автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка многопролетной мембранно-лучевой системы покрытия

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НЛУШГО4ЮСЛЩОВЛТЕЛЬСКНП И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРШЛЕПТАЛЫШД ИНСТИТУТ ШШЛЕКСШХ ПРОБЛЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ II СООРУЖЕНИЯ им. В.А. КУЧЕРЕНКО

- ЦНИИСК игл. В.А.КУЧЕРЕНКО -

РАЗРАБОТКА МНОГОПРОЛЕТНОЙ- МЕМЕРАННО-ЛУЧЕВОЙ

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции,

На правах руте описи

умнев асхат нушгапгович

УДК 624.ОМ.074.4

СИСТИ.Ш ПОКРЫТИЯ

здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Государственном Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальпом институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружении им.В.А.Кучерешсо (ЦШШСК им.Кучеренко)

Научный руководитель - кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудншс Микулин В.Б.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Райзер В.Д. - каадодат технических наук Иванов М.А.

Ведущее предприятие - АО "СПОРТПРОЕКТ" ^

Защита состоится " ШоДаЗ 1993г. в ч. на заседании специализированного совета Д.033.04.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при ордена Трудового Красного Знамени Государственном Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В.А.Кучеренко по специальности 05.23.01 "Строительные конструкцг. здания и сооружения" по адресу: 109428, г.Москва,2-я Инстптутске ул.,6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦШШСК им. Кучеренко.

Автореферат разослан " ЩоЦЛ, 1993 г.

Учений секретарь />

специализированного совета, fJy^^-^/ кандидат технических наук Г I Воробьева С.А.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш исследования. В последнее время в практике гроительства широкое распространение получили покрытия в виде ¡мбранпых систем. Тгкие покрития представляют собой прострапст-шные конструкции из тонкого металлического листа, закрепленного I опорном контуре.

Эффективность применения мембранных покрытий определяется : малой материалоемкостью, благодаря максимальному использована прочности материала и совмещением несущих и огравдавщих функ-й, применением крупноразмерных рулонируеиых полотнищ заводского готовленпя, относительной простотой монтажа и небольшой строи-льной высотой. Мембранами могло перекрывать практически любые ебуемые пролети, без применения промежуточных опор и создавать разительные в архитектурном отношении сооружения.

Мембранные конструцпи покрытий, традиционно применяемые для рекрытия бочыпепролетных общественных зданий и спортивных со-рсений все шире используются и в сооружениях производственного значения. Следует отметить, что производственным зданиям при-ца прямоугольная планировка и для их перекрытия возможно пс-тьзование мембран, имеющих форму в ввде цилиндрических поверх-зтей, составных седловидных оболочек и оболочки положительной гссовой кривизны, образуемые из первоначально плоских мембран, ¡более часто применялись цилиндрические мембраны. Разновщцюс-з таких оболочек является мембранно-лучевая система, получен-I .сочетанием цилиндрических секторов треугольного очертания, [ряженных медцу собой с помощью подкрепляющих элементов, рас-[оженшк по диагоналям плана. На сегодняшний день известны 1Ь однопролстнне решения зданий с применением мембранно-лучевых :ркти;";. Г-есте с тем, для производственных зданий, протяженных

в плане более характерны многопролетние каркасы, где в одном корпусе могут объединяться несколько технологических линий-процессов, осуществляющие полный цикл производства. Однако, примеры использования мембранно-лучевых покрытий в ыногопролетных сооружениях не имели места, так как внедрение конструкции в определен ной степени сдерзшзается недостаточно полной изученностью их дей ствятельной работы с учетом конструктивных особенностей покрытия отсутствием экспериментальных данных, подтвержденных результатами численных исследований.

Целью диссертационной работы является зксперименталыю-теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния многопролетного мембранно-лучевого покрытия (ШЛП) на прямоуголь ном плане и совершенствование его конструктивного решения.

На защиту виносятся:

- результаты экспериментальных исследований моделей ШЛП, отличающихся друг от друга креплением мембраны к элементам опорного контура (распоркам)при различных вариантах приложения статической нагрузки;

- результаты численных исследований работы опорного контура ШЛП при различных вариантах крепления пролетной части к опорной в зависимости от гибкости опорного контура;

- результаты сопоставительных расчетов натурных конструкций ШЛП на статические воздействия при различных схемах загружешш;

- результаты экспериментальных исследований моделей ММЛП на действие динамической нагрузки;

- предложения по расчету и конструированию покрытий в ввде многопролетных мембранно-лучевых систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны и исследованы конструктивные решения ыногопролетных покрытий на прямоугольном плане в виде мембранно-лучевых

истем;

- палученн экспериментальные данные о действительной работе онструкций ММЛП при различных вариантах конструктивного пепол-ения оболочек на статические воздействия;

- получена экспериментальная оцепка райоты ММЛП при действии янамических нагрузок;

- палученн новые теоретические результата по папрягеннс-

эФормированному состоянию опорного контура ММЛП в зависимости г ого гибкости;

- предложена методика расчета многопролеттгх мембраппо-лу-звнх покрытий на прямоугольном плане;

- данн предложения по конструированию ШЛИ.

