с несущими элементами панелей, а также йобс-, твенную жесткость панелей для обеспечения неизменяемости покрытия в целом.

3.2. КОНСТРУКЦИЯ КРОВЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ.

Балочные панели со сквсЙ?шми прогонами - типа ПС - наиболее массовая конструкция, широко применяемая в энергетическом строи-

I

тельстве. Впервые такие панели были применены на главном корпусе Ладыжинской ГРЭС. Панель решена в виде сварной рамы, состоящей из

продольных прогонов, к которым привариваются поперечные элементы.

!

Продольные прогоны с постоянной высотой 400 мм приняты в виде сварных ферм, собираемых из одиночных уголков. Поперечные элементы из .швеллеров располагаются с постоянным шагом 3 м, по ним укладывается профилированный лист, который прикрепляется к продольным прогонам и поперечным элементам самонарезающнми болтами (рис. 9). Для повышения экономичности панелей этого типа при различных нагрузках .применяются профилированные листы различной несущей способности..

Предварительно-напряженные шпренгельные панели (типа ППН). Шестиметровые панели балочного типа с прогонами как из прокатных, так и из гнутых профилей не конкурентоспособны по расходу стали с решениями покрытия при полистовой сборке или конвейерном монтаже. Требования индустриализации строительства при сохранении минимального расхода стали были удовлетворены при создании шпренгель-ных предварительно-напряженных панелях.

Принципиальное отличие# этих панелей от всех других конструкций состоит в том, что профилированный лист используется не только как ограждающая конструкция, но и является единственным

элементом верхнего пояса шпренгельной системы, работающей на пролете 6 м. Совместная работа достигается за счет применения жестких торцевых балок, распределяющих усилия от предварительно-напряженных стержней нижнего пояса шпренгельной системы равномерно по всему поперечному сечению профилированного листа. Стержни нижнего пояса из арматурной стали диаметром 14-16 мм располагаются рассосредоточенно по ширине панели (рис. 10).

Панели изготавляются заводским способом с механическим натяжением арматурных стержней. В процессе изготовления профилированному листу панели задается обратный выгиб, что позволяет увеличивать предельный прогиб панели при эксплуатационной нагрузке.

Панели со складывающимися и съемными шпренгелями (типа ПШ и . СПМА). Панель со складывающимися шпренгелем - типа ПШ - имеет высоту шпренгеля в эксплуатационном положении 1 м (рис. 11). Шпрен-гельная система образуется из четырех треугол^ых элементов, шар-нирно прикрепляемых к раме верхнего пояса, и одного прямолинейного элемента, устанавливаемого в средней части панели. К раме верхнего пояса крепится профилированный лист.

Для экономии стали и обеспечения оптимальной работы нижнего пояса на отрицательные усилия все элементы шпренгеля, кроме верхней рамы, выполняются из труб. Обвязка сваривается из стальных гнутых профилей, что также дает снижение расхода стали по сравнению с прокатными профилями.

.Низкий удельный расход стали на конструкцию панели, минимальные транспортные габариты-высота 450 мм, простота сборки все это определило широкую область применения' панелей типа ПШ.

Предшсственицей панели типа ПШ была шпренгельная панель со съемным шпренгелем (типа СГ1ША - рис. 11), имевшей аналогичную конструкцию, но вместо труб для шпренгеля было применено коробчатое сечение из уголков. Однако, как показал опыт сборки таких панелей, трудоемкость укрупнения была достаточно высокой, в связи с чем ¡¡/пренгельные панели со съемным шпренгелем не получили широкого распространения.

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАНЕЛЕЙ.

'Дели и содержание исследований. При экспериментально-теоретическом исследовании панелей использовались результаты изучения

действительной работы стальных профилированных листов и их соединений (си. гл. 2); некоторые исследования по профилированным листам, такие, как работа на скатную составляющую, несущая способность многоболтовых соединений, проводились специально для обоснования конструкций некоторых типов панелей.

Исследования по их направленности и значимости можно подразделить на:

а) общие для всех основных типов панелей: балочных и шпре-гельных, с предварительным напряжением и без него;

б) специфические.для различных типов панелей.

К общим вопросам, на которые были получены ответы в результате проводимых испытаний, относятся:

1) несущая способность профилированного листа в направлении наименьшей жесткости для обеспечения устойчивости продольных прогонов;

2) совместная работа на сжатие профилированного листа с верхними поясами (полками) прогонов;

3) степень участия профилированного листа в восприятии скатных усилий, действующих на панель;

4) сдвиговая жесткость панелей для возможности ее учета в

I

жесткости диска покрытия в целом;

особенности работы профилированного листа в составе пане-

I

леи в,;связи с неравномерными осадками опор.

В предварительно-напряженных шпренгельных панелях исследовались : |

X) характер распределения сжимающих усилий от предвари^-тель-

I

ного ^атяжения в торцевых зонах профилированного листа;

3) оптимизация конструкции торцевых балок, передающих усилия предварительного натяжения на профилированный лист;

3) работа многоболтовых соединений в составе панели;

4) влияние предварительного выгиба на общую деформативность

I

панели.

При исследованиях шпренгельных панелей без предкапряжения особое внимание уделялось:

3.) работе панелей на отрицательное давление ветра и связанному с этим выбору•сечения нижних поясов шпренгельной системы;

2) податливости болтовых соединений>в панелях со складывающимися шпренгелями'.

Ниже приводятся обобщенные результаты испытаний по перечисленным направлениям.

Устойчивость сжатых поясов (полок) продольных прогонов. Экспериментальные исследования серии панелей различной несущей способности, имеющих существенно отличные сечения верхних поясов продольных прогонов (от Ь 100x63x7 до Г. 160x100x14), позволили исследовать горизонтальную жесткость листа при изменяющейся поперечной нагрузке. Это связано с тем, что горизонтальные силы, действующие на лист, пропорциональны площади поперечного сечения верхних поясов продольных прогонов (как условная поперечная сила в сжатых составных стержнях).

Анализ результатов исспытаний различных типов панелей позволил установить следующее.

Несущая способность профилированного листа в горизонтальной плоскости в направлении минимальной жесткости достаточна для обеспечения устойчивости сжатых поясов и верхних сжатых полох продольных прогонов. Это положение справедливо для вага поперечных элементов 3-4 м при поперечных сечениях сжатых поясов подкрепляемых элементов до 3 5 см2. На основании этого в расчетах сквозных и сплошных прогонов коэффициенты продольного изгиба принимаются равными единице, т.е. при проверке прочности сечения в горизонтальной плоскости сжатый элемент считается непрерызно подкрепленным.

Оптимальный шаг крепления профилированного листа к продольным прогонам равен 300 мм. При таком шаге местный изгиб поясов прогонов и их кручение от передающейся непосредственно на прогоны вертикальной нагрузки минимальны; также незначительны дополнительные сжимающие напряжения в профилированном листе. В связи с этим указанные побочные явления не оказывают влияние на несущую спосЬбность панелей и в расчетах не учитываются.

Совместная работа профилированного листа и верхнего пояса прогона■ Экспериментальными исследованиями было установлено, что совместная работа на изгиб составного сечения из пркатного профиля и профилированного листа, даже при их надежном соединении с учащением шага болтов до 50 мм, наблюдается только при сравнительно невысоком уровне напряжений. При напряжениях сжатия в крайних (верхних) полках листа выше 70-90 КПа происходит выключение профилированного листа из совместной работы из-за потери

местной устойчивости на участке между болтами и поперечная нагт рузка начинает восприниматься только прокатным прогоном. При этом профилированный лист не разрушается, что объясняется податливостью болтовых соединений и деформативностью поперечного сечения.

Сдвиговая жесткость панелей■ Использование собственной сдвиговой жесткости панелей является резервом для снижения металлоемкости покрытий.

Исследованиями профилированных листов были установлены параметры их сдвиговой жесткости в горизонтальной плоскости; при переходе к панелям предполагалось, что в сочетании с каркасом и с учетом крепления листа не только к поперечным, но и к продольным прогонам сдвиговая жесткость панелей будет достаточно высокой для самостоятельного учета в системе связей покрытия в целом.

На сдвигающие усилия в горизонтальной плоскости испытывалось

¡у

большое количество панелей, как балочных, тьк и шпрегельных; в результате испытаний установлено следующее.

Панели обладают значительной сдвиговой жесткостью от 2,8 до 3,4 кН/см (сдвиговая жеёкость определяется силой, при которой горизонтальная деформация равна 1 см). Сопоставление суммарной сдвиговой жесткости панелей, установленных в одном пролете здания, с жесткостью системы горизонтальных связей показывает, что при панельном решении можно не увеличивать количество горизонтальных связей по верхним поясам ферм без снижения эксплуатационных качеств покрытия.

Сдвиговая жесткость панелей в основном определяется работой профилированного листа, прикрепляемого по контуру к каркасу панели. Собственная жесткость каркаса панелей различных типов невелика и не играет самостоятельной роли в работе конструкций на сдвигающие усилия.

