Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОСОБЛИВОСТІ ПРОСТОРОВОЇ РОБОТИ ВИСЯЧОГО ПОКРИТТЯ,

ЩО УТВОРЮЄТЬСЯ СИСТЕМОЮ ЖОРСТКИХ НИТОК

Руднєва Ірина Миколаївна

УДК 624.014 : 624.074 : 692.49 : 624.011.78

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Макіївка - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури (ДонНАБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Мущанов Володимир Пилипович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, проректор, завідувач кафедри теоретичної і прикладної механіки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Пічугін Сергій Федорович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри конструкцій з металу, дерева і пластмас;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Лебедич Ігор Миколайович, завідувач відділу нових типів конструкцій ВАТ „УкрНДІпроектстальконструкція” ім. В.М. Шимановського, м. Київ.

Провідна установа: Одеська державна академія будівництва і архітектури, кафедра металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “ 14 ” квітня 2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 в Донбаській національній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, Зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий “ 13 ” березня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Зайченко М.М.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

огороджуючий конструкція покриття

Актуальність теми. За останні роки прогрес техніки і підвищені вимоги до великопролітних споруд дали поштовх подальшому будівництву та реконструкції таких споруджень, як стадіони.

Поряд із задоволенням вимог спортивної технології при проектуванні стадіонів ставиться задача забезпечення максимальних зручностей для глядачів. Одним з аспектів цієї задачі є захист трибун від атмосферних опадів, що досягається введенням до складу конструкцій стадіонів різного роду навісів, козирків, покриттів.

В даний час одним з видів просторових великопролітних конструкцій, що найбільш динамічно розвиваються, інтересних в архітектурному і конструктивному відношенні, є стаціонарні висячі покриття над трибунами стадіонів, що зводяться відповідно до вимог міжнародних футбольних організацій. Переважна більшість висячих конструкцій з згинально-жорстких ниток, запроектованих раніше, мають огороджуючу конструкцію, яка не здатна пропускати сонячне світло. Цю проблему можна вирішити при застосуванні світлопрозорих матеріалів, наприклад, полікарбонатних пластиків, які до того ж значно удешевляють і полегшують конструкцію покриття. В той же час у сучасній літературі практично відсутні дані щодо спільної роботи несучих елементів висячих покриттів з світлопрозорими вуглепластиками, а також нормування снігових навантажень на огороджуючі конструкції з вуглепластиків.

Отже, вивчення напружено-деформованого стану великопрольотних просторових конструкцій із згинально-жорстких ниток спільно з огороджуючою конструкцією з вуглепластиків є актуальним, а отримані результати можуть представляти теоретичний і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає актуальним напрямкам науково - технічної політики України відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № 409 від 5.05.1997р. та № 1331 від 8.10.2004р. у напрямку забезпечення надійності конструкцій на всіх стадіях їх життєвого циклу. Дисертація виконана в межах держбюджетної науково - дослідної теми на замовлення Міністерства освіти і науки України № Д-2-1-00 “Створення теоретичних та технологічних засад технічної діагностики та прогнозування технічного стану будівельних металевих конструкцій” (держ. реєстр. № 0100U000929) та № Д-2-4-03 “Розробка теоретичних основ та програмного забезпечення для проектування покриттів у вигляді оболонок довільної форми на підставі принципів будівельної інформатики ” (держ. реєстр. № 0103U000586).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методики розрахунку і проектування конструкції покриття у вигляді великопрольотної положистої висячої оболонки з вирізом на еліптичному плані, утвореної системою згинально-жорстких ниток наскрізного перерізу, що дозволяє забезпечити експлуатаційну надійність огороджуючих конструкцій, виконаних з полікарбонатних вуглепластиків.

При цьому вирішити наступні задачі:

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

2) розробити і виготовити великомасштабну модель блоку висячих ферм, що представляє собою фрагмент оболонки покриття, і за допомогою результатів експериментальних досліджень уточнити встановлені теоретично закономірності в змінах напружено - деформованого стану;

3) провести натурні дослідження величини і характеру відкладення снігового навантаження на покриття з огороджуючою конструкцією з вуглепластику “Danpalon”;

4) вивчити міцнісні й деформативні властивості сучасного світлопрозорого полікарбонатного пластику “Danpalon” у вихідному стані й у результаті старіння;

5) з'ясувати дані про напружено-деформований стан огороджуючої конструкції покриття, обумовлені рішенням вузла спряжіння огороджуючої та несучої конструкції;

6) на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розробити методику розрахунку і проектування досліджуваної конструкції.

Об'єкт досліджень - великопрольотна висяча стрижнева оболонка з вирізом на еліптичному плані, утворена системою згинально-жорстких ниток наскрізного перерізу і огороджуючою конструкцією з полікарбонатного пластику “Danpalon”.

Предметом досліджень є напружено-деформований стан несучої висячої стрижневої оболонки, утвореної системою згинально-жорстких ниток наскрізного перерізу і огороджуючою конструкцією з полікарбонатного пластику “Danpalon”.

