автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Железобетонные тонкостенные оболочки из гнутоформованных и складчатых элементов

РГБ ОД

На правах рукописи

П I ------

<1 ' ' ; I ■ ■ .

АХМЕД МОХАМЕД ЭЛЬ-САЙЕД ТАХВИЯ

УДК 624.074.4.012.35:69.024.4

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ТОНКОСТЕННЫЕ ОБОЛОЧКИ ИЗ ГНУТОФОРМОВАННЫХ И СКЛАДЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мосхва - 1995 г.

Работа заполнена в Казахской Государственной архитектурно-строительной академии и в Государственном Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона к железобетона (НИШЕ) Минстроя РФ.

Защита состоится " 02 " ноября 1995 г. в .14 часов на заседании диссертационного*совета К 033.03.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Государственном научно-исслэдозательскок, проектно-конструкторском и технологическое институте бетона и железобетона Минстроя РФ по адресу: 109428, Москва. 2-я 'Институтская ул., д.5.

Совет направляет Вак для ознакомления данный реферат и просит Ваши отзывы и замечания в двух экземпляра?;, заверенные гербозой печатью, направить по указанному выше адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Т.Ж. Акбердин доктор технических наук, профессор Г.К.Хайдуков кандидат технических наук. В. Ф.Шабля

Казахский научно-исследователской и проетно-экспериментальный 'институт сейсмостойкого строительства и архитектуры (КазНИИССА)

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Автореферат разослан " " октября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Т.А.Кузьмич.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Пространственные тонкостенные покрытия являются одними из наиболее экономичных типов конструкций по расходу материалов в сравнении с плоскостными.

Основной причиной, сдерживающей широкое применение пространственных конструкций в практике строительства, является сложность их изготовления и монтажа. В связи с этим представляет большой научный и практический интерес разработка и внедрение новых видов сборных оболочек с минимальными числом типоразмеров, форма которых при соблюдении требований к их несущей способности тесно увязывается с возможностью упрощения технологии производства, снижения трудоемкости изготовления и монтажа оболочек.

К числу новых конструктивных решений относятся железобетонные составные оболочки, собираемые из тонкостенных криволинейных ромбических и складчатых элементов. Наряду со значительной экономией материалов применение указанных конструкций решает задачу существенного упрощения и снижения трудоемкости изготовления сборных элементов, поскольку сложные по форме криволинейные элементы первоначально изготовляются в виде плоских плит на гибкой опалубке.

Таким образом, экспериментально-теоретическое исследование железобетонных составных оболочек из гнутоформованных и складчатых элементов является актуальным.

Целью диссертационной работы является разработка конструкции купольно-складчатых оболочек из гнутоформованных и складчатых элементов; экспериментально-теоретические исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) указанных конструкций под нагрузкой; исследование влияния контурных складок на работу оболочки; разработка обоснованных рекомендаций по расчету и проектированию конструкции данного типа.

- 4 -

При этом рассмотрены и решены следующие задачи:

- разработка конструктивных решений составной оболочки, крк волинейные и складчатые элементы которых изготовлены методом пс гиба;

- экспериментальное исследование на модели напряженно-дефор мированного состояния составной оболочки из восьми гнутоформова* ных элементов в упругой стадии работы.

- изучение влияния складок-козырьков на напряженно-деформирс ванное состояние оболочки.

- экспериментальное исследование на модели напряженно-дефор мированного состояния составной оболочки из криволинейных ромби ческих и складчатых элементов на всех стадиях ее работы вплоть д разрушения.

- расчет составных оболочек методом конечных элементов (МКЭ с использованием программного комплекса SAP-80; сравнение опытны и расчетных данных для оболочек в упругой стадии и значений раз рушающих нагрузок для испытанной модели.

- разработка методики расчета несущей способности составно оболочки на основе метода предельного равновесия.

- разработка рекомендаций по.расчету и проектированию состав ных оболочек из гнутоформованных и складчатых элементов.

- разработка предложений по использованию комбинаций оболоче при различных архитектурно-планировочных решениях.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментальные данные об особенностях напряженно-дефор мированного состояния составных оболочек из гнутоформованных складчатых элементов.