Восприятие скатной составляющей вертикальной нагрузки. Скатная составляющая вертикальной нагрузки при уклонах кровли 1:10 и 1:8 при расположении прогонов над верхними поясами несущих конструкций пс:срытия оказывает существенное влияние на металлоемкость прогонов в связи с появлением в них дополнительных моментов. Предполагалось, что в составе панелей продольные пропоны будут испытывать лийь незначительное влияние скатных нагрузок, основная

часть будет воспринята профилированным листом.

г*

Экспериментальная проверка этого положения проводилась при

испытаниях большинства панелей. Тщательный анализ экспериментальных данных показал, что профилированный лист практически полностью воспринимает скатные нагрузки за счет собственной жесткости в горизонтальной плоскости. Разница в напряжениях в верхнем и нижнем (по скату кровли) продольных прогонах составляла максимально 8%, т.е. увеличение усилий по отношению к горизонтально расположенной панели не превышало 45».

Особенности работы профилированного листа в составе панели. Профилированный лист в составе панели воспринимает вертикальную нагрузку, скатные и сдвигающие усилия, выполняет роль элемента горизонтальной жесткости продольных прогонов, воспринимает часть сжимающих усилий верхних поясов прогонов. При этом расчетная схема профилированного листа на действие вертикальной нагрузки'не эквивалентна балочной схеме, принятой в расчетах обычных прогонных покрытий. В связи с этим при исследовании всех панелей проводился анализ напряжений и деформаций профилированного листа, который показал следующее:

а).Неравномерная осадка опор профилированного листа не оказывает влияния на напряжения и прогибы от вертикальной нагрузки.

б) Кручение крайних поперечных прогонов при уста-новке самонарезающих болтов в каждом гофре не оказывает заметного влияния на напряжения и прогибы профилированного листа, загруженного вертикальной нагрузкой.

в) Поперечный изгиб профилированного листа, работающего по схеме опертой по четырем сторонам ортотропной пластинки, не оказывает отрицательного влиян.ия на напряженно-деформированное состояние всей панели и ее элементов.

Таким образом, сложная пространственная работа профилированного листа в составе панелей на одновременное воздействие вертикальных и горизонтальных нагрузок не ведет к ухудмению его показателей по сравнению с работой по балочной схеме.

Исследопдкие панелей типа ПС на вертикальную нагрузку. Исследуемая серия состояла из панелей марок ПС12-3-1 и ПС12-3-4, имеющих принципиально одинаковое конструктивное решение, но отличающихся по расчетной несущей способности: панель ПС12-3-1 была рассчитана на нагрузку 2,3 кПа; ПС12-3-4 - на нагрузку 5,6 кПа.

В результате исследований было установлено, что нарастание прогибов панели в середине и четверти пролета происходило по ли-

нейному закону, только на последний ступенях нагрузки, превышающих расчетную, фиксировалось некоторое отклонение от линейности (рис.12). При нормативной нагрузке прогибы панелей были меньше допустимых и составляли 3,2 см, т.е. 1/380 пролета, для панели ПС12-3-1 И 4,3 см, т.е. 1/280 пролета, для панели ПС12-3-4, допустимый прогиб принимался равным 1/200 пролета т.е. 6 см, для панели длиной 12 м.

¿равнение экспериментальных и теоретических значений прогибов показало, что расчетные прогибы на 10-15% больше замеренных при испытаниях. При выдержке между приложением очередной ступени нагрузки показания прогибомеров не менялись.

Усилия в ■ поясах ферм, вычисленные по значениям измеренных напряжений, в процессе увеличения нагрузки изменялись по линейному закону, оставаясь постоянно несколько меньшими, чем теоретические значения, очевидно, в связи с включением части профилированного листа в совместную работу на сжатие.

На рис. 13,а и 13,6 приведены эпюры напряжений в профилированном листе панели ПС12-3-4. Они подтверждают закритическую работу |<ак профилированного листа в целом, так и его верхней сжатой полки|(см. гл. 2). Напряжения в профилированном листе достигали в середине пролета среднего отсека в верхней сжатой полке 159 МПа,

I ■

в нижней растянутой полке 127 МПа. Прогиб профилированного листа не достигал допустимых значений 1/150 пролета.

I

Коэффициенты запаса прочности для испытанных панелей были довольно высоким: . для панели ПС12-3-1 отношение разрушающей нагрузки) (с учетом собственного веса) к расчетной составило 1,62;

I

для панели ПС12-3-4 коэффициент запаса был равен 1,28.

Испытания панелей типа ППН. В предварительно-напряженных шпренгельных панелях типа ППН профилированный лист является единственным элементом верхнего пояса шпренгельной системы, т.е. находится в сложном напряженном состоянии продольного сжатия в сочетании с поперечным изгибом. При таких условиях работы коне-, трукции потребовалось проведение большой серии исследований для выбора оптимальных параметров конструкции: высоты шпренгеля, степени предварительного натяжения, выгиба панелей и т.п. Всего было испытано 12 панелей высотой 230, 260 и 380 мм.

В экспериментальных панелях предварительное напряжение создавалось с помощью специальных натяжных приспособлений (фархоп-

фов), что позволяло с достаточной степенью точности контролировать этот процесс. Получены следующие минимальные предельные нагрузки с учетом собственного веса:

при высоте панели 230 мм - около 3,5 кПа, т.е. коэффициент запаса по отношению к расчетной нагрузке (за которую принималась нагрузка 1,9 кПа) равен 1,85;

при высоте панели 260 мм - 6,3 кПа (коэффициент запаса по тоношению к расчетной з кПа -2,1);

при высоте панели 380 мм одна из панелей не была разрушена и оставалась под нагрузкой 11 кПа в течение 4 мес., после чего была разгружена; во второй при нагрузке 8,1 кПа произошел срез болтов, которые прикрепляли профилированный лист к торцевому элементу, т.е. коэффициент запаса составляет 1,43.

Испытания панелей типа ППН выдвинули самостоятельную задачу - исследование несущей способности на срез многоболтовых соединений профилированных листов с прокатным профилем.

На основании результатов экспериментов было рекомендовано для расчета соединения на двух самонарезающих болтах при работе на срез за расчетное усилие принимать 9000 Н.

Представляют интерес зафиксированные прогибы при нормативной нагрузке. Прогибы отличались во всех панелях большим разбросом: посередине пролета они составляли от 19 до 37 мм (т.е. от 1/316 до 1/162 пролета), а в третях пролета от 17 до 32 мм (от 1/354 до 1/'87). Во всех случаях прогиб замерялся от положения настила, полученного после преднапряжения. Если же измерить прогибы от линии опорных частей (без учета обратного выгиба), картина существенно изменится: посередине пролета от 9 до 28 мм (от 1/670 до 1/215), в третях - от 14 до 24 мм (от 1/430 до 1/250).

Столь большой разброс результатов испытаний объясняется тем, что усилия предварительного напряжения шпренгелей менялись с целью определения его оптимального значения.

При найденном оптимальном значении предварительного напряжения прогибы посередине панелей находились в интервале от 1/250 до 1/200 пролета (при их измерении от положения настила пойле предварительного гнапряжения).

При расчете панели исходили из особенностей работы торцевых элементов и настила. В процессе нагружения наблюдались деформации торцевых уголков в местах присоединения к ним тяжей ипренгеля. В

связи с этим работу торцовых элементов рассматривали как работу балок на упругом (винклеровон) основании.

Податливость тяжей приводит к дополнительным деформациям (опусканию) стоек ыпренгеля, поэтому их работу приравнивали к работе упругих опор. Таким образом, верхний пояс шпренгельной системы (профилированный лист) рассчитывали как внецентренно сжатый элемент пролетом -6 м с двумя упруго-податливыми опорами в третях пролета. При указанной расчетной схеме панели совпадение экспериментальных и теоретических данных было вполне удовлетворительным (расхождение в пределах 15%).

Работа шпренгельных панелей на отрицательное давление ветра. Возникающие вследствие небольшого собственного веса конструкций суммарные отрицательные (направленные вверх) нагрузки от ветра оказали существенное влияние на конструктивное решение панелей. Как показали расчеты, применение для нижних поясов шпренгельной системы открытых профилей из уголков приводит к значительному перерасходу стали из-за необходимости обеспечения устойчивости элементов при их работе на сжикающие усилия. В свуГзи с этим в панелях СПША были приняты сврные коробчатые сечения нижних поясов из двух уголков, а в панелях типа ПШ - из труб; как показали эксперименты, такие сечения оказались достаточно устойчивыми при работе на сжатие.

Работа болтовых соединений. Определение остаточных деформаций и напряжений, возникающих в узлах из-за податливости болтовых соединений, были одними из основных вопросов, изуч«вщихся при исследовании всей серии шпренгельных панелей без преднапряже-ния. При изготовлении опытных образцов панелей и отработке Технологии серийного изготовления гроводилось детальное изучение параметров таких соединений, а именно: допустимого зазора, маркй стали для болтов, степени закручивания болтов, конструктивного оформления узлов в части постановки дополнительных усиливающих пластин, минимальной длины резьбы и т.д.