Практическое значение работы заклшается в том, что прово-

:шшй комплекс экспериментальных и теоретических исследований эзволяет использовать и пршетико строительства многопролотное жрытие в вицо мембраипо-лучевих систем.

Результат» исследований использованы при проектировании югофункциопального производственного здания на ст.Друяба (Рес-гйшт Казахстан), с разг/орами в плане 42x126 м, при разработке шпгческих решений спортивного комплекса Республиканской пколн-1терната спортивного профиля в г.Алма-Ата, а также при проекти->панип здания лесоторговой базы, размерами в плале 30x120 м, г.Москве.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссерта-ги доложены и обсуддены на научно-технической секции Отдела проч-юти и новых, форм металлических конструкций ЦШШСК им.Кучеренко, также на заседаниях и научных семинарах кафедры "Металлические шетрукции" Казахской Государственной архитектурно-строительной :адемпи в 1991-1993 гг.

Структура и объем работы. Диссертация, объемом 244 страницы состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 132 наименования, и 2 приложени. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста и содержит 97 рисунков и 5 таблиц.

Работа выполнена в 1990-1993 годах в лаборатории новых форм металлических конструкций Отдела прочности и новых форм металлических конструкций ЦНШСК им.Кучеренко.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой теш, определены цель и основные задачи исследований, дана краткая аннотация выполненной работы.

В первой главе приводится обзор конструктивных решений запроектированных и построенных покрытии на прямоугольном плане с применением тонколистовых мембран, рассматриваются работы, посвященные экспериментальным и теоретическим исследованиям мембранных оболочек.

Впервые мембранные системы в качестве покрытий были разработаны и практически использованы В.Г.Шуховым в 1896г. - возведено мембранное покрытие павильона на Всемирной выставке в Нижнем Новгороде. Лишь 36 лет спустя в США была использована мембранная цилиндрическая оболочка при строительстве элеватора в г.Олбани.

Накопленный опыт исследований, включая внедрение полученных результатов в строительную практику освещен в трудах Б.М.Браслав-ского, Л.И.Голвденберга, П.Г.Еремеева, М.А.Иванова, К.Н.Илленко, О.Л.Курбатова, И.Г.Лкщковского, В.Б.Микулина, Н.С.Москалева, А.Я.Прицкера, И.Л.Ружанского, В.И.Трофимова, В.В.Трофимовича, О.Н.Тонкого и-др.

Анализ сооружений, запроектированных и построенных с прпме-юнием тонколистовых конструкций показывает, что для перекрытия 1рлпоуголыик в плане зданий чаще всего использовались цилиндри-геские мембраны. Сочленение цилиндрических секторов треугольного >чертанпя между собой с помощью диагональных подкреплякцпх элементов привело к созданию мембранно-лучевой системы покрытия. Такие гокрнтия разработаны для конструкций однопролетных зданий, но мо-ут быть положены в основу многопролетиых решений.

Обзор литературных источников по теоретическим псследовани-м мембранных конструкций показал, что имеются хорошо разработал-ые численные методы, в частности методы конечных элементов (ЫКЭ) стержневой аппроксимации (Г,!СА), позволяющие решать сложные за -ачи расчета мембранных систем с помощью стандартных вычислит. :ь-ых комплексов. Отмечено, что опубликовано большое количество абот, в которых изложены методы расчета мембранных систем раэ-[гчного типа. В связи со сложностью решения конкретно задач не-Зходпг.и численные исследования мембранных конструкций с учетом х особенностей о целью дальнейших разработок инженерных методик зечета подобных систем.

В ведущих научно-исследовательских учреждениях, таких как БШСК им.Кучеренко, 1ШИЯБ, ЦНИИПроектстальконструкция им.Мельни-)ва, ШСИ им.Куйбышева, КИСИ, Аэропроект, УкрЦШШПСК и других толнен значительны!! объем экспериментальных работ, направленных 1 создание новых конструктивных форм мембранных покрытий на пря->уголыюм плане. Многочисленные испытания моделей продеМонстри-1вали г/Нюктипность экспериментальных исследований для выявления !пствптельнон работы конструкций. Установлено, что достаточно учена работа мембранных систем на статические воздействия для лопролетп'г:: рдгипй. В значительно меньшей степени изучены воп-

роен, относящиеся к динамическим исследованиям мембранных покрытии. Практически отсутствуют экспериментальные работы, касающиеся исследований работы многопролетных покрытий.

На основании анализа состояния вопросов исследования, опыта проектирования мембранных покрытий на прямоугольном плане сформулирована цель работы, в соответствии с которой бшш поставлены следующие задачи:

1. Провести расчетный анализ работы многопролетного мемб-ранно-лучевого покрытия (ШЛП) при различных вариантах конструктивного исполнения оболочек, схемах загружения на действие статической нагрузки.