- данные о влиянии складок-козырьков на напряженно-деформиро ванное состояние составной оболочки в эксплуатационной стадии;

- выявлена схема излома покрытия и соответствующая расчетная схема для определения несущей способности оболочки;

- предложена методика расчета несущей способности указанных оболочек на основе кинематического метода предельного равновесия.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований модели оболочки из криволинейных ромбических элементов в упругой стадии;

- результаты экспериментальных исследований модели оболочки из гнутоформованных и складчатых элементов под нагрузкой на всех стадиях работы вплоть до разрушения;

- результаты экспериментальных исследований влияния складок-козырьков на напряженно-деформироЕанное состояние оболочки в упругой стадии;

- расчетные модели составных оболочек, позволяющие расчетом МКЭ достоверно оценивать напряженно-деформированное состояние оболочек в эксплуатационной стадии работы;

- результаты расчета составных оболочек в упругой стадии методом конечных элементов с использованием программного комплекса SAP-80;

- методика расчета несущей способности указанных оболочек на основе метода предельного равновесия.

- рекомендации по конструированию железобетонных составных оболочек из гнутоформованных и складчатых элементов.

Практическое значение работы состоит в том, что в результате проведенных исследований даны экспериментально обоснованные предложения по изготовлению, конструированию и расчету сборных оболочек из гнутоформованных криволинейных и складчатых элементов, в том числе методом предельного равновесия и методом конечных элементов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научно-практической конференции / Перспективы развития строительной науки / КазГАСА-1994 г., на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава КазГАСА, на заседаниях кафедры железобетонных конструкций КазГАСА(1993-1995 гг.) а также включены в материалы международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций".- Белгород /БелГТАСМ,1995.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в шести печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы из 118 наименований. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков.

Работа выполнена на кафедре " Железобетонные конструкции " Казахской Государственной архитектурно-строительной академии (КазГАСА) под руководством кандидата технических наук, профессора Т.Ж. Акбердина. Экспериментальная часть работы выполнена в лаборатории пространственных конструкций НИИЖБ РФ под руководством Лауреата Государственной премии СССР, доктора технических наук, профессора В.В.Шугаева.

Содержание работы

Во введении раскрывается актуальность темы, определяется научная новизна и практическое значение работы. Дана общая характеристика работы.

В первой главе приводится обзор конструктивных решений сборных оболочек, изложены основные технологические приемы изготовления тонкостенных элементов пространственной формы с последующим

погибом и излагается обзор исследований по теории и расчету железобетонных оболочек.

Применение сборных оболочек из элементов заводского изготовления позволяет исключить затраты по изготовлению и установке сложной криволинейной опалубки как для монолитных оболочек. Однако возникают другие затраты: на изготовление металлической опалубки сложной криволинейной формы, изготовление сложных изделий, на транспортирование, монтаж и замоноличивание стыков/

Получившие наибольшее применение прямоугольные в плане унифицированные плиты цилиндрической формы в значительной мере ограничивают возможности в выборе форм оболочек. * Даже небольшие конструктивные изменения в геометрических размерах и кривизне поверхности элементов требуют изготовления новых дорогостоящих металлических форм. При этом количество типоразмеров изделий оказывается значительным, и их число возрастает по мере усложнения формы поверхности оболочки. Таким образом возникает необходимость в разработке и внедрении новых прогрессивных конструкций покрытий, позволяющих улучшить архитектурно-планировочные решения, сократить расход строительных материалов, снизить трудоемкость технологии изготовления сборных элементов и упростить монтаж конструкции.

А.К.Шаншиев предложил формовать тонкостенные криволинейные элементы из пластичных материалов на гибком поддоне. Свежеизго-товленный плоский лист вместе с поддоном под действием собственного веса принимал криволинейное очертание и твердел в этом положении. Процесс погиба плоских свежеотформованных плит базируется на свойстве свежеуложенного на гибком поддоне слоя бетона претерпевать под действием собственного веса деформации изгиба без нарушения его целостности.