Было установлено, что из-за податливости соединений напряжения и деформации не стабилизировались непосредственно после приложения нагрузки, как это имело место во всех панелях сварной конструкции, а продолжали нарастать длительное время (до 20 ч.)¡увеличение окончательных значений по отношению к первоначальным доходило до 30S5. г

Исслодоппние тпрснгельных панелей тигга СПША и ПШ на вертикальные нагрузки. Экспериментальные исследования панелей СПША проводились в перевернутом положении с помощью пневмомешков. Панели испытывались на действие нагрузок, приложенных на половине панели как в продольном, так и в поперечном направлении, на отрицательное давление ветра, а также на полную вертикальную нагруз-• к у.

Прогиб панелей СПША при нормальной нагрузке, приложенной по всей площади панелей, составил всего 18мм (1/680 пролета),-т.е.испытания подтвердили предполагаемую высокую жесткость панелей шпренгельного типа несмотря на податливость болтовых соединений. Максимальные напряжения в верхнем поясе шпремгельной системы при расчетной нагрузке не превышали 170 МПа и были меньше расчетных. При испытаниях одной из панелей нагрузка была доведена до значения, превышающего расчетное в 2,4 раза.

Панели типа ПШ экспериментально исследовались в проектном положении на те же комбинации нагрузок, что и панели СПША; загру-жение осуществлялось железобетонными блоками.

При исследовании панелей производились трехкратное загруже-ние и разгрузка расчетной нагрузкой для определения значений и выявления характера изменения остаточных напряжений и деформаций, возникающих вследствие выбора зазора в шарнирных болтовых соединениях. При нагрузке и 1,5 раза превышающей расчетную, напряжения в элементах шпренгеля достигали 240 МПа. Разрушение панели ПШ произошло при нагрузке, превышающей расчетную на 52%.

3.4± ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОБЛЕГЧЕННЫХ ПОКРЫТИЙ.

При оценке эффективности покрытий промышленных зданий с при-; менением стального профилированного листа и полимерных утеплителей необходимо комплексное рассмотрение многих факторов. Основными из этих факторов являются:

масса стригельных конструкций покрытий; расход стали на покрытие в целом; трудоемкость изготовления конструкций; транспортирование конструкций;

монтаж конструкций покрытия и кровельные работы.

Кроме этих факторов, поддающихся непосредственному коли-

чественному анализу, на эффективность облегчен!ых покрытии влияют такие обстоятельства, как необходимость создания специального производства для изготовления легких конструкций; влияние местных климатических условий на производство работ и на продолжительность возведения покрытий; дефицитность легких материалов (профилированного листа и полимерных утеплителей); пожароопасность облегченных покрытий; долговечность ограждений и ряд других факторов .

Количественный анализ эффективности конструкций покрытий промышленных зданий приводится ниже (табл. 2) по отдельным показателям в сопоставлении традиционных покрытий с применением сбор-, ных железобетонных панелей и панелей с профилированным листом. Оба типа панелей укладывают по стальным фермам.

Технико-экономические показатели определены из следующих условий:

применительно к покрытию машинного отделения главного корпуса тепловой электростанции пролетом 45 м с шагом ферм 12 м; для III района по снеговой нагрузке (Рн = 1 кПа); комплексные панели приняты шпренгельного типа со складывающимся ипренгелем;

кровля при покрытии из профилированного листа состоит из па-роизол'лции (один слой рубероида), утеплителя из пенополистирола толщиной 50 мм с объемной массой 50 кг/м3 и трех гидроизоляционных слоев из рубероида;

в состав кровли в покрытиии из сборного железобетона включены залавка швов между плитами, пароизоляция из одного слоя рубероида,; утеплитель из пенобетона толщиной 120 мм с объёмной массой 500 кг^м3, цементная стяжка толщиной 15 мм, три гидроизоляционных слоя из рубероида.

: Сравнение технико-экономических показателей Таблица 2

1 Сравниваемые показатели Единица измерения Вид покрытия

облегченное из сборного железобетона

1 2 3 4

1. Касса конструкций:

-панель размером 3x12 м

стропильная ферма . -на 1 м2 покрытия

т т кг

0,9 10,0 72,0

6,8 17,0 391,0

продолжение таблицы 2

Расход стали:

- стропильные фермы кг/м2

- связи, вертикальные и горизонтальные _ "_

- панели покрытий _ "_

- суммарный расход на покрытие _ "_

Трудоемкость изготовления и монтажа на 1 м2 покрытия:

- заводские

- на строительной площадке

- суммарные трудозатраты _ "_

Транспортировка конструкций

- масса перевозимых грузов на

всё покрытие тыс.т.

- количество четырехосных железнодорожных вагонов шт.

- трудозатраты на транспорте чел-дн

чел-ч

и

21

4 28 53

1,65 1,33 2;98

14,0

500 900

36

11 12 59

1,46 3,31 4,77

80,0

1400 4700

Уменьшение собственной массы конструкций дает наибольший эффект для зданий, возводимых в северных и труднодоступных районах, транспортирование строительных конструкций в которые обходится очень дорого и в ряде случаев стоимость транспорта превышает отпускную цену изделия. Снижение массы позволяет почти пропорционально уменьшить стоимость транспортировки; иногда для легких конструкций оказывается целесообразным использование авиационного транспорта (как это имело место при строительстве Билибинской АЭС). Транспортирование легких конструкций железнодорожным, речным и морским транспортом также показало их существенные преимущества как в связи с возможностью в несколько раз увеличить загрузку вагонов и судов, так и из-за упрощения, погрузо-разгрузочных операций.

Снижение массы строительных конструкций ведет к уменьшению нагрузок на каркас и фундаменты зданий, что имеет особое значение при строительстве на слабых и вечно мерзлых грунтах.

Изготовление облегченных комплексных панелей трудоемко. Однако резкое сокращение трудозатрат на строительной площадке в связи с исключением таких трудоемких операций, как устройство цементных стяжек и укладка утеплителя, а также уменьшением объема гидроизоляционных работ ведет к общему сокращению трудоемкости

2

3

4

работ по сравнению с покрытиями из сборного железобетона в 1,6 раза.' Трудозатраты на строительной площадке уменьшаются в 2,5 раза, что особенно важно для районов, где отсутствует квалифицированная рабочая сила.

Наконец, применение легких конструкций покрытия позволило перейти на качественно новые методы монтажа покрытий объемными блоками, состоящими из несущих и ограждающих конструкций (конвейерный метод монтажа).

; Стоимостные показатели различных покрытий в ценах 1984г. приведены в табл. 3.

Таблица 3

Стоимостные показатели покрытий (приведенные затраты)

Стоимость, руб/м2

Виды затрат Комплексные Железобетон-

панели ные панели

Фермы и связи покрытия (изготовление, окраска, транспортирование и монтаж,

включая стоимость конструкций)..............10,54 21,39

Комплексные панели, железобетонные панели (изготовление и транспортирование,

включая стоимость конструкций)................23,35 19,53

Кровельные работы, включая монтаж панелей ................................................................5,12 14,42

Суммарные затраты на покрытие..................38,91 55,34

Следует отметить, что в приведенных показателях принята условная дальность перевозки конструкций 500 км; при увеличении дальности перевозки экономическая эффективность применения легких конструкций резко возрастает.

Сргласно методическим указаниям Минстроя РФ от 30.10.1992 г. (NN.БФ-906/12 и БФ-907/12) текущий уровень цен на строительно-монтажные работы по сравнению с ценами 1984 г. принимается с повышающим коэффициентом. По экспертному прогнозу этот коэффициент на конец 1994 г. может быть принят равным КЭ4 = 1200.

4. СБОРНО—РАЗБОРНЫЕ ЗДАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОФИЛИРОВАННОГО ЛИСТА.

4.1. КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ.

Серийное производство профилированных листов в нашей стране позволило создать принципиально новую конструктивную форму инвентарного сборно-разборного здания производственного и складского назначения, получившего шифр (серия) 2370 - 01"А".

Основным элементом здания служит секция складывающегося типа полной заводской готовности. Габаритные размеры секции в плане 3x12 м, высота 3-6 м. Из соответствующего набора секций можно собирать однопролетные (1x12 м) и двухпролетные (2x12 м) здания неограниченной длины. Здания оборудованы электрическими подвесными кран-балками грузоподъемностью 3,2 т; они могут быть отапливаемыми и неотапливаемыми. Здания рассчитаны на применение до IY снегового и IY ветрового районах с расчетной температурой наружного воздуха до минус 40°С.

Секция собирается из плиты покрытия и двух стеновых панелей, соединенных шарнирно. Плита покрытия состоит из каркаса, который собирается из двух балок увеличенной высоты (из двутавра N 27) и пяти прогонов из гнутых профилей. К каркасу самонарезающими болтами крепится профилированный оцинкованный стальной лист Н60-785-0,8, на который методом термокоитактного прогрева наклеивается парогидротеплоизоляционный блок. Стеновая панель представляет собой стальную раму, состоящую из двух полуколонн (двутавр N 20) и элементов фахверка из гнутых профилей, со встроенными оконными, дверными и воротными проемами, и ограждением типа "сэндвич".

