Міцність і деформативність великопрольотної стержневої оболонки покриття з великим вирізом на еліптичному плані

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МІЦНІСТЬ І ДЕФОРМАТИВНІСТЬ ВЕЛИКОПРОЛЬОТНОЇ СТЕРЖНЕВОЇ ОБОЛОНКИ ПОКРИТТЯ З ВЕЛИКИМ ВИРІЗОМ НА ЕЛІПТИЧНОМУ ПЛАНІ

Спеціальність: Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Касімов Вадим Равильович

Макіївка, 2004 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час одним з видів просторових великопрольотних конструкцій, що розвиваються найбільш динамічно, цікавих в архітектурному і конструктивному відношенні, є стаціонарні покриття над трибунами стадіонів, що зводяться відповідно до вимог міжнародних футбольних організацій.

Наявний міжнародний досвід проектування і зведення подібних споруд, у тому числі й у Росії (перекриття трибун стадіону в Лужниках, м. Москва), не знайшов ще свого застосування в Україні.

Крім того, більшість стадіонів в Україні мають менші розміри (спочатку 40-45 тис. глядачів, а після оснащення індивідуальними сидіннями - 28-31 тис. глядачів), що знижує ефективність просторової роботи конструкцій, що використовуються, і вимагає додаткових досліджень зі встановлення їхніх раціональних геометричних форм, розробки інженерної методики розрахунку і проектування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру були виконані в межах держбюджетних тем Д-1-2-99 “Вдосконалення методів розрахунку та проектування конструкцій у вигляді оболонок та пластинок” (№держ. реєстрації 0199U000473), Д-2-1-00 “Удосконалення аналітичних і чисельних методів у розрахунках просторових будівельних конструкцій” (№держ. реєстрації 0100U000929), Д-2-4-03 “Розробка теоретичних основ та програмного забезпечення для проектування покриттів у вигляді оболонок довільної форми на підставі принципів будівельної інформатики” (№держ. реєстрації 0102U000586), та науково-дослідних роботах “Про результати обстеження й оцінки технічного стану несучих конструкцій центрального стадіону “Шахтар”, м. Донецьк” (№ держ. реєстрації 0102U007124), “Проведення комплексу робіт із проектування, оцінки технічного стану і розробки рекомендацій подальшої експлуатації інженерних об'єктів стадіону “Локомотив” (освітлювальні вежі, покриття над VIP зоною)” (№держ. реєстрації 0103U007732).

Мета досліджень - установити загальні закономірності зміни параметрів напружено-деформованого стану великопрольотної просторової стержневої оболонки покриття з великим вирізом на еліптичному плані в залежності від її просторових і жорсткісних характеристик і на їхній основі розробити методику розрахунку і проектування.

Задачі досліджень:

1) на основі загальних рівнянь лінійної теорії положистих оболонок одержати систему безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів, що виключають масштабний фактор при дослідженні рівнянь напружено-деформованого стану;

2) за допомогою варіювання просторово-жорсткісних параметрів провести чисельний експеримент зі встановлення залежностей між безрозмірними просторово-жорсткісними параметрами і безрозмірними параметрами напружено-деформованого стану;

3) виготовити модель оболонки покриття, що досіджується, і за допомогою проведення експериментальних досліджень уточнити встановлені теоретично закономірності в змінах напружено-деформованного стану;

4) на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розробити методику розрахунку і проектування великопрольотної просторової стержневої оболонки покриття з великим вирізом на еліптичному плані.

Об'єкт дослідження - великопрольотна стержнева оболонка покриття з великим вирізом на еліптичному плані.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан великопрольотної стержневої оболонки покриття з великим вирізом на еліптичному плані.

Методи дослідження:

1. Методи математичного моделювання;

2. Метод фізичного моделювання з застосуванням методів теорії подоби, експериментальні методи дослідження напружено-деформованого стану;

3. Загальні методи будівельної механіки і теорії пружності.

Наукову новизну отриманих результатів складають:

- система безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів, отриманих на основі розгляду загальних рівнянь статичної рівноваги конструкції;

- результати теоретичних і експериментальних досліджень, що відображають загальні закономірності зміни напружено-деформованого стану стержневої положистої оболонки з великим вирізом на еліптичному плані при дії основних розрахункових навантажень;

- установлені загальні залежності між безрозмірними просторово-жорсткісними параметрами конструкції і безрозмірними параметрами напружено-деформованого стану її основних елементів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Запропоновані геометричні параметри депланації внутрішнього опорного контуру і прольотної частини конструкції, що визначають раціональну геометрію великопрольотного покриття з великим вирізом на еліптичному плані;

2. Запропонована методика визначення вихідних жорсткісних характеристик основних елементів покриття, що забезпечують задані міцність і деформативність конструкції на підставі виконання вимог 1-го і 2-го граничних станів;