Методи досліджень. В основу розробленої методики покладено методи математичного моделювання; теоретичний метод кінцевих елементів; метод фізичного моделювання з застосуванням методів теорії подоби; експериментальні методи дослідження, у тому числі тензометричний метод визначення напружено-деформованого стану. Достовірність одержаних результатів підтверджена даними теоретичних й експериментальних досліджень із застосуванням методів математичної статистики.

Наукову новизну отриманих результатів складають:

результати теоретичних і експериментальних досліджень, що відображають загальні закономірності зміни напружено - деформованого стану висячої стрижневої оболонки, утвореної системою згинально-жорстких ниток наскрізного перерізу, з вирізом на еліптичному плані при дії основних розрахункових навантажень;

дані про напружено-деформований стан огороджуючої конструкції покриття, обумовлені рішенням вузла спряжіння огороджуючої та несучої конструкції;

результати експериментальних досліджень міцнісних і деформативних властивостей світлопрозорого полікарбонатного пластику “Danpalon” у вихідному стані й у результаті старіння;

результати натурних досліджень величин і характеру відкладення снігових навантажень на покриття з огороджуючою конструкцією з вуглепластику.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

рекомендаціях для призначення геометричних параметрів депланації внутрішнього опорного контуру і прольотної частини конструкції, що визначають раціональну геометрію великопрольотного висячого покриття з великим вирізом на еліптичному плані;

рекомендаціях з нормування снігових навантажень на просторові покриття з огороджуючою конструкцією з вуглепластикових панелей;

методиці розрахунку і проектування конструкції покриття у виглядіі великопрольотної висячої оболонки з вирізом на еліптичному плані, утвореної системою жорстких ниток наскрізного перерізу і огороджуючою конструкцією з вуглепластику, що забезпечують задану міцність і деформативність конструкції на основі виконання вимог 1-го і 2-го граничних станів.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

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

запропоновано підходи з встановлення раціональної геометричної форми висячої стрижневої оболонки, утвореної системою згинально-жорстких ниток наскрізного перерізу, з вирізом на еліптичному плані;

виготовлено великомасштабну модель блоку висячих ферм, яка представляє собою фрагмент просторової стрижневої оболонки покриття, і проведені експериментальні дослідження;

запропоновано рекомендації з нормування снігових навантажень на просторові конструкції покриттів з огороджуючою конструкцією з вуглепластику;

розроблено методику розрахунку і проектування конструкції покриття у виглядіі великопрольотної висячої оболонки з вирізом на еліптичному плані, утвореної системою згинально-жорстких ниток наскрізного перерізу, що дозволяє забезпечити експлуатаційну надійність огороджуючих конструкцій, виконаних з полікарбонатних вуглепластиків.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на: п'ятьох науково-технічних конференціях ДонНАБА в 2001-2005 роках, на науково-технічній конференції “Сучасні проблеми проектування, будівництва й експлуатації споруджень на шляхах сполучення” у Національному Транспортному Університеті (м.Київ, 2002 р.), на VII Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції: погляд у минуле й майбутнє” (м.Київ, 2004 р.), на VI Міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини” (Одеса, 2005 р.), на Х міжнародній науково - технічній конференції “LIGHTWEIGHT STRUCTURES IN CIVIL ENGINEERING” (Польща, Варшава, 2005 р.). У повному обсязі дисертація доповідалася на засіданні наукового семінару кафедри металевих конструкцій ДонНАБА 24 листопада 2005 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових праць, з яких 7 опубліковані в спеціальних виданнях, затверджених ВАК України, 4 у матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій, одна стаття без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 219 найменуваннь і 3 додатків.

Загальний обсяг роботи 263 сторінки, у тому числі: 129 сторінок основного тексту, 22 сторінки списку використаних джерел, 88 повних сторінок з рисунками і таблицями, 24 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, викладено мету і задачі досліджень, наведено основні результати, що отримані автором, показано їх наукову новизну і практичну цінність, наведено інформацію про публікації автора.

У першому розділі проаналізовано стан питання і наукові досягнення в галузі вивчення висячих покриттів із згинально-жорстких ниток, проаналізований досвід в області розрахунку, проектування і зведення конструкцій у вигляді висячих оболонок. Також проаналізовані паспортні механічні та фізичні властивості пропонованого світлопрозорого матеріалу огороджуючої конструкції покриття, утвореного системою жорстких ниток, на прикладі вуглепластику “Danpalon”.

Великий внесок у теорію розрахунків і проектування великопрольотних просторових оболонок зробили вчені: Б.Г. Гальоркін, В.З. Власов, С.П. Тимошенко, А.І. Лур'є, І.Н. Векуа, Х.М. Муштарі, С.Ф. Пічугін, І.М. Лебедич, Г. Рейсснер, Л. Доннелл, В.І. Трофімов, П.Г. Єремеєв, В.П. Мущанов, М.В. Канчелі та ін. Інтенсивний розвиток застосування висячих конструкцій одержано з п'ятидесятих років ХХ століття. У цей період були запроектовані і побудовані покриття з використанням згинально-жорстких ниток. Великий внесок у теорію розрахунків зробили вчені: Качурін В.К., Стрелецький М.С., Ржаніцин О.Р., Москальов М.С., Веденіков Г.С., Кірсанов М.М., Телоян О.Л., Чаадаєв В.К., Перельмутер О.В., Шимановський В.М., Шимановський О.В., Мущанов В.П, Отто Ф, Шлейра К. та ін.

