Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО

УКРАЇНСЬКИЙ НАУЧНО-ДОСЛІДНИЙ ТА ПРОЕКТНИЙ ІНСТИТУТ

СТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ ІМЕНІ В.М. ШИМАНОВСЬКОГО

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СКЛАДЧАСТІ СКЛЕПІННЯ, ЩО ТРАНСФОРМУЮТЬСЯ

Сазанович Ю.М.

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Київ - 2002

Анотація

Сазанович Ю.М. Складчасті склепіння, що трансформуються. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Відкрите акціонерне товариство Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського, Київ, 2002.

Дисертація присвячена розробці і дослідженню конструкцій трансформованих складчастих склепінь з серпоподібних складок та розробці методики їх розрахунку. Наведені результати експериментів в лабораторних та натурних умовах на моделях і натурних зразках. Виконано розрахунково-теоретичне дослідження напружено-деформівного стану конструкції склепіння з порівнянням даних експерименту і розрахунку. Обгрунтована ефективність застосування склепінь для склепінчастих будівель та споруд. Впроваджено у будівництво алюмінієві склепіння як інвентарні будівлі.

Ключові слова: трансформовані складчасті склепіння з серпоподібних складок; формоутворення поверхні складок, напружено-деформівний стан конструкції, будівля, споруда, несівна здатність, міцність, деформативність.

Аннотация

Сазанович Ю. М. Складчатые трансформируемые своды. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Открытое акционерное общество Украинский научно-исследовательский и проектный институт стальных конструкций имени В.Н. Шимановского, Киев, 2002.

Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкций трансформируемых складчатых сводов из серповидных складок и разработке методики расчета таких конструкций. Приведены результаты экспериментов в лабораторных и естественных условиях на моделях и натуре с сопоставлением результатов данных экспериментов и расчета. Обоснована эффективность применения сводов для сводчатых зданий и сооружений. Внедрены в строительство алюминиевые своды в качестве инвентарных зданий.

Ключевые слова: трансформируемые складчатые своды из серповидных складок, формообразование поверхности складок, напряженно-деформированное состояние конструкции, здание, сооружение, несущая способность, прочность и деформативность.

Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость работы.

В разделе 1 приведен обзор и анализ конструктивных форм металлических бескаркасных складчатых зданий и сооружений из отдельных тонкостенных профилированных элементов-складок, методов их расчета, а также трансформируемых зданий и сооружений. Проведен анализ литературных источников, посвященных расчету и конструированию.

Раздел 2 посвящен разработке конструкции трансформируемого свода. Определены: принципиальные типы возможных узловых соединений складок по образующим; угол раскрытия и высота складок из условия минимизации массы конструкции. При разработке учтены требования, предъявляемых к строительным конструкциям.

В разделе 3 приведены конструкции сводов: трех моделей и натурного образца; и результаты экспериментальных исследований. Показано, что формообразование поверхности при раздвижке складок происходит плавно без локальных изломов и потери устойчивости листа складок в целом. Установлена прочность и надежность поясных соединений складок сводов в процессе экспериментов и в результате эксплуатации в естественных условиях. Подтверждена несущая способность конструкций и жесткость системы в целом. Сделаны выводы о фактической работе конструкций и напряженно-деформированном состоянии под нагрузками, в соответствии с чем определены предпосылки для построении расчетной методики.

Раздел 4 посвящен теоретическому исследованию работы свода. Приводится методика расчета формообразования поверхности. Проведена экспериментально-теоретическая оценка напряженно-деформированного состояния свода под нагрузками по трем расчетным схемам с предпосылками известных методов расчетов. Показано, что наиболее удовлетворительную сходимость по прогибам и напряжениям конструкции свода обеспечивает расчет по схемам 1 и 3.

В разделе 5 выполнен технико-экономический сопоставительный анализ сводчатого бескаркасного складчатого здания пролетом 24 м, который показал, что применение трансформируемых алюминиевых сводов в сопоставлениями с отдельными профилированными лоткообразными алюминиевыми элементами приводит к экономическому эффекту за счет экономии металла и трудозатрат на монтаже. В результате внедрения алюминиевых тонколистовых (t = 1мм) сводов в качестве здания получен экономический эффект и подтверждены высокие эксплуатационные свойства поверхности.

Abstract

Sazanovitch Yu. M. The folded transformable vaults. - The manuscript.