2. Численно исследовать работу опорного контура ШЛП при различных вариантах крепления пролетной части к опорной в зависимости от гибкости контура и распорок.

3. Экспериментально проверить правомочность принятых расчетных предпосылок и допущений.

4. Получить экспериментальную оценку работы мембранно-луче-вого покрытия при действии динамических (сейсмических) нагрузок.

5. Выработать рекомендации по расчету и конструированию ШЛП

Во второй главе приводятся конструктивные схемы покрытия и расчетный анализ особенностей их работы.

Объектом исследования является многопролетное мембранно-лучевое покрытие, общий вид которого приведен на рис.1. Этот объект выбран на основе конструктивных разработок многофункционального здания на ст.Дружба (Казахстан). Прямоугольное в плане здание, с размера™ в плане 42x126 м ограничено высотой до низа несущих конструкций -.10 м. По периметру здания, с шагом 6 м расположены колонны. Внутренний объем здания свободен от промежуточных опор.

Здание перекрывается мембранной системой, решенной по трех-пролетной схеме. Основой покрытия является мембранно—лучевая ячейка, размерами 42x42 п. Пролетная часть кадцой ячейки имеет форму поверхности в вцце четырех цилиндрических секторов треугольного очертания, сочлененных с помощью диагональных лучевых элементов. Опорная часть покрытия образована замкнутым опорным контуром, криволинейного очертания в вертикальной плоскости, который по длине здания развязан двумя распорками. Очертание контура принято параболическим в пределах каждой ячейки, со стрелой цювиса 2,5 м. Стрелпа провиса покрытия мембранной ячейки в исг-гре составляет 2,0 м, а по краям каэдого из секторов - 2,5 м, но предопределяет уклон кровли в сторону опорного контура п ра-зпорок, и создаст в секторах, примыкающих к опорному контуру естественный (наруетый) водоотвод, а в секторах, контактирующих с эаспоркамн - внутренний (I вариант конструктивного исполнения юкрнтия). Связь мембраны с опорным контуром и распорками осуществляется с помощью гибких листовых компенсаторов, не передающих ¡;епнюс усилий с мембраны на опор1ую часть.

Гелаипе избегать внутреннего водоотвода в покрытии, а таксе подкрепить распорку в горизонтальной плоскости привело к трансформации покрытия. В покрытии с измененной схемой (2 вариант инструктивного исполнения покрытия) мембрана по-прежнему не имея 'силовой" связи с контуром, присоединяется непосредственно к рас-юркгм. Это вызывает изменение геометрии секторов мембраны, придающих к распоркам: их поверхность образована движением прямой :инии (горизонтальная ось распорки) по направляющим (лучевым 'лементшл подкрепления), имеющим параболическое очертание, т.е. :меом высечку коноида. Другими словами, поверхность крайних яче-к покрытия образована пересечением трех секторов циливдрическо-

Рис.I. Конструктивная схема многопролетного мембранно-лучевого покрытия

> п сектора коноцдалыюго очертаний, а поверхность средней ячей-

1 - пересечением двух секторов цилиндрического и двух секторов >новдального очертаний. Составленная из секторов различного очер-шия, поверхность покрытия предопределяет наружный водоотвод в едой ячейке через сектора с цилиндрическими поверхностям.

Расчеты покрытия били выполнены методом стержневой аппрок-гмацпи на ЭШ с применением стандартной программы "1Ьмма-2", ¡зволящей производить расчети с учетом геометрической неличное тп, реализуемой шаговым методом многоступенчатого нагру-ния системы.

Для оценки погрешности результатов расчетов исследовалась одшмость решений в зависимости от густоты сетки разбиения по: мембраны и количества этапов метода последовательного нагру-ния. Выявлено, что необходимая для расчетов точность достига-ся при густоте сетки 7x7, а число этапов нагруяения должно ть не менее 5.

Расчет покрытия производился на пять схем приложения статоскоп нагрузки, пклшпггпх равномерно-распределскяуи нагрузку масен пс~р!пгия я различные случаи расположения снеговой наг-зки. Яри этсм, покрытие рассматривалось по двум вариантам кон-руктивного исполнения оболочек.

Анализ работы покрытия, выполненного по I варианту конст-ктивного исполнения выявил следующее:

- наиболее неблагоприятными схеглгш загружения с точки зре-п максимальных перемещений и усилий в основных элементах пок-тия являются.схема I (равномерно-распределенная нагрузка по ей поверхности покрытия) и схема 3 (неравномерное распределе-

2 нагрузки о границей меццу более или менее загруженными учас-гч.:и, проходящей вдаль продольной осп здания);

! ю

- напряженное состояние секторов мембраны близко к одноосному, поскольку усилия вдоль направляющих поверхности превышают усилия цдоль образующих в 20-25 раз. При этом, максимальные усилия растяжения наблюдаются в приконтурных зонах мембраны - в местах ее примыкания к элементам с повышенной жесткостью: углах опорного контура и узлах сопряжения контура с распорками;