На підставі аналізу розглянутих типів конструкцій стаціонарних покриттів з жорстких ниток над трибунами стадіонів можна зробити висновок, що покриття, виконане у вигляді ребристо - кільцевої системи має значні переваги: архітектурно-конструктивну виразність, простоту конструктивної форми, відсутність ускладнюючого процесу попередньої напруги, а також можливість одержання необхідної жорсткості покриття при невеликому постійному і великому тимчасовому навантаженнях. Витрата металу у висячих покриттях набагато менше витрат, ніж при застосуванні інших великопрольотних конструкцій покриттів.

Аналіз методик розрахунку гнучко-твердих ниток показав, що застосовувані методики не враховують різниці між розрахунком жорстких ниток суцільного і наскрізного перерізу, не повною мірою враховуються особливості роботи конструкції при двостадійному її навантаженні постійним, а потім тимчасовим навантаженнями, вони розроблені для розрахунку однієї згинально-жорсткої нитки і не враховують перерозподіл навантаження в роботі просторового спорудження.

За результатами огляду технічної літератури практично відсутні дані щодо нормування снігових навантажень на огороджуючі конструкції з вуглепластиків у складі просторових покриттів з несучими конструкціями з згинально-жорстких ниток. На основі вивчення стану питання визначена конструктивна схема висячої просторової стрижневої оболонки з великим вирізом на еліптичному плані (рис.1). Сформульовано мету і задачі досліджень.

У другому розділі викладено підхід, розроблений для одержання системи просторово-жорсткісних параметрів, у якому на початковому етапі розрахунку визначаються жорсткісні характеристики основних несучих елементів.

З цією метою просторову стрижневу положисту усічену оболонку приводимо до еквівалентної континуальної оболонки товщиною , де Ак.р., Ар.р. -площі поперечного перерізу кільцевого і радиального ребер, відповідно; Sк.р., Sр.р.- кроки кільцевих й радіальних ребер, відповідно. Розглядаючи систему рівнянь рівноваги по лінії примикання оболонки до контуру (рис. 2 а, б), дістанемо систему (1).



Застосовуючи безрозмірні координати: , і відносні переміщення: , , , (де a, b, a1, b1 - півосі зовнішнього і внутрішнього контурів, відповідно; R1 - радіус кривизни контуру у радіальному напрямку; R2 - радіус кривизни внутрішнього контуру в вертикальній площині; bкн, b1кн - горизонтальний розмір перерізу зовнішнього і внутрішнього контурів відповідно; f - стріла підйому внутрішнього контуру; - згинальні жорсткості зовнішнього і внутрішнього опорних контурів у вертикальній площині; - згинальна жорсткість внутрішнього контуру в горизонтальній площині) і, виконавши необхідні перетворення, отримали систему просторово-жорсткісних безрозмірних параметрів, які можуть бути використані при дослідженні зміни напружено-деформованого стану просторових конструкцій у залежності від зміни геометричних і жорсткісних характеристик. Проведений аналіз системи диференціальних рівнянь дозволив виділити основні параметри

і

що найбільше впливають на зміну напружено-деформованого стану конструкції покриття. Був проведений числовий експеримент з використанням основних параметрів і та отримані залежності внутрішніх зусиль та вертикальних переміщень для радіальних елементів, орієнтованих уздовж головних вісей конструкції й у середній частині чверті покриття, а також для внутрішнього контуру. Основні результати досліджень наведені на рис. 3.

Аналіз отриманих даних дозволив зробити наступні висновки: 1) найбільший вплив на зміну безрозмірних параметрів напружено-деформованого стану пролітної частини випуклої оболонки покриття () викликає безрозмірний параметр згинальної жорсткості внутрішнього опорного контуру у вертикальній площині . При зміні параметра в межах …, параметр вертикальних переміщень радиальних елементів вдається знизити в 5...7 разів уздовж короткої півосі, а уздовж великої півосі в 20..25 разів; 2) збільшення параметра супроводжується перерозподілом внутрішніх зусиль в елементах покриття: якщо зменшення параметра згинальних моментів уздовж великої півосі складає 9...10 раз, то уздовж короткої відбувається зниження у 2...3 рази, при цьому в середній частині чверті покриття зменшення складає 1.3...…16 раз; 3) при збільшенні параметру безрозмірний параметр подовжньої сили уздовж великої півосі знижується на 26% , а уздовж короткої зміна зусиль перерозподіляється у межах 10%, при цьому в середній частині чверті покриття зусилля зменшились на 25%; 4) збільшення параметра від 4.72E-03 до 1.89E-02, що характеризує жорсткість диска покриття, призводить до зміни безрозмірного параметра вертикальних переміщень радиальних елементів уздовж великої півосі на 7-22%.