The thesis for candidate's degree award according to speciality 05.23.01 - civil engineering constructions, buildings and structures - Open Joint-Stock Company V. Shimanovsky Ukrainian Research and Design Institute of Steel Construction, Kyiv, 2002.

The thesis deals with development and research of the structures of transformable folded vaults made of sickle-like folds. The design procedure for an analysis of such structures is under construction. Experiments results obtained at laboratories and under natural conditions using models and full-scale tests along with a comparison of experimental data findings and calculations are given also. The efficiency in the use of vaults for vault-type buildings and structures is justified. The aluminium vaults used as an inventory building were introduced in civil engineering too.

Key words: transformable folded vaults made of sickle-like folds; shape-formation of folds surface; stressed-and strained state of the structure; building; installation, supporting power, strength and ability to deformations.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У світовій будівельній практиці одержали поширення безкаркасні склепінчасті будівлі та споруди багатоцільового призначення прольотом 12-24 м з окремих ромбічних, трапецієподібних, лоткоподібних і ін. Тонкостінних профільованих елементів, переважно алюмінієвих, у яких лист виконує несівні і огороджувальні функції. Проте застосування таких елементів ще не досить ефективно вирішує питання використання листа в конструкціях, їхньої заводської готовності та швидкості зведення, що пояснюється наступними обставинами:

- елементи працюють таким чином, що тільки вузькі ділянки у зоні перетину сприймають стиск, інша частина працює з зайвим запасом міцності, що призводить до нераціонального збільшення металоємності конструкції;

- будівлі з окремих елементів не є конструкціями повної заводської готовності, а з'єднання елементів між собою при зведенні збільшують трудовитрати та час монтажу.

Склепіння, що трансформуються, є найбільш близькими до них конструкціями, крім того мають позитивні відзнаки: підвищену заводську готовність, прискорене зведення, високу архітектурну виразність поверхні, раціональне використанням матеріалу в конструкції. Разом з тим, склепіння, що трансформуються, розроблені на рівні винаходів і відомості про них мають, в основному, інформаційний характер.

Таким чином, розробка і дослідження склепінь, що трансформуються, є актуальними, тому що дозволяють удосконалювати клас прогресивних складчастих конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами.

Дисертаційна робота відповідає тематиці загального плану наукових досліджень, які проводились в інституті за темами: “Лабораторно-експериментальні роботи з розробки, виготовлення та випробування моделі розсувної оболонки для промислових будівель і тимчасових споруд”, “Дослідження та випробування розсувних напружених оболонок покриттів”, “Дослідження окремих вузлів, обробка та впровадження розсувної оболонки”.

Мета і задачі дослідження .

Метою роботи є розробка та дослідження складчастих склепінь, що трансформуються, із серпоподібних складок.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Розробити конструкцію склепіння, що трансформується.

2. Експериментально дослідити фактичну роботу склепіння.

3. Розробити методику розрахунку напружено-деформівного стану конструкції.

4. Провести техніко-економічну оцінку застосування склепінь при створенні складчастих будівель та споруд.

5. Виробити практичні рекомендації по впровадженню та раціональному використанню складчастого склепіння

Об'єкт дослідження - складчасте склепіння, що трансформується, із серпоподібних тонколистових складок.

Предмет дослідження є працездатність конструкції покриття з трансформованих склепінь.

Методи досліджень засновані на визначенні роботи конструкції під навантаженнями в лабораторних умовах - на моделях, і в природних - на натурі, для порівняння результатів розрахунку, даних експериментів і фактичних вимірів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- розроблена конструкція трансформованого тонколистового складчастого склепіння з криволінійними складками;

- на модельних та натурних дослідженнях встановлено характер дійсної роботи трансформованого тонколистового склепіння з криволінійними складками при дії навантажень, розподілених по поверхні складок та зосереджених у вузлах нижніх поясів;

- розроблена методика розрахунків напружено-деформівного стану конструкції трансформованого тонколистового складчастого склепіння з криволінійними складками.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

– розроблені і досліджені тонколистові склепіння, застосування яких у будівництві для склепінчастих будівель та споруд має економічний ефект за рахунок економії металу і скорочення трудовитрат на монтажі при високій архітектурній виразності склепінчастої поверхні;

– розроблені практичні рекомендації по впровадженню та раціональному використанню складчастого склепіння.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- розроблена конструкція склепіння, що трансформується, з тонколистових серпоподібних складок;