Идею погиба свежеотформованного слоя бетона использовали в своих работах многие исследователи ( И.И. Гудушаури и Г.А. Цин-цадзе, Ж. Рамашвами). Метод погиба применен и существенно доработан в НИИЖБе: В.В. Шугаевым при изготовлении армоцементных лотков для оросительных каналов, Л.Ф. Илларионовой при разработке складчатых армоцементных конструкций покрытий, А. Т. Назаровым при изготовлении армоцементных цилиндрических элементов оболочек, Е.К.Качановским при изготовления армоцементного складчатого покрытия из объемных блоков. Работы выполнены под руководством проф. Г.К. Хайдукова.

Использование процесса погиба для изготовления криволинейных ромбических элементов освобождает от необходимости применения сложной в изготовлении и дорогой криволинейной опалубки. Создавая возможность бетонирования криволинейных элементов в виде плоских плит.

Известен ряд предложений по изготовлению складчатых конструкций погибом отдельных затвердевших плит ( Ж.И.Компаниони, А. С.Ку-рылло, С.М.Шаповалов). В лаборатории пространственных конструкций НИИЖБ предложен способ изготовления складчатых элементов из плоской -плиты погибом вокруг организованного шарнира, обеспечивающего образование зазора между плитами вдоль его центральной оси симметрии с помощью специальных закладных деталей. Во всех случаях при бетонировании заранее разрезается плита на заданные части, причем сплошность армировании не нарушается.

Развитию применения пространственных конструкций способствовало появление уже в 30-х гг. практических методов расчета. Основополагающее значение имели труды Б.З.Власова и П.Л.Пастернака. В теорию расчета складчатых конструкций значительный вклад внесен И.Е.Милейковским.

Значительный прогресс в области вычислительной техники послужил стимулом к дальнейшему совершенствованию вариационных методов механики, одним из которых является метод конечных элементов.

Принципиально ваадый вопрос расчета несущей способности статически неопределимых систем (в частности, пространственных железобетонных конструкций), испытывающих в стадии разрушения пластические деформации, решается методами теории предельного равновесия, основы которой заложены в трудах А.А.Гвоздева. Эта теория получила дальнейшее развитие в работах А. А. Маркова, и самое общее доказательство, применительно к сплошной среде, в работах Д.Друк-кера, Х.Гринберга, С.Прагера, Р.Хилла, Ф.Ходжа и др., а применительно к упругопластическим системам - в работах А.М.Проценко.

Большой вклад в разработку инженерных методов расчета оболочек методом предельного равновесия внес А. Р.Ржаницын.

Анализу несущей способности жесткопластичных армированных оболочек и теоретическим исследованиям на базе метода предельного равновесия посвящены работы Н.В.Ахвледиани, В.А. Архипова, М.Ш.Варвака. А.М.Дубинского, А.С.Дехтяря, М.И.Ерхова, А.К.Ермакова, Я. Ш.Исхакова, Г.К.Хайдукова, А.М.Овечкина, Ю. В.Чиненкова, В.Н.Шаишмелашвили, В.В.Шугаева. Т.Ж.Акбердина и др.

Проведенный анализ теоретических и экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о том, что возможности создания эффективных сборных пространственных покрытий весьма разнообразны и еще далеко не исчерпаны. Определение разрушающей нагрузки на оболочку целесообразно выполнять методом предельного равновесия так как "упругие" методы не отражают действительную работу железобетонных конструкций. В соответствии с этим сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе излагается методика экспериментальных исследований и конструкция модели оболочки. Как показал анализ результатов многочисленных исследований, посвященных разрезке куполое на сборные элементы , геометрической основой сферических куполое с минимальным числом типоразмеров является разбивка их поверхности на треугольные элементы. Совокупность двух таких элементов образует ромб. Сочетание ромбов также дает возможность осуществить оптимальное членение поверхности сферической оболочки на минимальное число типоразмеров сборных элементов.

Для изучения напряженно-деформированного состояния железобетонных составных оболочек из гнутоформованных и складчатых элементов в процессе нагружения, для выявления схемы излома покрытия были проведены экспериментально-теоретические исследования.

Исследования проводились на двух железобетонных моделях А-1 и А-2, выполненных в масштабе 1:6 натуральной величины (рис.1).