- прогибы центров крайних ячеек покрытия больше аналогичных прогибов средней ячейки в среднем на Ъ%\

- при несимметричном расположении нагрузки наибольшие напряжения и перемещения в мембране проявились в зонах с максимальной нагрузкой;

- усилия в лучевых элементах подкрепления распре,целяются неравномерно по его длине: максимальные значения отмечены в осно вании лучей, а минимальные - в середине ячеек, в местах сопряжения лучей между собой;

- перемещения опорного контура в горизонтальной плоскости покрытия определяются, в основном, нормальными силами, вызывающие его обжатие. При этом, величины перемещений контура пропорциональны размерам его сторон в плане;

- распорки в плоскости покрытия перемещаются практически поступательно, а величины перемещений определяются деформациями узлов контура в местах крепления распорок;

- определяющим силовым фактором в опорном контуре являются нормальные силы, а изгибающие и крутящие моменты практически не влияют на его работу;

- криволинейность опорного контура в вертикальной плоскости и характер передачи усилий на него через лучевые элементы предопределяют характер распределения усилий по колоннам: угловые стойки оказываются растянуты™, 'а пролетные - сжатыми.

Анализ работы покрытия по 2 варианту конструктивного испол-ения выявил, что введение в состав пролетной части покрытия мем-ранних секторов коновдального очертания приводит к некоторому змеиеншо работы покрытия в целом. Ото проявляется в следугацем:

- возникновение двухосного напряженного состояния в ме м5ран-[jx секторах, примыкающих к распоркам;

- смещение зоны максимальных прогибов пролетной части в горону оснований коноцдальных секторов;

- увеличение перемещении центров крайних ячеек в горизон-тльной плоскости;

- уменьшение вертикальных перемещений центров крайних л зедней ячеек покрытия соответственно па 12 л 2В%;

- увеличение значений изгибающих моментов в вертикальной госкости распорок с одновременным снижением в них продольных :илин ;

- возншшовение локальных изгибающих моментов в горизонталь-u'i плоскости опорного контура, в зоне его сопряжения с распорка-

D третьей главе приводятся результаты численных исследова-ii работы опорного контура ШЛП, выполненных в геометрически линейной постановке методом стержневой аппроксимации.

Численные исследования напряженно-деформированного оостоя-я (1ЩС) опорного контура производились для двух вариантов кон-руктпвного исполнения мембранной оболочки, описанных в главе 2, действие равномерно-распределенной нагрузки.

В работе не преследовалась цель исследовать НДС опорного итурп от его жесткостных характеристик, изменяющихся от 0 до

(т.е.граничные случал). Была поставлена задача по исследо-1шо рпботп опорного контура от его гибкости, для которой су-

шествуют реальные границы ее возможного изменения. В данном исследовании этот диапазон принят:

20 4 Л' < 140 (I)

В ходе численных исследований варьировались гибкости опорнс го контура и распорок в указанном интервале (I), изменялась гибкость коротких сторон контура Л* от 80 до 140, при постоянной гибкости длинных сторон контура и распорок (ЛР= 80); изменя лась гибкость распорок в горизонтальной плоскости покрытия с 80 до 140, при постоянной гибкости контура ( 3\.= 80). Кроме этого, оценивалось влияние вспарушенпости распорок на НДС контура.

Анализ НДС опорного контура покрытия по варианту I показал, что продольные (сжимающие) усилия в контуре в угловых зонах и пролетах крайних и средней ячеек незначительно (до 4$) отличаются друг от друга, и при увеличении гибкости контура в 7 раз уме}; шились на 5-6$. Изгибающие моменты в горизонтальной плоскости в контуре настолько малы (напряжения сжатия больше изгибных в ■9-23 раза), что не оказывают влияния на НДС контура. С увеличением гибкости контура, его горизонтальные перемещения как вдоль длины здания, так и поперек увеличиваются. При этом, характер иг менения деформаций контура в горизонтальной плоскости близок к линейному. Установлено, что зона минимальных значений расчетных характеристик (перемещения контура, продольные усилия в контуре) находятся в интервале гибкостей Л. контурных элементов 60...ВС При повышении жесткости контура существенно увеличивается расход] материалов, а при увеличении гибкости контура увеличиваются его горизонтальные перемещения, что приводит к возрастанию прогибов пролетной части покрытия на 8-54$.

Как показали результаты исследований, увеличение гибкости

коротких сторон контура мало (до 8%) сказывается на значениях продольных усилий в контуре. Изгибные напряжения в контуре, вызываемые моментами, меньше в 17 раз величин нормальных напряжений от действия продольных сил. С увеличением гибкости Л*от 80 до 140 изгибающие моменты в угловых зонах контура увеличиваются в 5,9 раз. Значения пролетных моментов в крайних и средней ячейках покрытия меньше моментов в yr.:jBofi зоне в 1,3-4 раза. Отмечено, что минимальные значения изгибающих моментов в контуре проявляются при соотношении гибкостей длинных и коротких сторон контура 1:1 (Л =80). С увеличением гибкости коротких сторон контура \ в 1,75 раза деформации контура в горизонтальной плоскости покрытия относительно продольной осп (X) здания практически не изменяются (0,3$), а относительно поперечной оси (У) выросли в 2,4 раза. При соотношении гибкостей длинных и коротких сторон контура 1:1,75 деформации контура как вдоль длины здания, Tai: и поперек становятся равными медцу собой. Таким образом, установлено, что изменение гибкости коротких сторон контура влияет лишь на 1ЩС этих сторон.