- проведені експериментальні дослідження склепіння на моделях і натурній конструкції в лабораторних і природних умовах для оцінки фактичної роботи конструкції;

- виконане розрахунково-теоретичне дослідження напружено-деформівного стану конструкції склепіння з порівнянням даних експерименту і розрахунку;

- проведений техніко-економічний аналіз застосування склепінь для склепінчастих будівель та споруд і впроваджено у будівництво будівлі з склепіннями, що трансформуються, з алюмінієвими складками.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи і матеріали досліджень оприлюднені та обговорювалися:

– на науково-технічній раді інституту Укрндіпроектстальконструкція, м. Київ, 1989 р.;

– на науково-технічній раді інституту ЦНДІБК ім. Кучеренка, м. Москва, 1991 р.;

– на спільному засіданні науково-дослідного та проектного відділу нових типів конструкцій і науково-дослідного та проектного відділу цивільних та промислових будівель інституту Укрндіпроектстальконструкція , м.Київ, 1999 р.;

– на науково-технічній раді інституту ВАТ Укрндіпроектстальконструкція ім. В.М.Шимановського, м.Київ, 2002 р.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована її мета, визначені наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі дані огляд і аналіз конструктивних форм металевих безкаркасних складчастих будівель та споруд з окремих (ромбічних, лоткоподібних та складної конфігурації) тонкостінних профільованих елементів-складок, методів їхнього розрахунку, а також будівель, що трансформуються, і споруд.

Показано, що будівлі з окремих елементів відрізняються низькою металоємністю, технологічністю, зручністю перевезення і зведення, мають привабливий зовнішній вигляд і знаходять все більше застосування у будівельній практиці. З'єднання елементів здійснюється на болтах через відбортовки та фланці.

Разом з тим, на підставі аналізу конструкцій з окремих елементів показано, що в них ще не досить раціонально використовується матеріал, тому що у перерізі елементи працюють таким чином, що з умови стійкості листа тільки вузькі ділянки його сприймають стиск, інша частина працює з зайвим запасом міцності, що призводить до нераціонального збільшення металоємності конструкції в цілому. Будівля розчленована на окремі елементи і, отже, не є конструкціями повної заводської готовності, а з'єднання елементів між собою на будівельному майданчику призводить до збільшення трудовитрат та часу на монтажі.

Показано, що будівлі та споруди, що трансформуються, як і будівлі з окремих елементів, відповідають вимогам, що ставляться до сучасних металевих конструкцій, крім цього відрізняються практично повною заводською готовністю і прискореним способом зведення, що є їхньою перевагою в порівнянні з конструкціями з окремих елементів. Конструкції виготовляються у вигляді пакета, потім у спакетованому стані транспортуються на будівельний майданчик, де розтяжкою трансформуються в будівлю чи споруду. При цьому особливо відрізняються склепіння, що трансформуються, із серпоподібних складок, які вигідно відрізняються від інших конструкцій, що трансформуються, розманітістю форм і плавним вигином поверхні, можливістю створення більш раціональної статичної схеми поперечника будівлі, архітектурною виразністю поверхні. Такі споруди виготовляються в заводських умовах із плоских складок, з'єднаних між собою по крайках верхніх і нижніх твірних ліній у пакет, потім у спакетованому стані доставляються до місця зведення, де за допомогою розтяжки пакета трансформуються в поверхню склепінчастого хвилеподібного вигляду.

На підставі вище наведеного робиться висновок, що склепіння, що трансформуються, є новою формою прогресивних металевих будівельних складчастих конструкцій.

Разом з тим, показано, що складчасті конструкції, що трансформуються, розроблені на рівні винаходів і відомості про них в основному мають інформаційний характер. Таким чином, розробка і дослідження склепінь, що трансформуються, дозволяють удосконалювати клас прогресивних складчастих конструкцій у напрямку підвищення ступеня заводської готовності, скорочення термінів зведення, більш раціонального використання матеріалу в конструкції.

Надаються відомості про експериментально-теоретичні дослідження тонкостінних безкаркасних складчастих конструкцій. Відмічаються роботи В.А. Аденського, В.Д. Жидкова, А.Я. Прицкера, В.І. Трофімова, М.С. Фрідмана, О.О. Нілова та інших.

В роботах В.Д. Жидкова, А.Я. Прицкера, В.І. Трофімова наводяться розрахунки тонколистових склепінь з ромбічних і лоткоподібних елементів і робляться порівняння з результатами експериментів.