Транспортировка секций к месту монтажа может производится железнодорожным и автомобильным транспортом. Одна панель покрытия и две стеновые панели образуют транспортный пакет. Транспортный пакет комплектуют из трех секций (108 мг производственной площади) . Погрузка с одного транспорта на другой и промежуточное складирование осуществляется также в пакетах. Распакетировку секций производят только в зоне монтажа.

Монтаж секций здания ведется краном грузоподъемностью 16 т. Малые затраты времени на монтаж секций дают возможность произво-

дить сборку здания "с колес". При производстве монтажа снятые с транспорта секции поднимаются краном до выведения стен в вертикальное положение. Раскрытые секции устанавливаются на закладные детали фундамента (ленточного, столбчатого или свайного). Жесткое соединение колонн с продольными балками кровельной панели покрытия осуществляется путем установки на монтаже опорных подкосов. Полуколонны соединяются при помощи болтов, проходящих в полости ■труб, приваренных к стенкам колонн.

Секция .складывающегося типа представляет собой конструкцию полной заводской готовности. Она монтируется за 25 мин с учетом подготовительных работ. На Ростовской ТЭЦ-2 здание длиной 66 м было собрано за две смены бригадой из четырех человек. Внутренний вид здания представлен на рис. 14.

Ряд организаций сетевого строительства бывшего Минэнерго СССР произвели несколько передислокаций зданий, тем самым подтвердив основное их назначение как сборно-разборных.

Опыт изготовления и внедрения сборно-разборных зданий по серии 237О-01"А" выявил ряд ее недостатков. Из-за частой замены прокатного двутаврового профиля N 27 на другие (из-за его дефицитности) имели место перерасход стали и усложение технологии производства.. Кромеотого, выявилась необходимость сопершсиствова-< ния конструкции с целью организации производства её по конвейерной технологии вместо агрегатно-поточной в целях снижения стоимости изготовления. Учитывая вышесказанное и растущую потребность строительства в сборно-разборных зданиях пролетом 12 и 18 м было решено создать унифицированную конструкцию инвентарных Зданий пролетом 1x12 м и 2x12 м высотой 6 м и 1x18 м высотой 8,4м.

В соответствии с расчетами и анализом номенклатуры стальных профилей для унификации был принят гнутый швеллер 250x125x6 мм. В результате была разработана и исследована новая конструкция унифицированного инвентарного сборно-разборного здания секционного типа (УСРЗ) серий 7002 и 7003. Размеры здания в поперечнике: пролеты - 12м,18м, высота соответственно - 6 и 8,4 м. Здакие пролетом 18 м в процессе монтажа (серии 7003) представлено на рис. 15.

.Главные отличия нового здания (УСРЗ) от зданий серии 2370т01"А" следующие:

»

1) основные несущие элементы здания (ригели и стойки) выполнены на базе гнутого швеллера 250x125x6 мм, элементы имеют г

образную форму. Плита покрытия состоит из каркаса, который собирается из двух главных балок 2 - образного сечения с перфорированной стенкой, и второстепенных балок из гнутых швеллеров. Стеновая панель представляет собой раму из двух полуколонн также Л -образного сечения с перфорированной стенкой;

2) для транспортировки зданий пролетом 18 м их по ригелю делят на полусекции и уже эти полусекции собирают в пакеты;

3) жесткое соединение плиты покрытия осуществляется автоматически посредством взаимодействия двух пальцев, жестко закрепленных на ригеле, с фигурными пазами колонн.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ СБОРНО-РАЗБОРНОГО ЗДАНИЯ.

Создание новой конструктивной формы сборно-ргзборного здания секционного типа потребовало решить ряд задач, связанных прежде всего с обеспечением пространственной жесткости каркаса здания. В связи с этим основное Бнимание было уделено экспериментальному исследованию:

продольной устойчивости здания;

поперечной жесткости каркаса;

работе здания на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Исследование продольной устойчивости здания. Применяемые в настоящее время конструкции, как правило, имеют связевой блок, включающий в себя горизонтальные и вертикальные связи, к которому системой распорок присоединяются рамы следующих пролетов. В сборно-разборных зданиях во избежание трудозатрат На объединение ригелей рядом стоящих рам секции соединяются между собой только по колоннам, а распорками служат монорельсы кранового пути, крепящиеся к нижним поясам ригелей.

Учитывая небольшую высоту здания и сравнительно малую величину горизонтальных усилий от подвесной электрической кран-балкн грузоподъемностью 3,2 т, а также жесткость стенового ограждения типа "сендвич" н профилированного листа Нб0-785-0,8 на кровле, обеспечивающих геометрическую неизменяемость каркаса, экспериментальным путем определялась возможность работы здания без связей.

Экспериментальным исследованиям подвергался фрагмент здания в натуральную величину, состоящий из двух секций, одна из которых

является торцевой, а другая - рядовой. Исследования показали, что ограждающие конструкции обеспечивают упругую работу рамы, т.к. продольные деформации здания по своей величине малы и затухают по длине здания; жесткие диски, создаваемые профилированным листом Н60-785-0,8 в кровле и панелями типа "сэндвич" в стенах, обеспечивают работу на сдвиг и геометрическую неизменяемость рамы без установки горизонтальных связей в кровле и вертикальных - в наружных стеновых панелях.

Исследование поперечной жесткости каркаса. С целью упрощения эксперимента нагрузки . прикладывались сосредоточенными усилиями к • опорным йасонкам ригеля. Такое расположение усилий несколько ухудшало работу рамы.

В результате исследований было определено, что колонна имела максимальный горизонтальный прогиб 0,65 см. Это значительно меньше допустимого. Остаточные напряжения не превышали Ъ% от полных.

На основании анализа исследований попнречной жесткости можно сделать следующие выводы:

упругие и остаточные деформации рамы при многократном загру-жении здания практически не возрастали;

правильность выбора расчетной схемы, т.е. подкосы обеспечивают жесткость рамных узлов.

Исследование работы здания на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Исследование работы пространственного каркаса однопролетного здания было осуществлено: на; действие вертикальных нагрузок;

на1 действие горизонтальных и вертикальных нагрузок при приложении максимальной нагрузки от кран-балки у левой колонны.

Вертикальные нагрузки на здание были приняты следующие: снеговая для 1У района, действие кран-балки грузоподъемностью 3,2 т и масса рабочего с инструментом. Экспериментальным исследованиям подвергался фрагмент однопролетного здания в натуральную величину, состоящий из двух витражных секций. Вначале он подвергался воздействию только вертикальных нагрузок, а затем совместному действию вертикальных и горизонтальных нагрузок. Схема загружения (рис. 16) предусматривала передачу на конструкцию следующих расчетных воздействий: .

Я : 2,54 кПа - нагрузка от собственной массы и снега; Р10 = 42,20 кН - максимальное усилие от кран-балки;

P, j = 10,72 кН - минимальное усилие от кран-балки; Р8 = 5,5 8 кН - масса стенового ограждения; Р9 = 1,20 кН - масса человека с инструментом. . Экспериментальные исследования на вертикальные воздействия показали следующее:

максимальный прогиб ригеля от нормативной собственной массы и снеговой нагрузки составил 2,49 см, а от воздействия этих нагрузок и крановой - 3,38 см, что составляет 1/355 пролета здания (допускается 1/250 пролета - 4,8 см);

остаточные деформации быстро затухали, их максимальное значение составило 0,775 см, т.е. 1/1550 пролета здания;

при расчетной нагрузке наибольшие напряжения в стенке составили 194,3 МПа, а в полке в сечении III-III составили 127,4 МПа.

Добавление горизонтальных нагрузок от действия ветра для IY района (активного и отсоса) и поперечного торможения кран-балки грузоподъемности» 3,2 т не привели к заметным изменениям напряженно-деформированного состояния ригеля. В колоннах максимальные напряжения достигли величины 164,3 МПа. Следует отметить, что для упрощения эксперимента ветровая нагрузка прикладывалась сосредоточенными усилиями к опорным фасонкам ригеля. Такое загружение несколько ухудшает работу рамы. Графики прогибов колонны и ригеля в наиболее характерных точках рамы на рис. 17.

Сравнение напряжений' в различных сечениях рамы сборно-раэ-борного здания, полученных при аналитическом расчете на ЭВМ и в результате экспериментов, показало, что расхождение лежат в пределах 9-125». На основании высокого совпадения этих данных можно судить о правильности выбора расчетной схемы.

Определение резерва несущей способности зданий после пятикратной оборачиваемости. После всесторонних исследований здания на продольную и поперечную устойчивость и при действии расчетных вертикальных и горизонтальных нагрузок конструкция была доведена до состояния, при котором напряжения в ряде элементов превысили предел текучести стали. Необходимость загружения конструкции столь большими нагрузками была вызвана тем, что секции складывающегося типа предназначены для инвентарных сборно-разборных зданий, имеющих срок службы 20 лет с учетом пятикратной оборачиваемости .