Как показали исследования, варьирование гибкости распорок в горизонтальной плоскости от 80 до 140 -влияния на распределение продольных сил и опорных моментов в горизонтальной плоскости контура практически не оказывает. При этом, изгибающие моменты в крайнем пролете контура уменьшаются на Ы%, а в среднем -на 2%. Изгибающие моменты в горизонтальной плоскости распорки заметно снизились: в пролете - в 2G раз, а опорный - в 4,6 раз. Зтмечено, что напряжения при изгибе, возникающие в контуре в Г>2 раза меньше напряжений от продольных сил. Изменение изгибной кесткости р;/шорок в 8 раз не влияет на горизонтальные перемещения контура.

и

Анализ работы опорного контура покрытия по варианту 2 показал, что качественная картина НДС контура при варьировании его гибкости сохраняется, за исключением распорок. Распорки в вертикальной плоскости подвержены воздействию значительных по.величине изгибающих моментов 1.1^, которые примерно в 100 раз больше моментов в горизонтальной плоскости Му. Пролетные моменты М^ существенно (приблизительно в 2,5-57 раз) превышают опорные. Причем с ростом гпбкооти контура в 7 раз пролетные моменты в распорке снижаются в 3 раза, а опорные - возрастают в 9,3 раза. Продол] ные усилий в распорке возрастают примерно в 6 раз с Д,=3124 кН (Л = 20) до ЛГР= 17043 кН ( Л= 140).

Известен ряд приемов, позволяющих снизить значения изгибающих моментов в вертикальной плоскости в распорке. Одним из них является придание вспарушенпости самой распорке. Величипы вспа-рушенности распорок ер были выбраны так, чтобы изгибающий момент в вертикальной плоскости в распорке, от действия ее веса погашался моментом противоположного знака от эксцентричного приложения продольной силы в ней.

Для покрытия по варианту I величины вспарушенности принимались равными 0, 0,15 и 0,2 м, что составляет 1/200 - 1/300 пролета здания. Придание вспарушенности распоркам Ог= 0,15 м приводит к уменьшению моментов в вертикальной плоскости в 10 раз. В то же время, изгибающие моменты в горизонтальной плоскости в контуре уменьшились по абсолютному значению в 2-9 раз, а в распорке они увеличиваются на 8-11$. Анализ других компонентов НДС системы (прогибы, усилия) выявил, что придание вспарушенности распоркам практически не влияет (0,7-1$) на работу покрытия.

Для покрытия по варианту 2 величины били равны 0;1,0 и 1,7 м, что составляет 1/25 - 1/40 пролета здания. Придание вспа-

рушешюоти 6Р= 1,0 м ведет к снижению момептов и вертикальной плоскости распорки в 3-5 раз по абсолютному значению. Изгибающие моменты в горизонтальной плоскости в распорке меньше моментов в вертикальной плоскости в 100-1000 раз. Изгибагщие моменты в горизонтальной плоскости контура уменьшаются в 1,4-5 раз. При этом, нормальные усилия в распорке с увеличением вспарушенности возрастают на 2-1$. Горизонтальные перемещения контура вдоль продольной осп X сппжаются на 4-5$, а вертикальные прогибы центров юнрытня крайних п средней ячеек возрастают соответственно на 35 и 57$.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных «¡следований, целью которых явилось изучение действительного нап-зякеино-дсформированного состояния многопролетного мембранно-¡учевого покрытия при различных вариантах конструктивного нспол-1ения оболочек па действие статических нагрузок, а также оценка юведения покрытия при динамических воздействиях.

Экспериментальные исследования на статические воздействия ключали испытания двух конструктивных схем покрытия:

- покрытие, в котором мембрана крепилась только к диагональ-ил лучевым элементам подкрепления (модель I типа);

- покрытие, в котором мембрана крепилась к лучевым элемен-ам подкрепления и к распоркам по их периметру (модель 2 типа).

Модель ММЛП выполнена на основе теории подобия в масштабе :28 от натуральной величины, о размерами в плане 1,5x4,5 м. Она остонт из мембраны, диагональных лучевых элементов подкрепления, порного контура, распорок и основания в виде решетчатого поста-ента. Мембрана изготовлена из нержавеющей стали 12Х16П9, толщи-ой 0,12 мм. Лучевые элементы подкрепления, выполненные из тои-сшгстовой стали, толщиной I мм, имеют трапециевидное очертание

в плане с переменной пириной от 40 до 80 мм, убивающую к центру ячеек. Опорный контур выполнен замкнутым, параболического очертания в вертикальной плоскости, из листовой стали, сечением 12x35 мм. Распорки изготовлены стальными, сплошного квадратного сечения 30x30 мм. Колонны, выполненные стальными из бруса 14x14 мм, имеют переменную высоту от 340 до 430 км. Они расположены с шагом 214 мм по периметру покрытия модели.