У третьому розділі для визначення фактичних значень снігового навантаження на покриття з вуглепластику, виконано експериментальні дослідження на реальних конструкціях, побудованих у м.Донецьку (рис. 4-5), а також на дослідних зразках (рис. 6), у яких експериментальна поверхня розташована під різними кутами нахилу до горизонту: 0°, 22°, 45°. Обрані для дослідження покриття мають огороджуючу конструкцію, виконану з вуглепластику типу “Danpalon”, для якого характерні значні температурні розширення (0,065 мм/мЗ) у сполученні з гладкою поверхнею та податливими вузловими закріпленнями, що не може не відбитися на відкладенні снігового покриву. Виміри проводилися одночасно на покриттях і на поверхні землі (рис.7) взимку 2003-2005 рр.

У табл. 2 наведені усереднені значення снігового навантаження в м.Донецьку для різних кутів нахилу конструкцій з полікарбонатного ніздрюватого пластику типу “Danpalon” за період зим 2003-2005р.

Таблиця 1

Максимальне снігове навантаження для різних кутів нахилу покриттів з огороджуючою конструкцією з вуглепластику за період зим 2003-2005р.

Рік	Середнє снігове навантаження Sе, кН/м2 (для експеримен-тальних установок)	Повторення n	Середнє снігове навантаження Sр, кН/м2 (для реальних конструкцій)	Повторення n
	0	22	45		0	22	45
2003	-	-	-	-	0,248	0,236	0,216	1
2004	-	-	-	-	0,304	0,284	0,252	1
2005	0,258	0,237	0,183	1	0,256	0,228	0,204	1

Таблиця 2

Середнє снігове навантаження в м.Донецьку для різ-них кутів нахилу конструкцій з полікарбонатного ніздрю-ватого пластику типу “Danpalon” за період зим 2003-05р.

Імовірність Р=0,95	Середнє снігове навантаження S, кН/м2, у залежності від кутів нахилу
	0	22	45
Вибіркова середня	0,267	0,246	0,214

З урахуванням прове-дених досліджень запропоновані рекомен-дації з нормування сні-гових навантажень з коефіцієнтами переходу і для урахування полікарбонатного пластику, як огороджуючої конструкції в покриттях різної форми площею до 100 м2, глибина козирка, навісу або просторового покриття яких не перевищує 10 м.

Повне нормативне значення снігового навантаження на горизонтальну проекцію покриття слід визначати за формулою де s0 -- нормативне значення ваги снігового покриву на 1 м2 горизонтальної поверхні землі, прийняте у залежності від снігового району за даними табл. 4 СНиП 2.01.07-85* “Навантаження і впливи”; - коефіцієнт переходу від ваги снігового покриву землі до снігового навантаження на покриття різної форми зі світлопрозорого вуглепластику в залеж-ності від коефіцієнтів і ; - коефіцієнт переходу від ваги снігового покриву землі до снігового навантаження на покриття зі світлопрозорого вуглепластику, прий-нятий рівним ; - коефіцієнт переходу до ваги снігового покриву на покриття різної форми з вуглепластику в залежності від схеми снігового навантаження ( при , при , при , при ).

Для порівняльної оцінки стійкості пластику “Danpalon” у вихідному стані й у результаті старіння проводились дослідження на старіння шляхом імітації умов міського середовища. З огляду на насиченість міської атмосфери різними речовинами, були визначені найбільш можливі і небезпечні кліматичні фактори, а також забруднюючі речовини, що виділяються в атмосферу міста.

Сутність дослідження полягає в тім, що зразки послідовно піддають впливам, що імітують природну вологість в умовах міської атмосфери, викиди металургії, явище фотосинтезу в приземному шарі міської атмосфери, низьку температуру, лужний характер атмосфери, абразивний знос реактивно-здатним пилом.

Для визначення модуля пружності матеріалу на кожній ступіні, швидко наростаючих деформацій повзучості на окремих етапах навантаження і максимальну деформацію зразків, було розроблено підіймальний випробувальний пристрій, оскільки розривна машина марки МП-05-1 має значну інерційність в додаванні навантаження і не дозволяє прикладати чітко задане навантаження. Зразки бралися з партії панелей (дата виготовлення - грудень 2000р.), а також з пластику, примусово зістареного в камері старіння матеріалів, обсяг вибірки зразків для досліджень n=24.

Для визначення деформацій і напружень на кожній стадії навантаження зразків проводилося ступінями, при цьому на кожному наступному етапі навантаження збільшувалося на 0,02 кН/м2, що складає 0,056Rрозр, з витримкою 5 хвилин на кожній ступіні навантаження. Окремо простежити поведінку напружено-деформованого стану зразка пластику на кожній стадії навантаження можна на графіках. З графіків на рис.9 видно, що на перших двох стадіях навантаження матеріал зразків деформується практично лінійно, але при напруженнях вище 20 МПа характер залежності “-” стає нелінійним. У табл. 3 наведені результати досліджень.