Модель оболочки А-1 собирается из восьми ромбических криволинейных элементов. Модель А-2 состоит из восьми криволинейных ромбических и восьми складок, заполняющих пространство между соседними ромбами. Элементы изготовлены из мелкозернистого бетона состава Ц/П = 1/2,5 и В/Ц = О,45...0,48 с добавлением суперпластификатора С-3 в количестве 0,7 % от веса цемента.

Поле оболочек имеет толщину 6 мм, армировано одним слоем тканой сетки из проволоки диаметром 0,7 мм с ячейками 8x8 мм. Второй слой сетки повторяет контур поперечного сечения ребра и заходит в поле на ширину 50 мм. Поле ромбических элементов окаймлено по контуру ребрами с приведенным сечением 1x2,5 см. По контуру поле плиты-складки ограничено ребрами с приведенным сечением 0.7x2 см. Б нижней части контурного ребра располагается арматурный стержень из гладкой проволоки диаметром 2,5 мм. Армирование модели выпол-

ФЮО ^—^

2770 фЮО

Рис.1. Геометрия моделей оболочек:

а) модели А-1; б) модели А-2.

нено на основании предварительного расчета конструкции методом КЭ в линейной постановке с использованием программного комплекса SAP-80.

Криволинейные ромбические элементы изготовлены погибом свеже-отформованного армированного бетонного листа на гибкой опалубке. При этом формование элемента производится на горизонтальной плоскости, а гибкая опалубка представляет собой развертку криволинейного элемента. В качестве гибкой опалубки использовалась листовая сталь, толщиной 0,2 мм. Она с двух сторон прикреплена к жестким бортам, которые были шарнирно соединены между собой.

Погиб элементов производился через 25...30 минут после укладки бетонной смеси. При погибе жесткие борта формы поворачивались вокруг соединяющего их шарнира. Проектное положение элемента фиксировалось временной распоркой.

В отличие от криволинейных ромбических элементов придание складчатой формы элементам, заполняющим площадь между соседними ромбами, производилось после набора бетоном распалубочной прочности. Изгиб плиты производился вдоль образованного заранее конструктивного шарнира, разделяющего изготовленную плоскую развертку складки на две равные половины. Разрез плиты в месте конструктивного шарнира был выполнен без нарушения сплошности сетки плиты. Изготовление складчатых элементов по такому способу практически не отличается от изготовления обычных плоских конструкций.

Ромбические элементы в процессе сборки модели опирались на временную центральную монтажную стойку. В центре оболочки было выполнено отверстие диаметром 10 см. вокруг которого организовано верхнее опорное кольцо. Под опоры ромбических элементов устанавливались катки диаметром 20 мм. По периметру оболочки между опорами была установлена контурная затяжка из гладкой проволоки

диаметром 6 мм.

Модель оболочки для испытания была установлена на специально изготовленном металлическом силовом стенде, внутри которого размещали систему тяг, балочек загрузочного устройства. Нагрузка на оболочку создавалась с помощью гидравлического домкрата. Учитывая тот факт, что снеговая нагрузка на козырьках в натуре окажется меньше чем на ромбах, распределение равномерных нагрузок на козырьках и ромбах распределялось в отношении 1:1.4.

При испытаниях измеряли прогибы, горизонтальные перемещения опор модели, относительные деформации бекона оболочки и стальных затяжек. Для этого использовались прогибомеры системы ЦНИИСКа и индикаторы с ценой деления О,01 мм, тензодатчики сопротивления с базой 20 мм с использованием тензометрического комплекса ТК-1. Всего при испытании модели было установлено около 500 тензодатчи-ков, 25 прогибомеров и 10 индикаторов.

Третья глава посвящена анализу напряженно-деформированного состояния моделей по результатам экспериментальных исследований.

Модели испытаны на действие равномерно распределенной нагрузки. Напряженно-деформированное состояние модели оболочки А-1 исследовалось в упругой стадии работы. Оболочка А-1 загружалась поэтапно до нагрузки 7 кН/м2. При испытании модели А-1 трещины в бетоне обнаружены не были. Модель А-2 испытывалась на всех стадиях работы вплоть до разрушения.