Ойзосительные деформации элементов модели измерялись тензо датчиками сопротивления с базой 10 мм (615 активных и 35 контрольных). Регистрация деформаций осуществлялась двумя тензоизт-рическпмп комплексами ТК-2. Вертикальные перемещения пролетной части покрытия измерялись 53 прогибозерами системы Мокина, а горизонтальные перемещения опорного контура и распорок - 22 индикаторами часового типа.

Испытания моделей проводилось по пяти схемам зогружения, с< ответствовавшим расчетным случаям расположения временной (снеговой) нагрузки на покрытии. Максимальная величина равномерно-распределенной нагрузки, в соответствии с определенным масштабом нагрузки достигала 3,92 кПа. Нагрузка прикладывалась в 3-5 этапов, в зависимости от схемы нагружения. В качестве нагрузки использовались мешочки с дробью, весом 5 и 10 кг, 3-кг стальные грузы и чугунные грузы, весом 20 кг.

Перед испытаниями на модель был усложен балластный слой, величиной 0,64 кПа, для стабилизации мембраны. В дальнейшем, этс состояние бшго принято за исходное. Испытанию модели предшествовала ее "обкатка" расчетной нагрузкой, которая показала достаточную несущую способность модели, надежное функционирование приборов и измерительной аппаратуры. Всего в процессе испытаний было проведено 193 цикла нагружения и разгружения моделей. При-

м, разгрузка производилась такие отдельными этапами со снятием ответствукщих отсчетов. Каждая схема загруженпя повторялась от до 10 раз.

Одновременно с экспериментальными исследованиящ были про-цены дополнительные расчеты моделей, как самостоятельных кон-рукцпй на ЭВГЛ, с применением программы "Гамма". Результаты ис-едований моделей ШЛП сопоставлялись с данными расчетов, вы-пнепних на ЭШ.

При исследовании покрытия, в котором мембрана крепилась лысо к лучевым элементам подкрепления (модель I типа) на ста-зеские воздействия установлено, что напряженное состояние мем-зны близко к одноосному. При этом, главные растягивающие нап-хения располагаются вдоль направляющих поверхностей мембраны, ссималыше значения нормальных напряжений в мембране паблнзда-зя в зонах, примыкающих к углам контура или в местах сопряяе-I контура с распорками, а минимальные - в пролете. Выявлено, з максимальных значений 5 = 224,7 Ша напряжения достигают I загружении равномерно-распределенной нагрузкой. При несим-гричных загрукениях, величины напряжений, в целом, меньше ука-гного до 20-40$. При этой, происходит смещение зон наибольших [ряжений в места концентрации нагрузок. Разница ыевду акспери-1талышми и теоретическими значениями напряжений составляет, в даем 8%. Анализ вертикальных перемещений пролетной части пока-¡ает, что для всех ячеек характерна общая "чашеобразная" карти-деформирования. Наибольшие прогиби центров ячеек проявились [ равномерно-распределенной нагрузке, усредненные значения ко->ых равны 0,868 см, что составляет 1/173 пролета и всего 4,4$ мепше теоретических зпачений. При несимметричных нагру-шях, максимальные значения прогибов проявились а 1/4 частях

пролетов более загруженных областей ячеек покрытия. Полученные i сперименталыте данные, как правило, на 9-12$ меньше теоретических. Распределение нормальны:: усилий по длине лучевого элемента происходит неравномерно: максимальные усилия - у основания луче! а минимальные - в местах пересечения лучей. Кроме того, анализ работы лучевых элементов выявил их изгиб в горизонтальной плоскости, проявляющийся в основании лучей. Однако, доля изгибных напряжений в общем напряженном состоянии лучевых элементов незначительно и составляет, в среднем 11,6$. Сопоставление экспериментальных .и теоретических значений дает расхождение, в среднем 8,8$. Исследованиями установлено, что характер деформирования кс тура весьма слабо зависит от расположения.нагрузки на мембране. Перемещения контура -незначительны и составляют по величине I/I0C пролета. Они определяются деформациями сжатия от продольных усилий. При этом, величины перемещений пропорциональны соотношению размеров сторон контура. Анализ напряженного состояния контура выявил, что продольные усилия в контуре .при всех схемах загруке-ния имеют максимальные значения в углах контура пли в зон fix сопряжения его с распорками. Фактическая работа контура совместно с распорками подтверждает предпосылку о том, что распорка восирл нимает усилия примерно в два раза превышающие те, что воспринимаются собственно контуром. Разница между экспериментальными и тес ретическими усилиями составило не более 4$.Изгибающие моменты в горизонтальной плоскости контура незначительны и не влияют на напряженно-деформированное состояние контура в целом, т.е. подтверждается предположение о практически безизгибноГ: работе контур