3. Запропонована методика визначення розрахункових зусиль в основних елементах конструкції, що дозволяє одержати результати з відхиленням 17-20% у порівнянні з чисельним розрахунком.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були викладені на трьох науково-технічних конференціях ДонДАБА в 1999-2002 роках, на семінарі “Сучасні проблеми проектування, будівництва й експлуатації на шляхах сполучення.” (22-23 червня 2000 р., м. Київ), на VII Українській науково- технічній конференції “Металеві конструкції” (2-6 жовтня 2000 р., м. Дніпропетровськ), на IV Міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини” (Одеса, 26 - 28 травня 2003 р.), на міжнародній науково-технічній конференції (вересень 2003 р. м. Дніпропетровськ), на міжнародній науково-практичній конференції “Баштові спорудження: матеріали, конструкції, технології” (18-20 листопада 2003 р., м. Макіївка), на міжнародній науково-технічній конференції “Будівництво і техногенна безпека” (м. Сімферополь, КДАПКБ 2002 р.), на міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених “Теорія і практика експериментальних досліджень будівель і споруд” (м. Суми СНАУ, 2002 р.). У повному обсязі матеріали дисертації викладено на науково-технічному семінарі кафедри “Металеві конструкції” ДонДАБА.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- отримано систему безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів конструкції, що визначають її поведінку під дією статичного навантаження;

- запропоновано підходи зі встановлення раціональної геометричної форми просторового стержневого покриття з великим вирізом на еліптичному плані;

- виготовлено великомасштабну модель просторового стержневого покриття і проведено її експериментальні дослідження;

- виконано обробку результатів теоретичних і експериментальних досліджень;

- розроблено інженерну методику розрахунку просторової стержневої оболонки з великим вирізом;

- на підставі запропонованого алгоритму розрахунку і проектування, розроблені проектні пропозиції з улаштування стаціонарних просторових стержневих покриттів над трибунами ЦС “Шахтар” і стадіону “Олімпійський” у м. Донецьку.

Публікації. Основний зміст дисертації висвітлений в 11 друкованих працях, у тому числі: 1 монографія, 8 статей опубліковані в спеціальних виданнях, затверджених ВАК України, 3 - без співавторів. Дисертація містить вступ, 4 розділи, висновки, список використаних джерел (120 найменувань), додаток.

Роботу викладено на 172 сторінках машинописного тексту, у тому числі 90 сторінка основного тексту, 12 сторінок списку літератури, 60 повних сторінок з рисунками і таблицями, 10 сторінок додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянутий об'єкт дослідження - просторова стержнева оболонка з великим вирізом на еліптичному плані, сформульовані актуальність, мета і задачі досліджень, наукова новизна роботи, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, структура і обсяг дисертації.

У розділі 1 розглянуто сучасний стан питання - аналіз конструктивних рішень, стаціонарних покриттів над трибунами стадіонів, їх методи монтажу, розрахунку і проектування.

Конструктивні схеми покриттів класифіковані за типом статичної роботи:

- балкові і рамні покриття;

- вантобалкові покриття;

- мембранні оболонки покриттів;

- підвішені оболонки і структури;

- стержневі оболонки покриттів.

Основи розрахунку оболонок були закладені ще в ХІХ столітті. Інтенсивного розвитку теорія оболонок зазнала з тридцятих років ХХ століття. У цей період були отримані і проаналізовані основні рівняння лінійної технічної теорії оболонок, у розвиток якої внесли великий вклад вчені Б.Г. Гальоркін, В.З. Власов, С.П. Тимошенко, А.І. Лур'є, О.О. Гвоздьов, В.В. Новожилов, Х.М. Муштарі, О.О. Назаров. Питаннями розрахунку і проектування сучасних великопрольотних просторових оболонок займалися В.І. Трофимов, П.Г. Єремєєв, І.Г. Людковський, М.В. Канчелі, В.В. Стоянов, В.П. Мущанов, І.М. Лебедич та ін.

На підставі аналізу розглянутих типів конструкцій стаціонарних покриттів над трибунами сформульовані основні переваги, що має обраний тип - просторова стержнева оболонка з великим вирізом на еліптичному плані:

- архітектурно-конструктивна виразність;

- можливість реалізації природного водовідводу, що в мембранних покриттях важко здійснити;

- витрата металу приблизно дорівнює витраті при застосуванні конструкції мембранного типу, де основна частина металу витрачається на стабілізуючу систему та опорні контури;

- можливість зведення конструкцій покриття частинами, що актуально для фінансування великих будівельних проектів.