Методика розрахунку полягає у розв'язанні загальної статичної задачі і визначенні робочої площі перерізу, що сприймає внутрішні зусилля у склепінні. Дослідження показали, що при дії в перерізі однієї нормальної сили у робочий переріз необхідно включати вузькі смуги листа, що прилягають до кутів перегину - “перший розрахунковий переріз”; при дії в перерізі одного згинального моменту (чи М з N) у робочий переріз включаються вузькі смуги листа, у розтягнутій зоні - уся площа перерізу - “другий розрахунковий переріз”; подальші дослідження показали, що при епюрі напруги з протилежними знаками уся розтягнута зона перерізу цілком включається в роботу, у стиснутій зоні в робочий переріз додатково включаються також ділянки листа, що прилягають до розтягненої зони біля нейтральної осі - “третій розрахунковий переріз”.

Разом з тим відзначається, що дослідження роботи тонкостінних складчастих конструкцій нечисленні і стосуються склепінь з ромбічних та лоткоподібних елементів, що утворюють поверхню склепіння у вигляді плоских пластин. Відсутні експериментально-теоретичні дослідження склепінь, поверхня яких утворена тонколистовими криволінійними вигнутими складками.

Відповідно до викладеного визначена мета і задачі дослідження.

Другий розділ присвячений розробці конструкції склепіння, що трансформується.

Відмінною рисою конструкції є серпоподібні складки, з'єднані по твірних лініях. Розглядаються принципові конструктивні рішення з'єднань: на трубчастих, типу поворотних петель, шарнірах, пластинчастих шарнірах і щільні через елементи жорсткості поясів.

Визначено оптимальні кут розкриття (120є) і висота складок (1,5-2,0 м) з умови мінімізації маси склепіння на 1 м² поверхні, що покривається.

При розробці склепіння враховані поставлені до будівельних конструкцій основні вимоги:

- конструкція виконується у вигляді заводських відправних (укрупнених) марок;

- забезпечується ефективне сполучення несівних та огороджувальних функцій за рахунок пристрою елементів жорсткості в поясах склепіння та листа, що виконує, в основному, огороджувальні функції;

- наводяться принципові схеми трансформації поверхні склепіння розсуненням спакетованої конструкції з горизонтального чи вертикального положень пакета.

У третьому розділі наведені конструкції склепіння, методика та результати експериментальних досліджень моделей і натурного зразка. Конструкції виготовлялися у спакетованому стані, потім розсуненням складок трансформувалися у склепінну поверхню.

Досліджувалися: формоутворення поверхні в процесі трансформації, дійсна робота і напружено-деформівний стан конструкцій під навантаженнями. Моделі навантажувалися рівномірно розподіленим навантаженням (пісок, суміш піску і тирси), прикладеним між склепіннями по всій довжині прольоту, натурне склепіння навантажувалося зосередженими вантажами, прикладеними до нижніх поясів у середині прольоту.

Модель 1 (масштаб 1:30) містила 6 складок 0,1 мм завтовшки, 250 мм заввишки із сталі Ст.3. З'єднання складок по твірних лініях виконані на пластинчастих шарнірах; усі з'єднання в конструкції виконані паянням. Трансформована поверхня складалася з трьох склепінь прольотом 1465 мм Л-подібного перетину висотою 150 мм, шириною 400 мм, з елементами жорсткості у поясах з кутків 3Ч0,25 мм.

Модель випробувалася при шарнірному опиранні нижніх поясів. Розпір по нижніх поясах сприймався упорами, по верхнім - затяжками зі сталевого дроту 1 мм. У процесі навантаження моделі вимірювалися прогини і горизонтальні переміщення поясів, прогини листа складок у середині прольоту.

Модель 2 (масштаб 1:6) містила 6 складок товщиною 0,7 мм, висотою 1250 мм зі сталі Ст.3. З'єднання складок по твірним лініям виконані на поворотних трубчастих шарнірах. Трансформована поверхня моделі складалася з трьох склепінь прольотом 5060 мм Л-подібного перетину висотою 750 мм, шириною 2000 мм. Модель випробовувалася при шарнірному закріпленні одного ряду нижніх поясів, інший вільно опирався. У процесі навантаження вимірялися прогини і горизонтальні переміщення поясів, відносні деформації в листі складок середнього склепіння.