Таблиця 3

Значення руйнівних напружень і відносних деформацій подовження

Матеріал у вихідному стані (на складі)	Матеріал у результаті старіння
Імовірність Р=0,95	Руйнівне напруження розр, МПа	Відносне подовження при розриві, розр, %	Руйнівне напруження розр, МПа	Відносне подовження при розриві, розр, %
Виб. середня	49.25	3,49	48.64	3,35
Довір.інтервал	48.65<<49.85	3,362<<3,64	48.14<<49.14	3.232< <3.46

У четвертому розділі наводяться результати експериментальних досліджень. Для вивчення дійсної роботи згинально-жорстких ниток наскрізного перерізу в складі просторової оболонки при різних схемах постійного і тимчасового наванта-жень були виконані експериментальні дослідження великомасштабної моделі блоку висячих ферм (рис. 10), що представляє собою фрагмент оболонки покриття позитивної Гаусової кривизни на еліптичному плані. При моделюванні використано принцип прямої геометричної подоби з масштабним коефіцієнтом .

Горизонтальні переміщення вимірялися на тих опорах, де ферми спираються на колони. Деформації вимірялися дротовими петлевими тензорезисторами опору з базою l=20мм. Як реєструючи апаратура використовувався інформаційно-вимірювальний комплекс СІІТ-2. Схема експериментальної установки із розташуванням вимірювальних приладів наведена на рис. 11.

Модель покриття випробувалася в пружній стадії на статичні навантаження. Під час проведення експерименту вимірялися відносні деформації верхніх поясів ферм і розкосів. Крім того, вимірялися вертикальні переміщення вузлів верхніх поясів ферм у пролітній частині і на опорах, а також горизонтальне зміщення опор від розпору в результаті навантаження.

Застосовані в ході експерименту схеми навантаження моделі (рис. 12) визначаються послідовністю монтажу реальних конструкцій покриття і можливих схем надавання снігового навантаження (для кожної схеми навантаження була задана кількість випробувань =10, і з використанням математичної статистики визначалися дійсні значення отриманих результатів).

Навантаження прикладалося у вигляді системи підвіски цеглин масою 2.9 - 3.8 кг. Величина розподіленого навантаження склала відповідно для постійного і тимчасового навантажень q = 0,180 кН/м2 і s = 0,800 кН/м2. Тимчасове і постійне навантаження прикладалися поетапно і були розділені на етапи: постійна в три етапи по 0,06 кН/м2; тимчасова в 11 етапів по 0,06-0,072 кН/м2.

Дані експериментальних досліджень опрацьовувались за допомогою програмних продуктів MathCAD, Microsoft Excel, а їх залежності зіставлялися з результатами теоретичних досліджень (рис. 13-16), що виконувались за допомогою програмного комплексу SCAD 7.31.

З досвіду експлуатації полікарбонатних пластиків у складі просторових конструкцій покриттів мають місто випадки деформацій та навіть появи тріщин в огороджуючих конструкціях, що викликано жорстким його креплінням до несучих конструкцій. За вимогами фірм-виробників вуглепластиків панелі огороджуючої конструкції необхідно з'єднувати з несучими елементами через спеціальні елементи кріплення (рис. 18-19), тобто сумісна робота конструкцій зникає. Але немає інформації з проектування великопрольотних просторових висячих покриттів з великими кінематичними переміщеннями та завищеною деформативністю.

Для вивчення дійсної роботи полікарбонатного пластику в складі просторової висячої оболонки з вирізом на еліптичному плані при постійному та тимчасовому навантаженнях, були виконані експериментальні дослідження великомасштабної моделі блоку висячих ферм сумісно з огороджуючою конструкцією з ніздрюватого вуглепластику типу “Danpalon” з товщиною листа 8 мм (рис. 17).

У відповідності з поставленими завданнями досліджень були прийняті такі схеми навантажень: 1 - власна вага + постійне навантаження в кожний вузол ферм, нижній пояс ферм замикається + тимчасове кососиметрично розташоване навантаження на половині прольоту кожної з ферм; 2 - розподілене навантаження по поверхні огороджуючої конструкції з полікарбонатного пластику.

Тимчасове вузлове навантаження прикладалося поетапно в 3 етапи по 0,12 -0,13 кН. Повне постійне й тимчасове навантаження на ферму склали 1 кН/м2.

Деформування огороджуючої конструкції за схемою 1 та схемою 2 представлено на рис.19 та 20.

Тимчасове розподілене навантаження прикладалося поетапно в 3 етапи: 1 - 0,16 кН/м2, 2 - 0,10кН/м2, 3 - 0,05кН/м2. Повне розподілене навантаження на огороджуючу конструкцію склало 0, 31 кН/м2.

Значення напружень в огороджуючій конструкції від дії розподіленого навантаження представлені на рис. 21.