Оскільки розрахунок просторових стержневих оболонок приводить до рішення задач, що описуються системами нелінійних диференційних рівнянь, їхні рішення можна реалізувати за допомогою таких методів: методи рішення крайової задачі в сукупності з граничними умовами, мінімізації енергетичних функціоналів, що використовується для знаходження мінімального значення повної потенційної енергії деформованої системи. З огляду на складність розрахункової схеми конструкції (податливі опорні закріплення, високий ступінь статичної невизначеності, нелінійний характер роботи, несиметричні схеми навантаження, необхідність урахування послідовності монтажу при формуванні розрахункової схеми) при проведенні числових досліджень особлива увага приділена використанню МСЕ, як універсальному методу будівельної механіки. На основі вивчення питання визначена конструктивна схема стаціонарного покриття. Сформульовано мету і задачі досліджень.

У розділі 2 викладений підхід, розроблений для одержання системи просторово-жорсткісних безрозмірних параметрів, що на початковому етапі розрахунку дозволять визначити жорсткісні характеристики основних несучих елементів. З цією метою просторову стержневу положисту усічену оболонку приводимо до еквівалентної континуальної оболонки товщиною, де Ак.р., Ар.р. - площі поперечного перерізу кільцевого і радіального елементів відповідно, Sк.р., Sр.р. - кроки кільцевих й радіальних ребер, відповідно.

У якості вихідної використана система диференційних рівнянь рівноваги елементу оболонки (1), що записана з урахуванням допущень лінійної теорії положистих оболонок.

Розглядаючи далі систему рівнянь рівноваги по лінії примикання оболонки до контуру, дістанемо систему (2). Величини погонних зусиль, що використовуються в рівняннях (1) виражаються через відповідні деформації, що в свою чергу виражаються через переміщення.

Рівняння не використовується внаслідок шарнірного кріплення оболонки до контуру.

Застосовуючи безрозмірні координати:

Проведений аналіз системи диференціальних рівнянь дозволив виділити параметри як основні, що найбільше впливають на зміну напружено-деформованого стану конструкції, яка досліджується. З використанням основних безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів, був проведений числовий експеримент зі встановлення зазначених вище взаємозв'язків. У процесі проведених досліджень були отримані дані і залежності внутрішніх зусиль для радіальних елементів, орієнтованих уздовж головних півосей конструкції й у середній частині чверті схеми.

Аналогічні дані були отримані і для кільцевих елементів, а також для вертикальних переміщень внутрішнього опорного контура, що заслуговують на особливу увагу. Аналіз отриманих даних дозволив зробити наступні висновки:

1) нелінійні ефекти зміни безрозмірних параметрів напружено-деформованого стану на ділянці при обумовлені низькими жорсткісними характеристиками опорних конструкцій і прольотної частини, а також підвищеною деформативніcтю конструкції;

2) збільшення параметра супроводжується перерозподілом внутрішніх зусиль в елементах покриття, при цьому відзначається: різке зниження величин згинальних моментів, що діють у контурах, зростання поздовжніх сил, що діють у радіальних елементах прольотної частини покриття.

У розділі 3 представлені результати експериментальних досліджень. Для перевірки результатів чисельного експерименту і адекватності фактичної конструкції математичній моделі спорудження (розрахунковій схемі), були проведені експериментальні дослідження на великомасштабній моделі просторового стержневого покриття, виконаного у вигляді положистої оболонки позитивної Гауссової кривизни з поверхнею у виді еліптичного параболоїда. Вигляд моделі в процесі випробувань. При моделюванні використаний принцип прямої геометричної подоби з масштабним коефіцієнтом m = 1/100. Модель покриття випробувалася в пружній стадії на статичні навантаження. Під час проведення експерименту вимірювались відносні деформації зовнішнього, внутрішнього опорних контурів, радіальних і кільцевих ребер. Крім того, вимірювались вертикальні переміщення вузлів внутрішнього контура і прольотної частини покриття. Горизонтальні переміщення фіксувалися для зовнішнього опорного контура уздовж головних півосей і в середній частині чверті конструктивної схеми. Геометричні розміри моделі покриття у плані склали 2a x 2b = 2.5 x 1.7 м., зі стрілою підйому f = 170 мм. Загальні розміри моделі спроектовані відповідно до розмірів трибун ЦС “Шахтар” у м. Донецьку.

Застосовані у процесі експерименту схеми навантажень моделі використані відповідно до попереднього досвіду, що ґрунтується на раніше виконаних дослідженнях для подібного класу споруд. Величина розподіленого навантаження склала відповідно для постійного і тимчасового навантажень q = 0,5732 кН/м. кв. і s = 0,6865 кН/м. кв.. Тимчасове і постійне навантаження прикладалися поетапно і були розділені на чотири етапи по 0,1433 кН/м. кв. і 0,1716 кН/м. кв. відповідно. Навантаження прикладалося у вигляді системи підвіски дрібних вантажів. Дані, що отримані в процесі експериментальних досліджень, опрацьовувались способом найменших квадратів за допомогою програмних продуктів MathCAD, Microsoft Excel. Зіставлення результатів експерименту і теоретичних досліджень, що виконані за допомогою числового моделювання, при використанні найбільш розповсюдженого програмного комплексу SCAD 7.31 і програмного комплексу “CORONA”, що може робити розрахунки в геометрично нелінійній постановці і враховувати зміни розрахункової схеми, що обумовлені фактичною послідовністю монтажу, дозволяє зробити наступні висновки:

1) максимальні переміщення, що складають lp/350 для радіальних елементів, розташованих уздовж короткої осі спорудження і у середині чверті покриття, lp/682 - уздовж довгої осі, а отже і зусилля в більшості елементів конструкції, виникають при завантаженні її рівномірно розподіленими постійним і тимчасовим навантаженнями;

2) переміщення, що виникають при завантаженні конструкції нерівноваженим тимчасовим навантаженням, наприклад, складають усього 22-10% від максимальних переміщень навантаження;

3) збіг результатів експерименту з даними теоретичного розрахунку є задовільним(відхилення складає 8-25%), а зазначені відхилення в більшості представлених випадків нерівноважених завантажень відбуваються вбік перевищення експериментальних результатів над розрахунковими, що враховується при розробці остаточної редакції методики проектування конструкцій.

У розділі 4 На підставі отриманих результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблений алгоритм інженерної методики розрахунку просторово-стержневої оболонки з великим вирізом, що дозволяє визначати і оцінювати геометричні параметри, жорсткісні характеристики основних несучих елементів і параметри напружено-деформованного стану об'єкту що роглядається.

Наближена методика розроблена на основі даних чисельного експерименту, у ході якого варіювалися безрозмірні просторово-жорсткісні параметри:

Табл. - Функціональні залежності безрозмірного параметра згинаючого момента в радіальному елементі від безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів D:

Наближена методика розрахунку була апробована і використана при розрахунку просторового стержневого покриття над трибунами ЦС “Шахтар” і ЦС “Олімпійський”, м. Донецьк, як один з реалізованих етапів розроблених проектів комплексної реконструкції.

На підставі результатів виконаних теоретичних і експериментальних досліджень розроблена двостадійна методика розрахунку і проектування, що дозволяє на 1-й стадії визначити основні параметри напруженого деформованого стану її основних елементів з погрішністю 15-20%, жорсткісні і геометричні параметри становлять 12-17%. Геометричні параметри конструкції покриття, що забезпечують мінімальні переміщення від основних навантажень і раціональний розподіл зусиль рекомендується призначати:

- стрілу підйому радіальних елементів внутрішнього опорного контуру;

- загальну геометрію конструкції - у вигляді еліптичного параболоїду.

ВИСНОВКИ

1. Проведені експериментальні дослідження на великомасштабній моделі оболонки з вирізом підтвердили правильність встановлених залежностей. При цьому максимальні відхилення(до 21%) спостерігаються для параметрів напружено-деформованого стану елементів, розташованих у чверті покриття, для інших елементів розбіжність складає до 17%;

2. За допомогою результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблена методика розрахунку і проектування, що забезпечує одержання проектних рішень у вигляді раціональної конструктивної форми при дотриманні обмежень 1-го і 2-го граничних станів;

3. Запропонована методика апробована при розробці проектних пропозицій з комплексної реконструкції центральних стадіонів “Шахтар” і “Олімпійський”, м. Донецьк, що забезпечує показники витрати матеріалу 80-100 кг/м. кв., які знаходяться на рівні кращих світових зразків для розглянутого класу споруд. проектування конструкція будівельний

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Блажко В.Г., Касимов В.Р., Кулаков С.В. Исследование эффективности конструктивных решений пространственных покрытий над трибунами стадионов на 28-31 тыс. зрителей // “Монтажные и специальные работы в строительстве”, г. Москва, 2000. - вып. 6. - С. 24-29.

2. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Роменський И.В., Касимов В.Р., Блажко В.Г. Теоретические и экспериментальные исследования пространственных стационарных покрытий над трибунами стадионов VII украинская научно-техническая конференция “Металлические конструкции” науково-технічна конференція Металеві конструкції” 2-6 октября 2000 г. Зб. докладов. - Днепропетровск, 2000. - С. 74-77.

3. Мущанов В.Ф., Касимов В.Р., Блажко В.Г. Система безразмерных пространственно-жесткостных параметров пологих оболочек с большими вырезами //Сборник научных трудов конференции “Строительство и техногенная безопасность”. - Симферополь: КАПКС. - 2002 г. - вып. 7. - С. 60-63.

4. Мущанов В.Ф., Касимов В.Р. Система безразмерных пространственно-жесткостных параметров пологих оболочек с большими вырезами // “Металлические конструкции”. - Макеевка: ДонГАСА. - 2001. том IV вып. 1. - С. 15-18.

Размещено на Allbest.ru