Наибольшее значение прогибов наблюдается в четверти пролета ромба от вершины. Большие величины прогибов отмечаются также в центре поля ромбического элемента.

Максимальный прогиб в ребрах возникает в центре верхнего ребра. Нижнее ребро испытывает сравнительно небольшой прогиб.

Анализ данных прогибомеров показал, что вертикальные переме-

щения модели оболочки А-2 развивались практически линейно до нагрузки 13 кН/м2, равной 0.75 от разрушающей. С ростом нагрузки возрастают пластические деформации и наблюдается резкое увеличение скорости прогибов, а прогибы центра оболочки замедлили свое развитие.

В поле ромбических элементов оболочки А-1 в радиальном направлении в основном возникают растягивающие усилия, наибольшее их значение наблюдается в четверти пролета'ромба от вершины. Вблизи опоры и верхнего кольца возникают сжимающие усилия.

Изгибающие моменты в радиальном направлении незначительны и на большей части оболочки они отрицательные, лишь вблизи опоры и в четверти ромба от верхнего кольца возникают положительные изгибающие моменты.

В кольцевом направлении возникают незначительные растягивающие усилия. Изгибающие моменты в основном отрицательны, наибольшее их значение наблюдается вблизи ребра.

Максимальные значения продольных сил и положительных изгибающих моментов наблюдались в средней части верхнего ребра. Вблизи верхнего кольца действует отрицательный момент. В нижнем ребре

V

действует сжимающая нормальная сила: которая нарастает по мере приближения к опоре. В ребрах растягивающих усилий не наблюдали.

Горизонтальные перемещения опор были неравномерны и перед разрушением в среднем составляли 2,38 мм, а максимальное перемещение опоры составило 3,66 мм.

В продольном направлении сжимающее усилие в поле ромбического элемента модели А-2 имеет наибольшее значение вблизи опоры. При удалении от опоры сжимающее усилие уменьшается и примерно в середине оно приобретает растягивающее значение.

В кольцевом направлении в поле ромбического элемента действу-

растягивающее усилие. По краям ромбического элемента возникают имающие усилия. Изгибающий момент отрицателен вблизи ребра.

Сжимающее усилие в поле складки имеет наибольшее значение лизи опоры. При удалении от опоры сжимающее усилие резко умень-ется. Изгибающие моменты в основном положительны, наибольшее их ачение наблюдается в средней части складки. Вблизи ребра возни-ют отрицательные моменты.

Первые видимые кольцевые трещины появились при нагрузке 13 /м2, что составляет 75 % от разрушающей. На следующем этапе при грузке 14,2 кН/м2 было отмечено появление радиальных трещин оль швов, соединяющих ромбические элементы со складчатыми ко-рьками. С ростом нагрузки развивались кольцевые и радиальные ещины. К моменту разрушения радиальные трещины вдоль швов дос-гли значительного раскрытия (6...8 мм). При нагрузке 17,5 кН/м2 оизошло разрушение опорного сечения ромбического элемента от ецентренного сжатия. Проведенные исследования позволили выявить ему излома конструкции.

Анализ напряженно-деформированного состояния испытанной моде-А-2 показал , что жесткое сопряжение треугольных плит в коньке ладки препятствует взаимному повороту плоских плит при деформи-вании конструкции под нагрузкой. Это приводит к появлению зна-тельных усилий растяжения и сдвига в швах сопряжения плоских ит с ромбическими элементами. Нарушение связей в этих швах пов-'* кло за собой исключение приопорных треугольных плит из совмест-й работы по восприятию усилий опорной зоны и, в конечном итоге, квело к разрушению опорного сечения ромбического элемента от ецентренного сжатия.

Как показали экспериментальные исследования, усилия, возника-ие в меридиональных направлениях поля оболочки, не опасны для

конструкции, так как кольцевые сечения, воспринимающие эти у лия, обладают высокой жесткостью и прочностью за счет криволин ности ромбических элементов.

Анализ напряженно-деформированного состояния покрытия пс зал, что оно работало в основном в меридиональном направлении.