Аналіз результатів досліджень дозволяє зробити наступні висновки::

1. За рахунок розімкнутого нижнього поясу ферми верхній пояс конструкції працює ощадливо, як гнучка нитка, а замикання поясу після додавання постійного навантаження дозволяє зменшити кінцеву необхідну згинальну жорсткість. При цьому напруження в нижньому поясі знижуються до 30 раз.

2. З графіка на рис. 14 видно, що на кожній стадії навантаження характер деформування ферми при постійному її навантаженні відрізняється від характеру деформування ферми при тимчасовому (сніговому) навантаженні, при цьому кут деформування ферми зменшується в 2,2 рази, що порозумівається зменшенням кінцевої необхідної згинальної жорсткості за рахунок замикання нижнього поясу.

3. Переміщення, що виникають у чверті прольоту ферми по стороні Б відрізняються в меншу сторону від переміщень, що виникають у чверті прольоту ферм по стороні А: для навантаження 3 - на 20...26%, для навантаження 4 - на 55-60%, для кососиметричного навантаження 5 - на 12-17%.

4. Отримані в ході експерименту зусилля в елементах ферм підтверджують якісну картину розподілу зусиль в елементах ферм, що виникають внаслідок чисельного моделювання для тимчасового навантаження. Аналогічний якісний збіг результатів розрахунку з результатами екпериментальних досліджень до 10-19% спостерігається при аналізі величин вертикальних переміщень.

5. На підставі результатів теоретичних та експериментальних досліджень, для забезпечення надійності експлуатації огороджуючої конструкції повинна виконуватись перевірка 1-го і 2-го граничних станів:

- забезпечення нормальної експлуатації вузлу спряжіння елементів огороджуючої конструкції виконується при величині відносних вертикальних переміщень елементу до та відносного подовження діагоналі панелі з вуглепластику ;

- з метою забезпечення 1-го граничного стану елементів огороджуючої конструкції на панель з розрахунковим прольотом до 1 м і товщиною 8 мм величина снігового навантаження не повинна перевищувати 30 кг/м2.

У п'ятому розділі розроблено методику розрахунку і проектування конструкції покриття у вигляді великопрольотної положистої висячої оболонки з вирізом на еліптичному плані, утвореної системою жорстких ниток наскрізного перерізу, яка дозволяє визначати і оцінювати геометричні параметри, жорсткісні характеристики основних несучих елементів, а також забезпечує експлуатаційну надійність огороджуючих конструкцій, виконаних з полікарбонатних вуглепластиків.

Методика розроблена на підставі отриманих результатів чисельного та натурного експериментів, у ході яких варіювалися безрозмірні просторово-жорсткісні параметри і (геометрія оболонки, жорсткості зовнішнього і внутрішнього опорних контурів, снігові навантаження), і експериментальних досліджень фрагменту покриття у вигляді висячої оболонки на эліптичному плані. Етапи методики наведені на рис. 22.

Застосування запропонованої методики дозволило розробити проекти покриттів над трибунами стадіонів „Олімпійський” та ЦС „Шахтар” у м.Донецьк.

ВИСНОВКИ

1. На підставі результатів виконаних теоретичних і експериментальних досліджень розроблена експериментально обґрунтована методика розрахунку і проектування конструкції покриття у вигляді великопрольотної висячої оболонки з вирізом на еліптичному плані, що дозволяє забезпечити експлуатаційну надійність огороджуючих конструкцій, виконаних з полікарбонатних пластиків.

2. Запропоновано раціональну геометрію покриття у вигляді великопрольотної висячої оболонки з вирізом на еліптичному плані, утвореної системою згинально-жорстких ниток наскрізного перерізу і огороджуючої конструкції, виконаної з вуглепластику, при якій забезпечуються мінімальні переміщення від заданих навантажень і раціональний розподіл зусиль в елементах конструкції. При цьому:

- стріла прогину внутрішнього опорного контуру уздовж довгої півосі (де а- довга піввісь);

- стріла підйому внутрішнього опорного контуру уздовж короткої півосі (де b- коротка піввісь);

3. Зусилля в елементах ферм, отримані в ході експериментального дослідження фрагмента оболонки, підтверджують якісну картину розподілу зусиль в елементах ферм, що виникають внаслідок чисельного моделювання для постійного і тимчасового (снігового) навантаження. Аналогічний якісний збіг результатів розрахунку з результатами екпериментальних досліджень спостерігається при аналізі величин вертикальних переміщень. При цьому, відмінності в порівнюваних величинах максимальних переміщень складають до 10-19%.

4. За результатами випробувань фізико-механічних властивостей вуглепластику встановлено, що внаслідок старіння головні характеристики () змінюються несуттєво в межах 1.3%...4.4%. Найбільшого впливу зазнає зона пружної роботи матеріалу, яка внаслідок старіння скорочується на 25% (з 0.4Rрозр до 0.3Rрозр) і сприяє ранішому переходу матеріалу в пружньо-пластичну стадію роботи.