Модель 3 (масштаб 1:6) включала 8 складок товщиною 0,5 мм, висотою 1250 мм з алюмінію АМг6 з радіальним оребренням поверхневими куточками 10100,5 мм АМг6 через 300 мм. З'єднання складок по утворюючим виконані на пластинчастих шарнірах. Усі з'єднання в конструкції виконані на закладках 3 мм. Трансформована поверхня моделі складалася з чотирьох склепінь прольотом 7330 мм Л - образного перетину висотою 752 мм, шириною 2000 мм з елементами твердості в поясах з куточків 151,0 мм і 120,1 мм. Модель випробувалася при шарнірному обпиранні нижніх поясів; розпір сприймався сталевими затягуваннями 12 мм. У процесі навантаження моделі вимірялися прогини і горизонтальні переміщення поясів, прогини листа складок, відносні деформації в поясах і листі складок, зусилля в затягуваннях.

Натурна конструкція містила 14 складок товщиною 1 мм, висотою 1520 мм з алюмінієвого листа Амг-М, з радіальним оребренням у вигляді виштампуваних із кроком 175 мм гофрів довжиною 1450 мм, шириною 25 мм, висотою 5 мм. З'єднання складок по твірним виконані склепкою крайок через сталеві куточки 32203 мм. Усі з'єднання в конструкції виконані на алюмінієвих заклепках 3 мм. У трансформованому стані поверхня конструкції складалася з 7 склепінь напівокружного обрису прольотом 8160 мм Л-подібного перерізу висотою 700 мм, шириною 2640 мм з елементами жорсткості у поясах з куточків. Закріплення перетинів на фундаментах здійснено приварюванням поясних куточків до заставних. У торцях встановлювалися фахверки з профільованого настилу з заскленням і прорізом воріт. Маса оболонки будівлі на 1 м² поверхні, що покривається, склала 7,4 кг (з них алюмінію 2,6 кг - 4,8 кг). У процесі навантаження вимірювалялися прогини поясів і відносні деформації у поясах середнього склепіння.

Усі моделі випробовувалися на рівномірно розподілене навантаження (пісок; суміш піску та тирси), яке прикладається поетапно між склепіннями на всьому прольоті. Натурна конструкція випробовувалася на зосереджені навантаження, прикладені до нижніх поясів у вигляді вантажів, у середині прольоту всіх склепінь.

Прогини і переміщення досліджуваних моделей і натури вимірювалися індикаторами годиникового типу та прогиномірами Максимова (ц. п. 0,1 мм), відносні деформації - тензорезисторами (база 5 і 10 мм) одиночними та “розетками”, зусилля затягування - динамометрами.

У розділі наводяться дані про напружено-деформівний стан конструкцій склепінь на різних етапах і стадіях експериментів.

У результаті експериментальних досліджень:

- встановлено, що формоутворення поверхні відбувається плавно без локальних зламів і втрати стійкості листа склепіння у цілому; виявлено напружений стан складок при вигині їх у процесі формоутворення;

- встановлена міцність і надійність вузлових поясних з'єднань складок склепіння у процесі експериментів і в результаті експлуатації в природних умовах;

- підтверджена несівна здатність конструкцій і жорсткість системи в цілому;

- встановлено вплив деформативності листової поверхні на загальну жорсткість конструкції;

- визначений напружено-деформівний стан конструкцій під навантаженнями;

- зроблені висновки про фактичну роботу конструкцій, відповідно до чого визначені передумови для побудови розрахункової методики.

Четвертий розділ присвячений теоретичному дослідженню роботи склепіння, що трансформується.

Наводиться методика розрахунку формоутворення поверхні. Проведено експериментально-теоретичну оцінку напружено-деформівного стану склепіння під навантаженням за трьома розрахунковими схемами з порівнянням розрахункових і експериментальних даних.

При створенні розрахункових схем (1, 2 і 3) були використані передумови відомих методів розрахунку на міцність і деформативность, відповідно: розрахунку склепінчастих складчастих безкаркасних будівель з тонкостінних ромбічних і лоткоподібних профільованих елементів; розрахунку опорних контурів мембранно-аркової системи сталевого покриття велотреку в Крилатському (Москва); методу стрижневої апроксимації, що дозволило оцінити роботу конструкції з різних позицій і можливість застосування розглянутих схем.