Проведенные исследования показали высокую жесткость, тре ностойкость и несущую способности исследуемых конструкций как наличии, так и при отсутствии козырьков. Прогиб центральной чг оболочки с козырьками при нагрузке 2,5 кН/м2, соответству! полной нормативной, составил 1/3300 пролета конструкции.

Сопоставлением напряженно-деформированного состояния мод< была выявлена степень влияния контурных складок-козырьков на боту конструкции в целом. Установлено, что включение козырью совместную с ромбическими элементами работу влечет за собой : чительное увеличение жесткости конструкции (до 1,3...1,5 р; При этом в приопорной зоне поля ромбических элементов возни: хорошо воспринимаемые бетоном сжимающие напряжения, где в отс твие козырьков имеют место растягивающие усилия.

В четвертой главе приводятся методики расчетов сборных об чек на ЭВМ в упругой стадии МКЭ^и на основе метода предель равновесия, производится сопоставление результатов расчета с периментальными данными.

Расчет моделей выполнен методом конечных элементов в лине постановке с использованием программного комплекса SAP-80. этом использованы две расчетные схемы.

Первая схема представляет конструкцию из восьми сопряже криволинейных ромбических элементов. По второй схеме рассматр ется конструкция из восьми ромбических элементов и восьми с док-козырьков.

Расчет выполнен для фрагмента, представляющего собой сектор в 1/16 плана оболочки. По границам фрагмента наложены связи, позволяющие создать необходимые граничные условия, которые учитывают совместную работу ромбических элементов. В расчетных схемах используются плоские оболочечные четырехугольные КЭ. имитирующие поле оболочки. Ребра конструкции и затяжка моделируются пространственными стержневыми элементами.

В результате проведенных расчетов получено напряженно-деформированное состояние моделей оболочек А-1 и А-2, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными. Предложено при определении деформаций натурной конструкции при действии постоянных и длительных нагрузок использовать в расчете модуль длительной деформации бетона

Е1.ь= Еь-фы/фЬ2.

где фЬ1, фЬ2 - коэффициенты, учитывающие влияние соответственно кратковременной и длительной ползучести бетона (по СНиП 2.03.01-84'); Еь- проектный начальный модуль деформаций бетона.

Для оценки несущей способности конструкции используется кинематический метод предельного равновесия.

Рассмотрим общий вид разрушения конструкции, полученный нами при испытании модели оболочки А-2. Схема разрушения - радиально-кольцевая (рис.2,а).

Работу внутренних сил запишем в виде:

У11п1 = 8 а ( м + кчп + нч„ ), 41)

где а - угол поворота жесткого диска II вокруг опорного контура; М - предельный изгибающий момент в кольцевом пластическом шарнире; N - проекция предельного усилия Г на направление, перпендикулярное затяжке в горизонтальной плоскости.

- 18 -N = 2 F cos Y sin (р. где К - угол наклона плоскости козырька к горизонтальной плоскости; <р - угол в горизонтальной плоскости; t„ - расстояние от кольцевого шарнира до равнодействующей усилий в пластическом шарнире; Н - проекция усилия в затяжке Н3 на направлении 1-2, Н = 2 Hs sin е. где 0 - половина центрального угла вершины ромба; th - расстояние от затяжки до кольцевого пластического шарнира.

Работа внешней нагрузки на виртуальном перемещении 5=1 по вертикали центрального диска определяется формулой:

Wext = 8 ( 1.4 P¡I* 6t + Р \ f5 «i) (2)

Здесь 5t - ордината эпюры вертикальных перемещений под силой Pj, где 1=1-8; Pj= Р2 = Р3 = Р4 = 1.4 Р ; Р5 = Р6 = Р7 = Р8 = Р

Из уравнения равновесия, записанного в форме равенства работ wext=wint получим:

а (М + N-t„ + н- th) Р = -— (3)

. . 1S.4 1 = 8

1-4 ih 51 + 1?5

В случае действия распределенных нагрузок работа внешних сил будет определяться по формуле:

Wext = 8 ( q1-v1 + q2-v2), где qj - равномерно распределенная нагрузка на ромбическом элементе; q2 - то же, на элементе козырька;

v1 - объем эпюры виртуальных перемещений на площади действия нагрузки qt; v2 - то же, на площади действия нагрузки q2.