Экспериментальные исследования были разделены на два типа:

пятикратная сборка, разборка и перевозка конструкции ав-тотранпортом;

загружение конструкции статической нагрузкой по схеме предыдущих исследований до тех пор, пока напряжения в колоннах и ригеле не превысили предела текучести материала бт = 245 МПа (материал рамы - сталь марки ВСтЗпсб).

По результатам испытаний определялось соотношение нагрузок Ри/Рр ■

где Рн - суммарнная нагрузка, при которой напряжения в элементах каркаса здания достигли предела текучести для материала; Рр - суммарная расчетная нагрузка. Эксперименты показали, что соотношение нагрузок, рассматриваемое как средний резерв несущей способности инвентарных сборно-разборных зданий, оказалось равным Ри/Рр = 1,4. При этом соотношении в колоннах напряжения достигли 246,2 МПа, а в ригеле 227,4 МПа.

Исследование работы сквозных колонн на болтовых соединениях

I

ветвей. Инвентарные сборно-разборные здания являются многообора-чиваемой конструкцией,, поэтому применяется болтовое соединение колонн поперечных рам, что позволяет разбирать здания при демон-

I

таже. Вопрос податливости болтового соединения в составных колоннах металлических конструкций не был исследован. Задача сводилась к определению экспериментальным путем коэффициента приведения гибкости за счет податливости болтового соединения (по аналогии с деревянными составными стержнями). ^

Экспериментальным исследованиям подвергались шесть составных

стоек в¡натуральную величину, три из которых были изготовлены из

I

двутавра К 13 и три - из двутавра N 16. Анализ исследований позволил сделать вывод, что коэффициент приведения гибкости за счет податливости соединений для стоек любого сечения можно принять равным 2. В практических расчетах при определении приведенной гибкости составных стоек на болтовых соединений ветвей Хпр.б можно пользоваться формулой: _

Лтр.б'= / <Хгу + (28)

где Ху г гибкость стойки относительно оси, параллельной ветвям, рассматривая ее как сплошную; Х.1 - гибкость отдельной ветви на участке между болтами. »

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ БАЛОК С ПЕРФОРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ.

Целью исследований являлась разработка экспериментально проверенных рекомендаций по расчету балок с перфорированной стенкой, являющихся основным несущим элементом сборно-разборных зданий секционного типа. Для более полного анализа методов расчета балок рассмотрена их работа как в рамной системе, так и по балочной схеме.

В разной постановке балки с перфорированной стенкой исследовали Б.Е-Огороднов, А.И.Скляднев, Ф.Фалтус, В.Ченч и некоторые другие.

Теоретические исследования представлены в виде приближенного метода расчета балки с перфорированной стенкой и расчетами на ЭВМ методами конечных разностей и конечных элементов. При этом исходили из того, что балка по своей схеме является многократно статически неопредел-имой системой (относительно, внутренних усилий) и представляет собой промежуточную конструкцию между безраскоснсй фермой с жесткими узлами и составной сплошностенчатой балкой.

Формулы для подбора и проверки сечений при расчете приближенным методом составляются из рассмотрения вырезанного участка балки, находящегося под действие» нонента от внешних нагрузок М, поперечной силы О и сдвигающей силы Г, а для рамной системы и продольной силы N. При этом в точках 1, 3, б и 8 напряжения суммируются от основного и дополнительного моментов и достигают максимума в точках 1 и 3 в связи со значительной разницей между величиной максимального и минимального момента сопротивления ветви балки относительно оси X] - х.( (см. рис. 18).

Анализ расчетных напряжений, полученных для сечений балки в четверти и середине пролета рамной системы и балочной схемы, позволяет сделать следующие выводы: нормальные напряжения в точках 1 и 3 больше, чем в точках 5 и 7, т.е. стенка балки более напряжена, чем полки; напряжения в четверти пролета в точке 2 в сжатой ветви растягивающие, а в точке 4 в растянутой ветви - сжимающие, что вызвано депланацией сечения в результате намечаемой потерей местной устойчивости стенкой.

При расчете балки с перфорированной стенкой методом конечных разностей в плоском напряженном состоянии рассматривалась симметричная пластинка, вырезанная по осям отверстий двутавра. При этом

работа полок двутавра не учитывалась, так как характер закрепления не йлиял на конечный результат. Система сил, загружающих пластинки, бралась "по месту" сечения с эпюр моментов и поперечных сил, относящихся к соответствующей схеме работы балки.

Ввиду малого влияния и для создания кососимметричной системы, нормальная сила в рамной системе не учитывалась. На рассматриваемых пластинках рамной системы и балочной схемы наносилась сетка, интервалы которой были связаны зависимостью Уу = а-Ух.

Метод конечных элементов дал возможность определить напряжения по всему сечению балки, включая полку и ребро жесткости. Учитывая' конфигурацию балки, состоящую из нескольких пластинок, и с целью упрощения расчета все пластинки рассекались по стенке балки, превращая двутавровое селение в швеллерное. Систма сил, загружающих пластинки, бралась по месту с эпюр ко^.ентов и поперечных сил с передачей их в узлы сетки. На пластинки наносилась сетка (с соотношением сторон не более 1:3), соответствующая размерам пластинки, .пересечения которой обозначались последовательно в восьмиричной системе. Во всех направлениях на сетке наносились отметки и координатные оси. Нижние края пластинок в крайних узлах закреплялись по шарнирной схеме. Во избежание расчрта дэух типов конечных элементов (прямоугольной и треугольной формы), наклонная линия плаотинок заменялась ступенчатой.

Результаты теоретических исследований были использованы при подборе сечений балок с перфорированной сеткой, из которых были выполнены ригели рам секций сборно-разборного здания.

Экспериментальные исследования. Исследованиям подвергался фрагмент здания в натуральную величину, состоящий из двух секций пролетом.12 ми высотой б м, где балка с перфорированной стенкой работает как ригель рамы с жесткими узлами. Практически по рамной схеме исследовалось четыре балки (по две в каждой секции). Для более качественного анализа напряженног-деформированного состояния балок с перфорированной стенкой были дополнительно проведены испытания комплексной панели покрытия балочного типа размером 3x12 м, где-балка, являясь продольным прогоном панели, работает по одт ноп'ролетной схеме (здесь практически исследовалось две балки).

Сравнение теоретических и экспериментальных исследований показало, что напряжения, вычисленные теоретически приближенным методом, методом конечных разностей и методом конечных элементов.

близки по характеру и величине и совпадают с напряжениями, определенными экспериментальным путем. Разница в величине напряжений колеблется от 2% до 16%.

4.4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СЕКЦИОННЫХ СБОРНО-РАЗБОРНЫХ ЗДАНИЙ.

До 1972г. в МИнэнерго СССР в качестве инвентарных сборно-разборных зданий применялись каркасные здания серий УТС 420-04 и УТС 420-06. Каркасы этих зданий пролетом 9 и 12 м выполнялись из стали, а ограждающие конструкции из керамзигобетонных панелей. Более чем 10 - летний опыт внедрения каркасных зданий показал, что данные конструкции не соответствуют современному уровню технологии строительства и требованиям, предъявляемым к инвентарным сборно-разборным зданиям, т.к.применяемые ограждающие конструкции трудно поддаются демонтажу и перевозке на новую строительную площадку. При этом потери превышают 35%. Практически подобные здания или выполняли свою функцию один раз, или оставались в качестве стационарных. Поэтому сравнение технико-экономических показателей зданий пролетом 12 м серий УТС 420-06 и 2370-"А" производились только по затратам на первом объекте (табл.4).

Таблица 4

Сравнение технико-экономических показателей на I м2 покрытия

Сравниваемые показатели Единица Серия зданий

измерения УТС 420-06 2370-01"А"

1. Масса констукций кг 1025 120

2. Расход материалов - стали/о т.ч. профилир.лист - железобетона - цемента - утеплителя (пенопласт) кг м3 кг м3 80 0 , 39 0 , 83 83,7/26 0,097

3. Трудоемкость изготовления и монтажа надземной части - заводские - на строительной площадке - суммарные трудозатраты чел-ч 5,07 4,65 9, 72 9,1 0,7 9,8

4. Транспортировка конструкций - количество четырехосных железнодорожных вагонов шт. 0,021 0,01

Продолжение таблицы 4

'-.количество машиноездок - " - 0,1 0,019

5. Стоимость (в ценах 1976 г.)

- изготовление инвентарной

части здания РУб. 31,7 73,1

- транспортировка 15,3 6,7

- возведение надземной части - " - 37,33 15,61

•г суммарная - " - 84,33 95,41

Ы ,

Несколько болшая стоимость инвентарных секционных соор-

но-разборных зданий, серии 2370-01"А" связана с применением при их изготовлении таких достаточно дорогих материалов, как профилированные листы и различные пенопласты в качестве утеплителя. Но уже при первой передислокации применение секционного здания становится экономически оправданным. В процесе экспериментальных исследований это здание прошло проверку на пятикратную передислокацию.

5. КОНТЕЙНЕРНЫЕ ЗДАНИЯ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ КАРКАСОМ И ОГРАЖДЕНИЕМ ИЗ ЦЕМЕНТНО — СТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ.