Розрахунок формоутворення поверхні виконаний з огляду на залежність між плоскими і перетвореними в криволінійну поверхню складками. Відповідно до ізометричного перетворення поверхонь, що розгортаються, такі деформації можливі, якщо в процесі перетворень не відбуваються розтяг та стиск серединної поверхні, і при якому залишається постійним співвідношення

, (1)

де h_ИС,, h_ПР - висота складки і склепіння; R_ИС; R_ПР - радіус тірної складки і склепіння. Пропонована залежність дає можливість розраховувати геометричні параметри склепінь та складок кругових і еліптичних.

З виразу (1) визначаються:

; (2)

; (3)

; (4)

, (5)

де S_ИС - довжина дуги радіуса R.

У складках, окреслених сполученими радіусами R і r, геометричні параметри поверхні в перетвореному стані радіуса R, будуть мати вид відповідно до виразів (2) - (5), радіуса r - за аналогією.

У процесі формоутворення поверхні в листі і поясах склепіння виникають попередні згинні напруги у_пн. Вираз вигину складки має вид

. (6)

Вважаючи R(x)=const, М(x)=const (умова геометричного перетворення поверхні складок) і пертворюючи вираз (6) щодо напруги, одержимо

, (7)

де E, R_ПР, z - модуль пружності, радіус вигину складки і відстань даної точки перетину до нейтральної осі в площині складки.

За розрахунковою схемою 1 розглядається склепіння V-подібного перетину, внутрішні зусилля М и N у якому визначаються методом сил, при цьому в робочу площу перетину включаються елементи жорсткості поясів (куточки) і ділянки листів складок, розташованих між ними, а також вузькі ділянки С, що примикають до них, їхня ширина приймається відповідно до редукційних коефіцієнтів; інша частина листа виключається з роботи перетину через втрату стійкості.

Напруги в перерізах і прогини поясів визначаються за формулами:

; (8)

, (9)

де F, W і I - площа, моменти опору та інерції розрахункового перерізу склепіння.

За розрахунковою схемою 2 розглядається склепіння -подібного перетину, поверхня якого утворена спареними мембранними оболонками з опорними контурами у вигляді поясів. Мембрана сприймає рівномірно розподілене навантаження і передає його на пояси як мембранні сили (рис.9), в результаті пояси працюють, як арки, що деформуються у пружному середовищі, утвореному натягнутою мембраною. Відпірність пружного середовища в місці контакту з опорним контуром характеризується коефіцієнтом постелі

, (10)

де H_M - погонне мембранне навантаження; о - відносне подовження одиничної смужки мембрани; R - радіус арки.

Вираз вигнутої осі склепіння приймається у виді ряду

(11)

який задовольняє граничним умовам задачі

W_(o) = W_(s) = 0, Wґ_(o) = Wґ_(s) = 0, WЅ_(o) = WЅ_(s) ? 0,

де S - довжина осі склепіння.

При утриманні в ряді трьох перших членів, рівняння пружної лінії склепіння матиме вид

. (12)

Для вирішення задачі застосований варіаційний метод Рітца. Виходячи з повної потенційної енергії пружної системи (V-A) і застосовуючи принцип можливих переміщень д (V-A), одержимо наступну систему варіаційних рівнянь:

, (13)

де V=(V_и+V_сж+V_з+V_у) - повна енергія деформації системи, що складається: з енергії вигину склепіння V_И, енергії стиску V_сж, енергії розтягу затяжки V_з, енергії деформації пружної основи V_у ; A - робота зовнішніх сил.

Енергія вигину склепіння має вираз

, (14)

де ЕI - жорсткість склепіння при вигині в площині кривизни.

Для визначення енергії стиску склепіння розглянемо укорочення її вісі між початковою і деформованою довжинами дуг

, (15)

де y - рівняння вісі склепіння.

Інтегрування (15) при параболічній арці приводиться до

, (16)

де n=n_о m; n_о=8 f / L; m=W_сж / (W_сж+W_и)=0,4-0,5 - поправочний коефіцієнт на збільшення прогину, викликаного зсувом опор; W₁ - прогин у замку склепіння, обумовлений викривленням його вісі, що відповідає першому члену ряду (12); L - проліт склепіння; f - стріла підйому склепіння в замку.

Тоді енергія стиску склепіння дорівнює

, (17)

де Е, F - модуль пружності і площа перерізу склепіння.