Крепление мембраны к распоркам (модель 2 типа) приводит к изменению характеристик НДС системы в целом. Так, в секторах мег браны, примыкающих к распоркам возникает двухосное н:шгя::;спиос

ютояние, в то время как для остальных секторов это состояние ютветствует одноосному. Максимальных значений 6" = 252 МПа, лрякення достигают при 3-11 схеме загружения (нагрузка располо-:на на половипе покрытия, вдоль продольной осп X с различной ин-¡нсивностью). Они несколько превышают (на 4$) теоретические п 'мечаются в зонах мембраны с максимальной нагрузкой. На участках минимальной нагрузкой, напряжения оказались в 3 раза меньше :азанной величины. Вертикальные перемещения центров крайних и юдней ячеек покрытия практически одинаковы при всех схемах наг-зения, и составляют 1/140 пролета. А зона наибольших прогибов ¡ещается в сторону секторовпримыкающих к распоркам. Анализ 1нных эксперимента, показал, что крепление мембраны к распоркам шводит к существенному снижению усилий (до 48$) в лучевых эле-итах подкрепления, имещих контакт с коноид альныш секторами :мбрапы. Определяющей по величине усилий в лучах является 3-я :ема загружения, при которой наибольшие значения НА= 12,51 кН I 12$? превышает аналогичные усилия прп равномерно-распределен->м загружении. При всех нагружениях характерным является общее формирование опорного контура в горизонтальной плоскости в про-шыюм направлении (относительно оси X) с небольшой долей изги-I, который подтверждается теоретическими результатами. Отметим, ?о контур практически не перемещается в вертикальной плоскости жрытия. При этом, распорки в вертикальной плоскости испытывают ¡гиб, а величины перемещений на 40$ превышают аналогичные, полу-¡нные при испытании модели I типа. Установлено, что продольные шмающие усилия в углах контура на 25-30$ больше, усилий в про-¡те. В распорках имеем обратную картину: усилия в пролете пре-шаюг на 13-35$ усилия в опорной зоне распорки. При этом, сое-шение мембраны с распорками приводит к снижению продольных уси-

лий в распорках: на 40-60$, в зависимости от схемы нагружения. Пролетные пзгибахщпе моменты в вертикальной плоскости распорок возросли примерно в 10 раз, так кал; на распорки передаются вертикальные составляющее цепных усилий с пролетной части покрытия. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов, в целок дало расхождение в пределах 6-8$.

Исследования на динамические воздействия были проведены для двух конструктивных схем покрытия и выполнялись на моделях, изго товленных для статических испытаний. В процессе эксперимента, главное внимание было уделено изучению вертикальных колебаний покрытия, как преобладающих в мембранных конструкциях. Колебател ные движения возбувдались двумя способами:

- обрывом груза;

- вибратором направленного действия.

Колебания регистрировались комплектом виброизмерительной аппаратуры, состоящей из вибродатчика И-001 и быстродействующего самописца ТБХ—101( ЯРТ). Исследования проводились при различной интенсивности статической нагрузки на покрытии: от 0 до 2,64 к11а Динамическая нагрузка прикладывалась в различных характерных точ ках пролетной части покрытия: в середине, в 1/4 пролета и у краев мембранных секторов, а также в 1/4 длины лучевых элементов и в зоне примыкания лучей к контуру.

Проведенные испытания моделей покрытия на динамические нагрузки выявили, что колебания покрытия вне зависимости от источника возбуждения характеризуют его поведение как достаточно жест кой системы, в которой частоты примерно одинаковы по всей пролетной части. Величина частот колеблется в диапазоне 5,=10-12 Гц Установлено, что частоты колебаний пролетной части покрытия за-

исят от граничных условий закрепления мембраны: с увеличением он крепления мембраны с опорной частью (распорками) частоты ко-збаний уменьшаются. Установлена величина декремента затухания элебаний 8 = 0,1-0,4. Подтверздена зависимость частоты колеба-1й от величшш статической нагрузки на покрытии: с увеличением агрузкп частоты уменьшаются.

В пятой главе содержатся рекомендации по расчету и монтажу югопролетных мембранно-лучевых покрытий, по временным нагрузкам 1 покрытие (снеговые, ветровые), приведены решения основных уз-)в, а также оценка технико-экономической эффективности исследуемо покрытия.

В результате проведенных экспериментально-теоретических ис-гедований покрытия составлены рекомендации по назначению коэф-щиентов, определяющих распределение снеговой нагрузки ^ и фодинамических коэффициентов С, значения которых в нормативных жументах отсутствуют.