Анализ имеющихся конструктивных решений зданий контейнерного типа (блок-контейнеров) позволил запроектировать наиболее рационально, заметно сократив расход материалов, целый комплекс подобных зданий самого разнообразного назначения, вошедших в конструктивную систему "Пионер". Два из них (сантехнический и жилой блоки) прошли комплексную проверку.

Предварительные исследования по выбору предельно эффективного материала обшивки панелей контейнерного здания показали, что по своим технико-экономическим показателям таким материалом могут стать цементно-стружечные плиты (ЦСП), отличающихся прочностью и высокой огнестойкостью.

Все исследования были направлены на изучение объемного блока с позиций прочности и надежности здания в процессе транспортировки и эксплуатации и работы ЦСП в элементах конструкций.

Конструкция объемного блока. Исследуемый объемный блок (рис. 19) - общежитие на 5 человек'полной заводской готовности. Общежитие состоит из двух объемных блоков: БК 9-1 (сантехнический блок) и БК:9-2 (жилой блок), соединительных деталей для блокировки контейнеров. Объект предназначен для эксплуатации в условиях обычного, южного.и тропического климата. *

Габаритные размеры блока 8800x3000x2910 мм. Масса блока без оборудования: БК 9-1 - 7840, БК 9-2 - 5850 кг. Полезная площадь блока 21,9м2 .

Здание выполнено по панельной схеме. Панель покрытия и основания имеют металлические контурные рамы (соответственно из швеллера N 10 и N 16). Каркас каждой панели имеет поперечные несущие элементы и продольные распорные из клееных двутавровых деревянных балочек ( стенки - брусок 80x50 мм, полки - из фанеры 120x10 мм).

Шаг поперечных элементов 1200 мм, продольных - 900 мм.. Внутренняя и наружная общивка из ЦСП прикрепляется к деревянным элементам самонарезающими винтами. Толщина обливки - 10 мм. С на- • ружной стороны к деревянным балкам прикреплены с помощью самонарезающих винтов металлические профили корытообразного сечения (U - профили) 40x32x3 мм. Узловые соединения панелей основания и покрытия со стеновыми панелями показаны на рис. 20. Одна из продольных стен ' имеет четыре открывающихся окна с двойным остеклением. Два дверных проема расположены в другой продольной стене.

В качестве утеплителя всех панелей использован пенополисти-рольный пенопласт ПСБ-С толщиной 100 мм. План общежития представлен на рис. 21.

Статический расчет объемного блока. Объемный блок - контейнер заводского изготовления, имеющий форму прямоугольного парал-л'е^шпеда (9,04x2,88x2,63 м), можно рассматривать как упругий континуум. Однако в этом случае число связующих точек будет бесконечным, что ведет к большим трудностям при численном решении.

Для преодоления этих трудностей континууц дискретизируется в виде элементов, связанных конечным числом узловых связей, позволяющих сохранить свойства континуума при определении напряженно-деформированного состояния каждого элемента.

Конструкция объемного блока представляет собой металло-деревянный каркас, обшитый с внутренней и наружной сторон неразрезными цементностружечными плитами. Конструктивная сложность объемного блока (несимметричное размещение рёбер, перегородок, проёмов в стенах) потребовала рассмотрения расчётной схемы для всего блока в целом.

Согласно методике расчета по машинной программе РАСК-ЕС объемный блок был представлен как комбинированная система, состоящая из стержневых конечных элементов (каркас блока) и узлов, к кото-

рым они присоединялись. Все узлы и элементы нумеровались. Узлы сопряжений стоек каркаса с поперечными и продольными балками принимались шарнирные . Нагрузки, согласно расчета методом конечных элементов, сводятся к узловым. В соответствии с тремя типами опирания блока составлялись три расчетные схемы:

1) неразрезная 3-х пролетная балка с пролетами по 3 к, что отвечает проектным условиям эксплуатации;

2).однопролетная балка пролетом 9 м, что соответствует возможной осадке средних опор;

3) однопролетная балка пролетом 3 м с двумя консолями по 3 м каждая, что соответствует возможной осадке крайних опор и условиям транспортирования и монтажа.

Было принято для расчета четыре возможных сочетания нагрузок, в которых варьировались.постоянная (собственный вес) и временные (снег, эксплуатационная нагрузка и ветер) нагрузки.

Расчеты объемного блока при различных типах опирания показали следующее:

I1. Боковые грани блока работают преимущественно в своей плоскорти, как балки-стенки.

2. Потолок работает как прямоугольная пластина, опертая на жесткие опоры (боковые грани блока); пол - как пластина, защемленная! по контуру.

3|- Работа. потолка и пола не зависит от типа опирания объемного блока, что объясняется значительной изгибной жесткостью ба-

лок-стёнок. ' ] •

41 Прогибы боковых граней (балок-стенок) из плоскости по высоте блока возникают, в рсновном, при ветровых воздействиях, причем поволок и пол выполняют роль жестких диафрагм, препятствующих перемещениям верхних и нижних узлов боковых граней.

Максимальные • прогибы при шарнирных узлах сопряжений элементов каркаса для всех типов опирания и схем загружений состав-лют менее 1/250 пролета.

• б, Наибольшие напряжения в элементах каркаса возникают: в стойках, балках пола и потолка средней части объёмного блока.

7. Наиболее напряжены элементы обшивки: потолка в местах примыкания к перегородкам; потолка и боковых стен над проемами; боковых' стен, примыкающих к перегородкампола в узлах блока и в кастах примыкания к перегородкам.

- 4 У -

30Д'">,|-Д_'-1-Л-о'гоЛ"1<'">.-пропадания экспериментальных исследований заключались в проверке напряженно-деформированного состояния элементов конструкции и системы в целом при статических нагрузках в условиях эксплуатации и динамических параметров объекта з условиях транспортировки.

В исследованиях предусматривались следующие этапы испытаний: определение уровня напряжений и величины перемещений в основных элементах конструкции при статических воздействиях; выявление изменения напряженного состояния конструкции при изгибно-крутильных воздействиях; нахождение динамических характеристик объекта; анализ характера взаимодействия системы с микропрофилем дорог различного типа.

Исследования объекта на статические воздействия проводились при установке на четыре опоры по углам здания. В процессе испытаний моделировались статические нагрузки.

При исследовании на изгиб с кручением нагрузкой являлся собственный вес конструкции. В условиях воздействия изгиба с кручением в конструкции может оказаться нарушение схемы спирания объекта при посадке, протаивании грунта и в процессе транспортировки в условиях бездорожья.

Моделирование изгиба с кручением осуществлялось с помощью двух гидравлических домкратов, которыми поочередно поднимались углы блока на высоту 7 см. Имитировалось также зависание углов здания.

Для определения динамических параметров объекта применялись следующие способы возбуждения колебаний: единичным импульсом типа б функции; ступенчатым единичным воздействием; гармонической нагрузкой.

Выводи и рекомендации результатам статических и _динами-ческих исследований. Исследования на расчетные комбинации статических нагрузок показали достаточную прочность и жесткость счете-мы при статических воздействиях.

Анализ динамических характеристик показал возможность транспортировки здания автотранспортом в экстремальных условиях при обеспечении предварительного натяжения с помощью металлической обоймы и совместности работы основных конструкций здания. Напряжения в продольных элементах (швеллерах) рам основания и покрытия достигали 30-60 МПа, что составляет не более 25% от расчетных

сопротивлений металла.

Вертикальные перемещения стальных продольных элементов рамы основания не превышали 19 мм'(1/465 длины), элементов рамы покрытия - 17,7 мм (1/470) длины),. Напряжения в поперечных элементах панелей основания и покрытия (из деревянных двутавров) достигали 5,5 - 6,5 МПа, что составляет 55 - 65% от значений расчетных сопротивлений для дерева. Напряжения в тех же элементах стеновых панелей .составили 3,5- 4 МПа.

Напряжение в наружной обшивке из ЦСП составили: в стеновой панели 0,7-0,9 МПа, в панели основания 0,4-0,5 МПа.

Результаты экспериментальных исследований показали, что расчет объемного блока на ЭВМ по разработанной программе позволил получить качественную картину распределения напряжений и величин прогибов в основных элементах блока. Видимо, э^с объясняется введением ряда упрощений при разбивке каркаса блока на поперечные элементы.

Спектр собственных колебаний контейнерного блока характеризуется следующими диапазонами: вертикальные колебания в полосе частот 7-3 Гц; горизонтальные продольные 8,5-9,5 Гц, поперэчные -3-4 Гц.•

Соотношение динамических характеристик контейнерного блока с диапазоном спектра внешних воздействий (микропрофиля дорог, железнодорожным и автотранспортом) вполне благопрятно при условии обеспечения совместной работы стеновых панелей с панелями основания и покрытия по принципу платформенного стыка (для уменьшения напряжений его от поперечных колебаний из-за зазоров в стыковых сопряжениях). При этом прочность узловых соединений от транспортных нагрузок достаточно.

Действительная работа ЦСП в контейнерах-зданиях подтвердила возможность их применения в качестве наружных и внутренних общи-вск здания при закрытых торцах плит, а также в плоской кровле при наличии гидроизоляции.