Енергія розтягу затяжки дорівнює

, (18)

де ; N₃ = (N / cosц₁ - Q + 0,5 R_V tgц₁₎ - зусилля у затяжці; N = 0,5 R_v sinц₁+Т cosц₁ - середнє значення подовжньої сили у склепінні; F_з - площа перерізу затяжки; Е_з , l_з - модуль пружності і довжина затяжки; Q = R_V f_тр - сила тертя опори склепіння по основі; R_V- вертикальна опорна реакція; ц₁ - кут нахилу дотичної до осі склепіння у чверті прольоту.

Енергія деформації пружної основи V_У , дорівнює

, (19)

де К_П - коефіцієнт постелі пружної основи, утвореної натягнутою під поперечним навантаженням мембраною.

Робота зовнішніх сил А має вираз

, (20)

де Н - погонне мембранне навантаження в площині мембрани (листа).

Навантаження, що припадає на пояси склепіння у площині мембрани, дорівнює

(21)

де Q_в, Q_н - вертикальні складові опорних реакцій мембранних сил для верхнього і нижнього поясів склепіння; С - різниця висот верхнього і нижнього поясів склепіння; l_м - проліт мембрани (висота складки); f_м - стрілка прогину мембрани; б - кут нахилу мембрани до горизонтальної площини.

Прогини поясів склепіння визначаються з системи варіаційних рівнянь (12), що можуть бути записані у виді

. (22)

Значення коефіцієнтів даної системи обчислені, виходячи з варіаційного вирішення задачі і мають вид:

, (23)

де Р_ТР - сила тертя опори по основі.

Чисельне рішення системи (22) дозволяє одержати значення невідомих параметрів W₁, W₂, W₃. Тоді прогин склепіння в замку визначається за формулою

. (24)

Згинальний момент у радіальних перерізах склепіння

, (25)

де ц - кут нахилу горизонталі дотичної до вісі склепіння в розглянутому перерізі.

Епюра згинальних моментів у склепінні з огляду на (12) і (25) може бути побудована відповідно до рівняння

. (26)

Подовжня стискаюча сила у замку склепіння, з врахуванням отриманого вище співвідношення між укороченням осі арки та її прогином, визначається за формулою

, (27)

де Т - розпір склепіння.

Як розрахункова схема 3 розглядається шарнірно-стрижневе склепіння із плоскою системою умовних стійок і розкосів, що апроксимують листову поверхню складок.

Стояки стиснуті й орієнтовані в радіальному напрямку, розкоси - розтягнені під кутом 45° до них. У робочу площу стійок, згідно з експериментальними даними, включається лист шириною 280 мм, у робочу площу розкосів, за аналогією з мембраною натягнутої між кутами відсіку, включається лист шириною 300·t. Робоча площа поясів приймалася відповідно до розрахункової схеми 1. Навантаження прикладається в нижніх вузлах поясів у вигляді зосереджених вантажів. Зміна жорсткості стійок і розкосів враховується розрахунковими коефіцієнтами, відповідно до чого прогин системи має вираз

, (28)

де - сумарні переміщення поясів, стійок і розкосів під індексами “П, С и Р”; К_c; К_p - коефіцієнти, що враховують зміну жорсткості стійок і розкосів відповідно до апроксимації поверхні складок плоскою системою; К_cу - коефіцієнт, що враховує зміну жорсткості стійок відповідно до вигину поверхні складок під поперечним навантаженням; К_Pг,к - коефіцієнт, що враховує зміну жорсткості розкосів відповідно до гофрування та кривизни поверхні складок.

Коефіцієнти К_С і К_Су, обчислені з розгляду перерізу склепіння уздовж радіального напрямку і дорівнюють

,

де l_Nc, l_pc - укорочення умовної стійки і листового ребра складки; EF_pc - жорсткість листового ребра шириною 280 мм.

Коефіцієнти К_Р і К_Рг,к обчислені з розгляду перерізу складки під 45 до її висоти і мають вид

,

де Дl_Np, Дl_Nл - подовження умовного розкосу і листа складки; EF_Л - жорсткість листа шириною 300·t / cos450; n_Г - кількість гофрів у межах перерізу.

На підставі результатів розрахунків склепіння моделі 3 і натури і порівняння їх з експериментальними даними .

В п'ятому розділі виконано техніко-економічний порівняльний аналіз склепінного складчастого будинку прольотом 24 м, який показав, что застосування алюмінієвих склепінь, що трансформуються, у порівнянні з окремими профільованими лоткоподібними алюмінієвими елементами приводить до економічного ефекту за рахунок економії металу і скорочення трудозатрат на монтажі. У результаті впровадження алюмінієвого тонколистового (t = 1мм) склепіння як будівля 540 м³ отриманий економічний ефект і підтверджені високі експлуатаційні властивості склепінної поверхні.