Для обоснования технических решений и выполнения предвари-льного проектирования рекомендуется использовать приближенный особ расчета, составленный в результате настоящих исследований, .счет многопролетного мембранно-лучевого покрытия па равномерно-определенную нагрузку следует выполнять по формулам, приведен-м в работе. Эти формулы основаны на представлении пролетной сти системой гибких нитей, а опорной части - стержневой систе-п. Окончательный расчет покрытия на стадии рабочего проектиро-ния рекомендуется выполнять численными методами на ЭШ в гео-тргчески нелинейной постановке на все сочетания нагрузок, воз-жные в процессе изготовления, монтажа и эксплуатации с учетом нструктнвних особенностей покрытия. В качестве исходных данных

используются значения жесткостных характеристик, полученных в результате приближенного расчета.

Сравнение технико-экономических показателей МГ.1ЛП с показате лями других покрытий на прямоугольном плане показало достаточно высокую эффективность исследованной конструкции.

На основании результатов исследований в институте "Кяэахжел дорпроект" при участии автора была разработана многопролетная ме мбранно-лучевая система покрытия для многофункционального производственного здания на ст.Дружба (Республика Казахстан), размерами в плане 42x126 м.

В институте Типроторг" было разработано многопролетное покрытие о применением мембранно-лучешос систем для здания лесоторговой базы, размерами в плане 30x120 м в г.Москва.

В институте "Алмаатагппрогор" исследуемое покрытие било при меиено при вариантном проектировании в качестве одного из решенп. для перекрытия Республиканской школы-интерната спортивного профиля в г.Алма-Ата.

общие вывода и результаты

1. Разработаны и исследованы конструкции многопролотных мембранно-лучевых покрытий (ШЛИ) на замкнутом опорном контуре, отличающихся друг от друга креплением мембргшы к опорно;'! ч,"сти. Такие покрытия представляют собой набор однотипных ячеек, прсиет-ная часть которых образована сочленением четырех секторов треугольного очертания, подкрепленных диагональным:? лучевыми элементами.

2. Теоретические исследования ШЛИ выявили оледуи:;ое:

- максимальные усилия и перемещения в оопогчых элег^нтях покрытия возникают от нагрузки равиопсрпо-рпспрд^о'яюП г«> гее.'1

оверхностп покрытия, а также от односторонней равномерно-распре-еленной нагрузки, расположенной вдоль продольной оси (X) здания;

- возможно создание в секторах мембраны как одноосного, так двухосного напряженного состояния, определяемого способом сое-яненил мембраны с элементами опорного контура. Наличие двухосно-э напряженного состояния приводит к уменьшению продольных усилил

распорках и лучевых элементах подкрепления;

- опорный контур покрытия работает практически без изгиба и тучения;

- перемещения контура в горизонтальной плоскости покрытия ¡ределяются, в основном, нормальными силами, вызывающие его обита, а величины перемещений пропорциональны размера:,1 сторон

ж тура.

3. Численные исследования работы опорного контура ШЛИ уста-шили, что:

- напряженно-деформированное состояние контура при различных фиантах крепления пролетной части к опорной - одинаково, за иск-пением распорок, в которых крепление мембраны вызвало увеличе-

:е изгибающие моментов в вертикальной плоскости;

- область наиболее рациональных гибкоотей контура ( X ) ходится в пределах 60...80;

- варьирование гибкостями отдельных элементов контура (котки е стороны контура, распорки) практически не влияет на напря-нно-деформированнов состояние контура в целом, вызывая лишь из-нения в работе с шлих элементов;

- придание вспарушенности распоркам позволяет снизить в них личины изгибающих моментов в вертикальной плоскости без сущес-енного изменения напряженно-деформированного состояния опорногр нтура.

4. Экспериментальные исследования моделей покрытия на стати ческие нагрузки, при различных схемах ее распределения на поверх ности покрытия подтвердили приемлемость принятых расчетных схем и исходных предпосылок. Разница мевду данными экспериментальных и теоретических исследований, как правило, не превышало 12$.

5. Экспериментальные исследования моделей покрытия на динамические воздействия показали, что собственные частоты колебаний покрытия зависят от граничных условий закрепления: с увеличением зон крепления мембраны с опорным контуром они снижаются. Установ лено, что способ и место возбуждения колебаний не влияют на величины частот. Подтверждена зависимость частоты колебаний от величины статической нагрузки на покрытии: с увеличением нагрузки - они уменьшаются.

6. На основании проведенных исследований составлены рекомен дации по приближенному расчету многопролетного мембршшо-лучево-го покрытия. Установлена технико-экономическая эффективность разработанных конструкций, позволяющих по сравнению с прогрессивными металлическими покрытиями снизить расход стали на 3-43$, а трудоемкость - до 14$.

7. Комплекс выполненных экспериментально-теоретических исследований создал основу для проектирования как вновь строящихся, так и реконструируемых объектов.

По материалам диссертации опубликована работа:

I. Уалиев А.Н. Мембранно-лучевая многопролетная конструкция покрытия // Тр.ин-та/ ЦНИИСК им.Кучеренко.- 1993. - Экспериментальные и теоретические исследования строительных конструкций и материалов. - С.46-52.