Расчет несущей способности модели по разработанной методике показал, что расчетная величина разрушающей нагрузки на 2.3 % ниже экспериментальной. Основным фактором, влияющим на величину

а)

6)

0

Рис.2. К расчету несущей способности оболочки А-2:

а)схема разрушения; б) и В)поперечные сечения

разрушающей нагрузки, является несущая способность затяжки (75%).

Для достижения более благоприятного распределения усилий между основными элементами можно рекомендовать такое снижение жесткости конькового стыка козырьков, при котором при действии нагрузок формирование радиальных линий излома пойдет в основном за сч£т раскрытия коньковых стыков, а не за счет раскрытия швов между козырьками и ромбами.

Для варианта конструкции, в котором коньковый стык выполняется конструктивно шарнирным, расчет несущей способности куполь-но-складчатой оболочки следует выполнять согласно'следующей методике (рис.3).

Из выражения для суммы проекций всех сил на направление оси OY можно определить величину сжатой зоны х:

х = Ast"R3t ~ Abr'Rb (4)

5- Rb

.где Ast - площадь затяжки; Rst - расчетное сопротивление арматуры затяжки; АЬг - площадь сечения бетона верхнего кольца; 5 - толщина поля оболочки; Rb - призменная прочность бетона оболочки.

Сумма моментов внутренних сил:

х-sind

Mmt = 2 Abr-Rb-z + 2-x-6-Rb (z--)

2

Сумма моментов внешних сил:

Mext =2 (0/4) а + 2 (0/4) Ь - Q С где Q - результирующая от полной расчетной нагрузки, действующей в рассматриваемой половине.

Рис.4. Схемы компоновки покрытий из ромбических и треугольных элементов.

Из равенства внешних и внутренних сил получим:

х-э1па

2 (Аьг-Нь-2 + х-5'йь ( г -- )

Ц = --(5

а/2 + Ь/2 - с

Величина о. определяет предельную нагрузку на оболочку.

В пятой главе содержатся рекомендации по расчету и проекта

V

ванию купольно-складчатых оболочек из гнутоформованных и плос элементов. При проектировании натурной конструкции предлагае коньковый стык складки выполнить конструктивно шарнирным.

При необходимости перекрытия больших площадей можно идт! по пути увеличения пролета оболочек, а комбинации нескольких дельно стоящих оболочек-модулей предложенной конструкции как показано на рис.4.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основании проведенных исследований и архитектурнс нструктивных проработок предложена конструкция составной же; бетонной купольно-складчатой оболочки из тонкостенных простр твенных элементов, изготовляемых методом формования на п опалубке, и плоских тонкостенных элементов. Основными нес; элементами конструкции являются сопряженные радиально распол< ные ромбические элементы двоякой кривизны, образующие склад1 систему конической формы. Распор конструкции, возникающий вс, твие пространственной работы системы, воспринимается стально тяжкой, расположенной по периметру и соединяющей между опорные точки конструкции.

2. Экспериментально на двух железобетонных моделях, выполненных в масштабе 1:6 натуральной величины, исследовано напряженно-деформированное состояние купольно-складчатой оболочки при действии равномерно распределенной вертикальной нагрузки. Получены данные о распределении внутренних усилий в конструкции из восьми ромбических элементов в линейной стадии работы. Конструкция, дополненная козырьками из треугольных элементов, расположенных между ромбами, исследована на всех стадиях работы вплоть до разрушения.

3. Экспериментально выявлена высокая жесткость исследуемых конструкций как при наличии, так и при отсутствии козырьков. "'Прогиб центральной части оболочки при нагрузке 2,5 кН/м2. соответствующей полной нормативной нагрузке на натурную конструкцию, составил 1/3300 пролета.Подтверждена также высокая трещиностойкость исследованных конструкций.

4. Экспериментально установлено существенное влияние наличия складок-козырьков на статическую работу оболочки в целом. Изучены особенности деформирования оболочки при наличии и при отсутствии козырьков. Включение козырьков в совместную с ромбическими элементами работу влечет за собой значительное увеличение жесткости конструкции (до 1,3...1,5 раз).