Анализ.работы системы показал возможность применения данной конструктивной схемы с обшивкой из ЦСП для передвижных зданий в. самых неблагоприятных и экстремальных условиях эксплуатации.

с

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы, полученные на основе выполнения теоретических и экспериментальных исследований, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработана стеновая преднапряженная панель с обшивками из гладких алюминиевых листов, совмещающая несущие и ограждающие функции. Предложена методика их расчета, основанная на работе обшивки как мембраны с учетом деформативности контура панели. Методика расчета подтверждена экспериментами на натурных образцах.

о/

2. Решена задача, связанная с потерей устойчивости прфилнро-ванным листом при сжатии, в которой лист рассматривается как ор-тотропная пластинка. Учтена закритичесхая (после потери устойчивости) стадия работы, при которой в расчет включается лишь часть листа. Получены формулы для определения ширины листа, включаемую в рабочую площадь, и момента инерции поперечных ребер, существенно увеличивающих эту площадь . Экспериментальные исследования на алюминиевых и стальных профилированных листах подтвердили возможность .применения формул, включенных в нормативные документы.

3. Решена задача проверки устойчивости профилированного листа при сдвиге. Решение в линейной постановке как для ортотропной Пластинки позволило определить верхнее критическое напряжение, только качественно подтверждаемое экспериментом при значительном количественном расхождении. Проведение исследование той же задачи в нелинейной постановке, когда профилированный лист расскатризал-ся как изотропная пластинка с начальной погибью, равней высоте гофра, позволило получить значение нижнего критического напряжения, отношение которого к верхнему составило О,647...О,688. Основываясь на экспериментальных и теоретических исследованиях для практических расчетов рекомендована простая по структуре формула для определения нижнего критического напряжения профилированного листа при сдвиге.

4. Установлено, что при проверке местной устойчивости гофра профилированный лист можно расчленять на ряд отдельных элементов, представляющих собой изотропные пластинки (трапецеидальный гофр) И .цилиндрические панели (волнистый гофр), производя прозерку их устойчивости по соответствущим формулам теории пластин и оболочек. При сдвиге профилированного листа с гофрами складчатого типа (в виде трапеции) местная устойчивость является решающей; в этом случае критическое напряжения для всего листа определяется устой-

чивостью . наиболее широкой из изотропных пластин, образующих складчатый гофр.

5- Эксперименты показали значительную деформативиость профилированного листа при сдвиге по сравнению с плоским листом. Она зависит от высоты гофра: чем выше высота волны гофра, тем больше деформативность профилированного листа. В расчетах снижение де-формативности может быть учтено делением модуля сдвига <3 на коэффициент-больший единицы.

6. Разработана и экспериментально проверена на натурных образцах методика расчета стальных кровельных панелей балочного и шпренгельного.(без преднапряжения) типа, учитывающая влияние на работу элементов панелей профилированного листа. Рещены вопросы обеспечения устойчивости сжатых поясов продольных прогонов, совместной работы профилированного листа с каркасом панелей. Результаты исследований профилированного листа на сдвиг позволили определить сдвиговую жесткость панелей, учитываемую при расчете каркаса зданий. Получены ответы на особенности работы профилированного листа в составе панелей как ортотропной пластины и в связи с неравномерными осадками опор. Определены степень участия профилированного листа' в восприятии скатных усилий, действующих на панель, и влияние различных схем раскладки профилированных листов на несущую способность панели в целом. Для шпренгельных панелей даны рекомендации по расчету на действие отрицательного давления ветра и учету податливости болтовых соединений.

7| Разработана стальная кровельная предварительно напряженная шпренгельная панель наименьшей металлоемкости, в которой профилированный лист является единственным элементом верхнего пояса. Рекомендована методика расчета панели. В ней основное внимание уделено работе торцевых элементов как балок на упругом основании и устойчивости верхнего пояса как внецентренно сжатого элемента с двумя упруго податливыми опорами. Отработана методика создания преднапряжения,

8; Разработана новая конструктивная форма инвентарного сборно-разборного здания секционного типа с применением стального профилированного листа. Натурными исследованиями выявлена возможность отказаться в' подобных зданиях от горизонтальных и вертикальных связей, передавая функцию создания^пространственной неизменяемости каркаса профилированному листу благодаря его сдвиговой

жесткости в составе панелей, образующих секцию.

9. Проведен сравнительный анализ различных методов расчета балок с перфорированной стенкой - основного несущего элемента сборно-разборного здания секционного типа. Анализировались приближенный метод расчета балки как безраскосной фермы, расчеты балок на ЭВМ методами конечных разностей и конечных элементов. Сравнение результатов анализа с экспериментальными данными позволили дать практические рекомендации по расчету балок с перфорированной стенкой в составе рамной конструкции.

10. Разработано здание контейнерного типа - общежитие на 5 человек - с металлическим каркасом и ограждением из цемент-но-стружечных плит. Методика расчета, качественно подтвержденная экспериментами на натурных блок-контейнерах, позволяет определить прочность и жесткость этих зданий при статических и динамических воздействиях (последние - в процессе транспортировки).

. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. К расчету сжатых элементов конструкций из алюминиевых гофрированных листов // Тр. научно-технической конференции ВЗИСИ.-М., 196?. - с.86-87.

2. Рекомендации по проектированию кровельных и глухих стеновых алюминиевых панелей для промышленных зданий // М., ЦНИИСК, 1967. - с.72 (соавторы С.В.Тарановский, В.И.Трофимов).

3. Большепролетные конструкции из алюминиевых сплавов // Тр. I Московской конференции молодых ученых. - П., "Наука", 1967. -с.267-286.

4. К расчету гофрированных листов на сжатие // Сб. "Строительные алюминиевые конструкции"-, вып.З. - М., Стройиздат, 1967. -

. с.50-57 (соавтор В.И.Трофимов).

5. Устойчивость гофрированной пластмнки при сдвиге // Строительная механика и расчет сооружений, 1968, N 2. - с.32-34.

' 6. Исследование мембранных панелей, изготовляемых распорным способом предварительного напряжения // Научно-техническая информация ЦИНИС, 1968, N 8. - с.18-22.

7. Преднапряженные алюминиевые панели с минераловатным утеплителем для Якутской ГРЭС // Энергетическое строительство, 1968, N 10. - с.3-7.

8. Исследование конструкций из алюминиевых волнистых листов на действие поперечной нагрузки // Реферативный сборник ЦИНИС, 1969, N 5. - с.7-12.

9. Нарезное складчатое покрытие из стальных листов // Экспресс-информация ЦИНИС, 1969, N б. - С.37-3 .

10.• Алюминиевые предварительно-напряженные (а*ели для стен промышленных зданий // Промышленное строительство, 1969, N 10.-с.37-40 (соавторы В.И.Трофимов, П.М.Свердлов).

11. Панели с применением стального профилированного листа для временных сооружений Ладыжинской ГРЭС // Экспресс-информация Информэнерго, сер.СИ, 1969. N 11. .- с.1-5 (соавтор Р.Д.Иовов) .

12. Стеновое ограждение из рулокированных листов склада теплоизоляционной мастерской на Киевской ТЭЦ-5 // Экспресс-информация Информэнерго, сер.СР ТЭС, 1969, N 1^.. - с.19-23 (соавторы А.Б.Руссоник, Ю.В.Сергеев).

■ 4'S -

3. Целесообразная форма волны при сжатии гофрированного листа // Реферативный сборник ЦИИИС, 1970, N 1. - с.11-16.

4. Алюминиевые конструкции в строительстве тепловых электростанций // М.( Информэнерго, 1970. - с.46 (соавторы А.Я.Кранц-фельд, А.А.Кронфсльд).

5. Исследование работы гофрированного листа на сдвиг // Сб. "Строительные алюминиевые конструкции", вып.4. - М., Стройиз-дат, 1970. - с.21-41.

6. Исследование мембранных панелей с распорным способом предварительного напряжения // Сб. "Строительные алюминиевые конструкции", вып.4. - М., Стройиздат, 1970. - с.42-55 (соавтор В.И.Трофимов).

7. Исследование минераловатных плит на воздействие ударных" и вибрационных нагрузок // Реферативный сборник ЦИНИС, 1970, N 8.- с.16-13.

i. Folds of metal leaf // Proceedings of International Synposiura "Folding Construction". Vienna. October, 1970,- p.128-136.

). Стеновое ограждение из предварительно напряженных алюминиевых панелей //-Тр. IV совещания-семинара по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях. Красноярск, 197 0. - с.44-54.

). К вопросу применения минераловатных плит в качестве утеплителя металлических панелей для тепловых электростанций // Энергетическое строительство, 1971, N 1. с.22-24 (соавторы В.С.Карпов, В.И.Степанов).

. Изготовление преднапряженных стеновых алюминиевых панелей для главных корпусов тепловых электростанций // Доклады III Международной конференции по предварительно напряженным металлическим конструкциям. Ленинград. Сентябрь, 1971. - М., Стройиздат, 1971. - с.524-531 (соавторы В.И.Трофимов, П.М.Свердлов, ¡O.K. Трннчер) .