5. Розроблені рекомендації з використанням понижуючих коефіцієнтів з визначення розрахункових значень снігових навантажень і дозволяють знизити у ряді випадків матеріалоємкість несучої конструкції до 20%, а огороджуючої до 50%.

6. Результати проведених досліджень при розробці проектів покриття над трибунами стадіону „Олімпійський” (м.Донецьк) забезпечують витрати сталі до 35-40 кг/м2, а для ЦС „Шахтар” у м.Донецьк до 70 кг/м2, що знаходиться на рівні кращих світових конструктивних рішень для даного класу конструкцій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мущанов В.Ф., Прядко И.Н.(Руднева И.Н.). Теоретическое исследование закономерностей работы висячей стержневой оболочки с вырезом на эллиптическом плане // Вiсник ДонДАБА. - вип. 2003 - 3 (40). “Будiвлi та споруди із застосуванням нових конструкцій та матеріалів”.Том 1. - С. 49-51.

2. Мущанов В.Ф., Прядко И.Н.(Руднева И.Н.). Уточнение прочностных и деформативных качеств современного светопрозрачного поликарбонатного пластика “Danpalon” // Вiсник ДонДАБА. - вип. 2003 -2 (39). Том 1. - С.96-100.

3. Мущанов В.Ф., Руднева И.Н., Прядко Ю.Н. Экспериментальное исследование блока висячих ферм при действии неравновесных нагрузок // Журнал “Металлические конструкции”. - Том 8. - № 1. Макеевка. - 2005. - С.35-42.

4. Руднева И.Н. Методика расчета и проектирования большепролетной висячей оболочки, учитывающая эксплуатационную надежность ограждающих конструкций, выполненных из вуглепластиков // Журнал “Металлические конструкции”. - Том 9. - № 1. Макеевка. - 2006. - С.5 -17.

5. Мущанов В.Ф., Руднева И.Н. Экспериментальные исследования величин и характера снеговых нагрузок на покрытия с ограждающей конструкцией из ячеистого поликарбонатного пластика // Вiсник ДонДАБА. - Вип. 2005 - 3 (51). “Будiвельнi конструкцii, будiвлi та споруди”. - С. 66-71.

6. Мущанов В.Ф., Руднева И.Н., Прядко Ю.Н. Экспериментальное исследование блока висячих ферм пространственной стержневой оболочки // Сб. научных трудов “Современные строительные конструкции из металла и древесины”. - Одесса: ОГАСА. - 2005. - часть 1. - С. 138-144.

7. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Касимов В.Р., Сивоконь Ю.В., Прядко И.Н. (Руднева И.Н.). К расчету и проектированию пространственных конструкций стационарных покрытий над трибунами стадионов // Материалы VIII Украинской научно-технической конференции “Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее”, посвященной 60-летию образования ОАО “УкрНИИпроектстальконструкция им.В.Н.Шимановского”. - Киев. - 2004. - С.323 -332.

8. Мущанов В.Ф., Руднева И.Н., Прядко Ю.Н. Экспериментальное исследование блока висячих ферм пространственной стержневой оболочки // Журнал “Металлические конструкции”. - Том 7. - № 1. Макеевка. - 2004. - С. 55-59.

9. Gorokhov Y.V., Mushchanov V.F., Rudneva I.N. Behavior features of translucent carbon fiber-reinforced plastic panels in structure of suspended rod shell // Proceedings of Х International Colloquium of IASS Polish Chapter on “LIGHTWEIGHT STRUCTURES IN CIVIL ENGINEERING”. - Poland, Warsaw, September 12-14, 2005. - P.247-254

АНОТАЦІЯ

Руднєва І.М. Особливості просторової роботи висячого покриття, що утворюється системою жорстких ниток. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2006.

У дисертації розглядаються питання розрахунку і проектування конструкцій покриттів у вигляді великопролітних положистих висячих оболонок з вирізом на еліптичному плані, утворених системою жорстких ниток наскрізного перерізу та огороджуючою конструкцією, виконаної з полікарбонатних вуглепластиків.

Отримана система просторово - жорсткісних параметрів для висячої оболонки, на основі якої був проведений чисельний експеримент та отримані залежності між безрозмірними просторово - жорсткісними параметрами конструкції та безрозмірними параметрами напружено - деформованого стану її елементів.

Проведено експериментальні дослідження міцності і деформативних властивостей вуглепластику “Danpalon” у вихідному стані й у результаті старіння.

Проведено натурні дослідження снігових навантажень на покриття з огороджуючими конструкціями, виконаними з полікарбонатних вуглепластиків.

Зроблено великомасштабну модель блоку висячих ферм, яка є фрагментом оболонки покриття, та за допомогою проведення експериментальних та теоретичних досліджень розроблено методику розрахунку і проектування конструкції покриття, яка дозволяє визначати і оцінювати геометричні параметри, жорсткісні характеристики основних несучих елементів, а також забезпечує експлуатаційну надійность огороджуючих конструкцій, виконаних з вуглепластиків.