5. Предложены расчетные схемы МКЭ, с использованием которых удовлетворительно описываются напряженно-деформированное состояние исследованных конструкций. Выполнены расчеты натурной конструкции в эксплуатационной стадии работы. Даны рекомендации по учету влияния длительности действия нагрузок.

6. В процессе исследования предельной стадии поведения конструкции получены экспериментальные данные о формировании и развитии радиально-кольцевой схемы излома оболочки.

7. Экспериментально выявлена высокая несущая способность исследуемой конструкции с козырьками. Разрушающая нагрузка превысила расчетную нагрузку на натурную конструкцию в 5 раз. При этом при сформировавшейся радиально-кольцевой схеме излома произошло локальное разрушение по одному из опорных сечений.

8. Разработана методика расчета несущей способности куполь-но-складчатых оболочек на основе кинематического метода предельного равновесия и выявленной радиально-кольцевой схемы излома. Уравнение равновесия в форме равенства работ внешних и внутренних сил показали соответствие результатов расчета и эксперимента. Дано обоснование полученной локальной схемы разрушения.

9. В результате анализа характера разрушения модели предложена усовершенствованная конструкция оболочки, обеспечивающая совместную работу ромбических элементов с плитами козырька до полного исчерпания прочности затяжки.

10. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны предложения по проектированию железобетонной оболочки из гнутоформованных и складчатых элементов. Использование технологии формования на гибкой опалубке для изго-товления_ элементов-оболочек по сравнению с изготовлением таких элементов' на жесткой криволинейной опалубке позволит снизить трудоемкость на 20 %. стоимость покрытия на 15 %. Даны предложения по реализации покрытий зданий и сооружений большой площади путе»/ комбинирования нескольких отдельно стоящих оболочек-модулей предложенной конструкции.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Акбердин Т.Ж., А.М.Эль-Сайед. Железобетонные составные оболочки из ромбических и складчатых элементов.- Депонировано в КазгосИНТИ 12. 06.1995, Регистрационный N0. 6191-Ка 95. - 7с.

2. А.М.Эль-Сайед. Исследование железобетонного покрытия из тонкостенных ромбических элементов.- Депонировано в КазгосИНТИ 12.06.1995, Регистрационный N0. 6192-Ка 95. - 7с.

3. А.М.Эль-Сайед. Исследование влияния складок-козырьков на работу железобетонного пространственного покрытия из гнутоформо-ванных элементов // Исследования сейсмостойкости сооружений и конструкций: Сб. науч. трудов КазНИИССА.- 1995,- выпуск 18 (28).-С. 251-253.

4. Шугаев В.В., Соколов Б.С.. А.М.Эль-Сайед Тахвия, Акбердин Т. Ж. Исследование железобетонной оболочки купольно-складчатого типа / Материалы международной конференции " Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций",- г. Белгород - БелГТАСМ. - 1995,- С. 96-98.

Summary of thesis Ahmed Mohamed El-Sayed Tahwia

on the subject "Reinforced concrete shells made of bent-formed elements and folded plates".

Submitted in partial fulfillment of the requirements for scientific degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY in the speciality: 05.23.01 " Structural Engineering

In this study, analysis of a new type of reinforced concrete composite shells is presented. Tests were carried out on^two reinforced concrete models at a scale of 1:6. The shell model was assembled from curvilinear rhombic elements and folded plates.

Rhombic elements are manufactured by bending of plane freshly-placed concrete plates on flexible formwork. Folded-plates are made by bending of flat hardened triangular concrete plates around the organized hinge.

Models were analysed by the finite element method with the aid of software complex SAP 80. Comparisons of the theoretical and experimental data of the stress-strain state of models showed good agreement. The effect of contour folded-plates on the behaviour of composite shells is considered and their beneficial effect on the stress-strain state of shells is shown. To design a shell by ultimate equilibrium method an experimentally derived crack, pattern is used. The Equations of limit equilibrium of the shells considered are obtained.

Experimental and theoretical studies have revealed high strength, rigidity and bearing capacity of the structures considered. On the basis of the results obtained suggestions and recommendations on the design of reinforced concrete composite shells are given.