. Изготовление преднапряженных панелей из стального профилированного листа // Доклады III Международной конференции по предварительно-напряженным металлическим конструкциям. Ленинград. Сентябрь, 1971. - М., Стройиздат, 1971. - с.484-490 (соавторы Р.Д.Иовов, Ю.В.Сергеев).

. Облегченные покрытия зданий из стального оцинкованного профи-

лированного листа для сейсмических районов // Сб. докладов Всесоюзного совещания "Проектирование и строительство сейсмостойких зданий и сооружений". Фрунзе. Октябрь, 1971. - М., ЦНИИСК, 1971.-. с. 68-76.

24. Конструкции покрытий из профилированного листа, в энергетическом строительстве // М., Информэнерго, 1971. - с. 55 (соавторы З.И.Дав, Ю.К.Трикчер).

25. , Предварительно напряженные кровельные панели из стального

профилированного листа // Энергетическое строительство, 1972, N 3.- с.21-23 (соавторы А.Б.Руссоник, Ю.В.Сергеев).

26. Алюминиевые конструкции в промышленном строительстве // М., Стройиздат, 1973. - с.94 (соавторы В.И.Трофимов, С.В.Тара-н.овский) .

27. Ограждающие конструкции иэ стальных профилированных листое //Энергетическое строительство, 1974, N 6. - с.23-25.

28. Исследование облегченных конструкций из развитых двутавров //Промышленное строительство, 1975, N 12. - с. 38-40 (соавтор А.Б.Руссоник).

29. Ограждающие конструкции из профилированных листов // К., "Энергия", 1976. - с.185 (соавтор Ю.К.Тринчер).

30. Работа панелей типа "Сандвич" с крупногофрированными обшивками при температурных воздействиях // Энергетическое строи, ' тельсгво, 1977, N 2.- с.84-85 (соавтор Ю.В.Сергеев).

31. Пространственная работа каркаса здания с покрытием из металлических панелей // доклады Международной конференции по облегченным пространственный конструкциям покрытий для строи»

тельства в обычных и сейсмических районах. • Алма-Ата. Сентябрь, 1977. - М., Стройиздат, 1977.- С.2'7-282.

32. Сборно-разборные здания с применением профилированных листов // Экспресс-информация ЦИНИС, 1978, сер. 8, вып.6. - с.19-22.

33. Инвентарные здания в энергетическом строительстве // Экспресс-информация Информэнерго, 1979, сер.СИ, N 6. - с.7-10.

34. Покрытие, здания в гидромелиоративном строительства по стропильным формам (учебное пособие) // М., МГМИ, 1980. - с.84,

35. Конструкции инвентарных сборно-разборных зданий производственно-складского назначения // М., Информэнерго, 1980.

с.45 (соавторы А.Б.Руссоник, Ю.В.Сергеев).

36. Инженерные конструкции (учебник) // И., "Высшая школа", 1982.

- с.432 (соаптор Р.И.Сергеи).

37. Строительные конструкции (учебник) // М., Стройиздат, 1983. -с.344 (соавтор В.Л.Харитонов).

38. Инвентарные сборно-разборные и контейнерные здания для энергостроительства // Энергетическое строительство, 19S4, N 0 • -с.22-26 (соавторы А.Б.Руссоник, Ю.В.Сергеев, Е.М.Зеликшс).

39. Разработка и исследование конструкций быстромонтируемых зданий // Тр. МГМИ "Гидротехнические сооружения, основания и фундаменты, инженерные конструкции". - К., 1934. - с.32-36.

40. Пространственная жесткость сборно-разборных зданий // Экспресс-информация ВНИИИС, 1986, сер.11, вып.6. - С.14-16.

41. Мобильные здания и сооружения // Промышленное строительство, 1987, N9. - с.12-14.

42. Здание мобильные (инвентарные) контейнерные и сборно-разбср-ные в Минэнерго СССР. Перспективы развития // М., Ияфорнэкер-го, 1988. -с.53 (соавтор А.Б.Руссоник)

43. Металлические конструкции в сельском строительстве // Достижения науки и техники АПК, 1983, N 11. - с. 46-48.

44. Инженерные конструкции (учебиик, изд.2 дополненное) // Н., "Выспая школа", 1989.- с. 416 (соавторы Р.И.Берген, Ф.В.Расс, В.Б.Семёнов).

45. Тонколистовые конструкции в энергетическом строительстве // М., Информэнерго, 1989. - с.49 (соавтор А.Б.Руссоник).

46. Стальной каркас и покрытия зданий в мелиоративном и сельскохозяйственном строительстве (учебное пособие)// П., МГИИ, 1989-е.108 (соавтор О.Л.Бандин).

47. Применение гнутых профилей малой толщины в легких металлоконструкциях //Экспресс-информация ВНИИКТПИ, сер.Строительнуе конструкции и материалы, 1990, вып.8.-с. 21-24.

4S. Инженерные конструкции // Методические указания для студентов

- заочников с/х вузов по спец. "Гидромелиорация".-М.,ВСХИ30, 1994. -с.126 (соавторы Р.И.Берген, В.Б.Семёнов).

49. A.Ü. N 314364. Панель покрытия. 1971 г. (соавторы Я.С.Давидов, А.Б.Руссоник, Ю.В.Сергеев, О.К.Тринчер, В.И.Трофимов).

50. A.C. N 430927. Секция сборно-разборного здания. 1975 (соавторы Л. С. Давыдов, В.А.Марков, А.Б.Руссонник, Ю.В.Сэргеез).

51. A.C. N 763541. Секция сборно-разборного здания или сооружения 1980 (соавторы Л.С.Давыдов, А.Б.Руссоник, ».В.Сергеев).

~--------Г' Г^ ' -г 1

и

-г «да -ли

■ ют--------

/(-Л

----<500

,1

и

дао------

но;---^

1 Рис. I. Слсыи «во» панелей

и: »-ым.м7а «.рчс.; ; - vicxt.ru лсмэтчлоГ, ■"'•»Р"»'^ < - сегдикшмыш« сильные шве 4 - р<с«орК"в 6мг: S-.nn. и»м

.зоро

сро уо гря

Г'/ _

£

¿ <1 ■ }

г 1 й—

I • _ !

Рис. 3. Эпюра распределения напряжении по длине панели в средней'1 ячейке (цифрами обозначены этапы нагружения)

с

' >

Р

. —- — \

аЯ- -- г

Рис. 2. Расчетная схема - квадратной мембраны, на. груженной в центре сосредоточенной силон (пунктиром обозначено деформированное состояние)

' врогяЗаз Еаавх: в одноЗ гз срсдазсс ячеек год расдорни* бои см

МПа

I

Р)ю. 7. Эпюра напряжений, МПа, в профилированном листе от действия поперечной нагрузки.

Рис.а . Расчетная схема гофрнрозаиного листа, подверженного воздействию сдвигающих усилии

6. Эгсра кшрлжакда в ирофагироианпом о в одяоЛ аз градо!! сжатого трохграаного. ъш

Рис. 9. Пааель гзярытгл тага Ж

Рис. II. Паноль покрытия типа США.

0

/г

______ _____/т_______I

ппн

I - м-*»!; ? - то?;»К|1 »л^г»« ^^^^

г * б в ю /1роеи$. см

Рис.12 • График прогибов продольных прогонов в середине пролета панели ПС12-3-4. / — всрхниЛ прогон; 2 — нижний

Рис. 13; 1)пюры напряжения в лрсфдарэйаляэм .истб, заавреня^т во Еорхни» (а) и низшим (б) полка«, в зона кезд' пог.ерзчяыул прэгомш.-л (панель ПС12-ЗМ)

ï. " ' '

I '' íj-

ÍILÍL.

■щ

Pic. 1ч. ürjTpaESiJ ви вреасиого cocpio-peseojeoro «ssaxa CLUrüMroerooa пшл ьрюлетои 12 к

'I Л /|

fTTTTTTTI I i ) )ТГГТ П I 1 1 I ) V мы

Fíe. ¡6 . Cieuu эагругеетя сборно-раэАогнот чдаил вестлкал&кшл: nr.rpy3Kiia, установки прогизоыеров и сечйаая г I по XU, Е которых какле'¿^алгеь т^изокатлти:

fïc. J5. иоата» унЕ^еарозанбоа ксаструтси соорво-разеорного гз секша скла;ь'мвсегося тгзз

«

Н1

n«

(7.1 Kl

JC —

Psc. 17. Графика ироггйов верхней точкя паюшш и посордгев рггсися

3s-"

X,-

! I

.X,

I

c\

Р»:с. (¿.Элемент иалкк для расчета но приближенному методу

Рко.'19. взд контейнерного здаакя системы "Пионер" (общежитие

- ' : . .' •■ : на .5 человек)

/л

^ШГ

рЩ.

ч-йейч-

0 - оак«я эзмоычкл; б - &а>-си сок^тхд

.гзаЕ-пЕг

• Рйс.'М ..План ебщекития на 5 человек