Основні висновки

У дисертаційній роботі розроблена і теоретично досліджена нова прогресивна безкаркасна складчаста конструкція - склепіння, що трансформується, із криволінійних складок, яка відрізняється підвищеним ступенем заводської готовності і прискореним способом монтажу. Новизна об'єкта дослідження, розглянутого в дисертації, захищена авт. свід. (А.с. № 732468; А.с. № 894108).

Основні результати, отримані в дисертаційній роботі, наступні:

1. Розроблено складчасте тонколистове склепіння оптимального перерізу, що трансформується, з варіантами принципових конструктивних рішень з'єднань складок по криволінійним твірним лініям.

2. На підставі експериментальних досліджень моделей склепіння масштабів 1/30 і 1/6 зі сталі й алюмінію, а також натурної будівлі з алюмінієвих склепінь, що трансформуються, на рівномірно розподілені і зосереджені навантаження встановлено:

- розроблені тонколистові склепіння є жорсткими та міцними конструкціями, здатними сприймати рівномірне на поверхню складок і зосереджені до нижніх поясів навантаження;

- нормальні зусилля в склепінні від поздовжніх сил і згинальних моментів сприймаються поясами в складі елементів жорсткості і ділянками листа складок, що примикають до них, з розрахунковою шириною, що приймається відповідно до редукційних коефіцієнтів; інша частина листа виключається з роботи перерізу внаслідок втрати стійкості;

- прогини поясів внаслідок деформативності листової поверхні складок мають криволінійний характер наростання;

- поверхня складок деформується у вигляді зон прогинів у межах листових відсіків з розмірами, близькими до квадратних, між якими за рахунок суміжних зон прогинів утворюються листові ребра-ділянки - поверхні з підвищеною жорсткістю та стійкістю; ширина ребер, що утворюються при рівномірно розподіленому навантаженні, визначена в межах 280 мм.

3. За результатами експериментальних досліджень про фактичну роботу тонколистових склепінь під навантаженнями визначені вихідні передумови і на їхній основі побудована методика розрахунку.

4. На підставі результатів теоретичних досліджень роботи тонколистового склепіння відповідно до трьох розрахункових схем установлено, що розрахункова схема 3 (шарнірно стрижневе склепіння з плоскою системою умовних стійок і розкосів, що апроксимують поверхню складок) призводить до задовільної збіжності з результатами експерименту як за напругами (I6-18%), так і за прогинами (5-11%), і може бути рекомендована для розрахунку склепінь із криволінійними тонколистовими складками.

5. Підтверджено економічну доцільність застосування алюмінієвих склепінь, що трансформуються, для склепінних споруд прольотом до 24 м.

6. Впроваджені у будівництво алюмінієві тонколистові склепіння як складські будівлі замість будівель зі збірних залізобетонних конструкцій.

безкаркасний деформовний склепіння

Список опублікованих праць

1. Сазанович Ю.М. Складчасті будівлі та споруди із трансформованих складок // Будівництво України. - 2002. - №. 1. - С. 31-32.

2. Сазанович Ю.М. Дослідження тонколистового складчастого склепіння // Будівництво України. - 2002. - № 2. - С. 20-22.

3. Сазанович Ю.М. Экспериментальное исследование раздвижной алюминиевой оболочки // Строительная механика и расчет сооружений. - 1981. - № 2. - С.56-59.

4. Трофимов В.И. Переяславцев Н.А., Сазанович Ю.М. Расчет и экспериментальное исследование трансформируемого тонколистового складчатого покрытия // Строительная механика и расчет сооружений. - 1977. - № 6. - С.30-33.

5. Сазанович Ю.М. Трансформируемые складчатые конструкции // Энергетическое строительство. - 1978. - № 7. С.18-19.

6. А.с. 732468 СССР, МКИ Е04В/1/32. Складчатая конструкция // Ю.М. Сазанович. - Опубл. 05.05.80, бюл. № 17.

7. А.с. 894108 СССР, МКИ Е04В7/08, E04BI/32. Складчатая конструкция // Ю.М. Сазанович. - Опубл. 30.12.81, бюл. № 48.

Размещено на Allbest.ru

...