Ключові слова: просторово-стрижнева висяча оболонка, згинально-жорсткі нитки, безрозмірні просторово - жорсткісні параметри, напружено - деформований стан, полікарбонатний пластик, снігові навантаження, депланація внутрішнього опорного контуру, розрахунок і проектування.

АННОТАЦИЯ

Руднева И.Н. Особенности пространственной работы висячего покрытия, образованного системой жестких нитей - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2006.

В дисертации рассматриваются вопросы расчета и проектирования конструкций покрытий в виде большепролетных висячих оболочек с вырезом на эллиптическом плане, образованных системой изгибно-жестких нитей сквозного сечения и ограждающей конструкцией, выполненной из углепластика.

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложены цель и задачи исследования, приведены результаты, полученные автором, показаны их научная новизна и практическая ценность, приведена информация о публикациях автора.

В первом разделе проанализированы состояние вопроса и научные достижения в области изучения висячих покрытий из изгибно-жестких нитей, проанализирован опыт в области расчета, проектирования и возведения конструкций в виде висячих оболочек, также проанализированы паспортные механические и физические свойства предлагаемого светопрозрачного материала ограждающей конструкции покрытия из жестких нитей на примере поликарбонатного пластика “Danpalon”.

Во втором разделе на основе системы уравнений статического равновесия по линии примыкания оболочки к контуру получена система просторанственно - жесткостных параметров для висячей оболочки, на основании которой был проведен численный эксперимент с помощью ПК „СОRONA” и, при отыскании рациональной геометрия покрытия, получены зависимости между безразмерными пространственно - жесткостными параметрами конструкции и безразмерными параметрами напряженно - деформированного состояния ее элементов.

В третьем разделе проведены натурные исследования величины и характера отложения снеговой нагрузки на покрытия с ограждающей конструкцией из углепластика “Danpalon”.

Для сравнительной оценки стойкости пластика “Danpalon” в исходном состоянии и в результате старения производились испытания на старение путем имитации условий городской среды, а затем изучались прочностные и деформативные качества углепластика в исходном и состаренном состоянии.

В четвертом разделе приводятся результаты экспериментальных исследований и численных исследований в ПК „SCAD 7.31” крупномасштабной модели блока висячих ферм, представляющей собой фрагмент оболочки покрытия на эллиптическом плане. Модель покрытия испытывалась в упругой стадии на статические нагрузки, схемы загружения модели определялись последовательностью монтажа реальных конструкций покрытия и возможными схемами приложения снеговой нагрузки

Во время проведения эксперимента измерялись относительные деформации верхних поясов ферм и раскосов. Кроме того, измерялись вертикальные перемещения узлов верхних поясов ферм в пролетной части и на опорах, а также горизонтальное смещение опор от распора в результате нагрузки.

В пятом разделе на основании результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета и проектирования конструкции покрытия в виде большепролетной висячей оболочки с вырезом на эллиптическом плане, которая позволяет определять и оценивать геометрические параметры, жесткостные характеристики основных несущих элементов, а также позволяет обеспечить эксплуатационную надежность ограждающих конструкций, выполненных из поликарбонатных углепластиков.

В выводах приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований покрытия в виде большепролетной висячей оболочки с вырезом на эллиптическом плане, образованной системой изгибно-жестких нитей сквозного сечения и ограждающей конструкцией, выполненной из углепластика.

Ключевые слова: пространственно-стержневая висячая оболочка, изгибно-жесткие нити, безразмерные пространственно - жесткостные параметры, напряженно - деформированное состояние, поликарбонатный пластик, снеговые нагрузки. депланация внутреннего опорного контура, расчет и проектирование.

ABSTRACT

Rudnevа I.N. Behavior features of spatial work of suspended rod shell by system of bending-rigid fibers - Manuscript.

The Thesis for taking the scientific degree of Candidate of Technical Science on a specialty 05.23.01- Building Structures, Buildings and Constructions. - The Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture. Makiyivka, 2006.

The analysis and design of roof structures in the shape of large span shells with an opening on the elliptic plan formed by a rigid fibre structure of through section and enclosing structures produced of carbon plastic have been carried out.

The space and rigidity parameters structure for a suspension roof has been obtained on the basis of a static equilibrium equation in the junction line of a shell to a profile.

The research of a large-sized pattern of a suspension trusses module as a roof shell fragment on the elliptic plan has been done.

There is a concept of the investigation of strength and strain qualities of “Danpalon”, the research and theory investigation of a joint behavior with load-bearing structures made of rigid fibres of through section and the investigation of real snow load on constructions with enclosing structures of carbon plastic panels.

On the theory investigation and research data, there is the analysis and design technique of a roof structure in the shape of a large span suspension shell with an opening on the elliptic plan making possible to determine and evaluate of geometric parameters and rigidity features and data of the principle load-bearing elements. Besides, the technique permits to provide operate reliability of enclosing structures made of polycarbonate plastics.

Key-words: a rod and membrane shell, rigid fibres, space and rigidity parameters, stressed and strained state, polycarbonate plastic, snow loads, warping of an internal support profile, analysis and design.

Размещено на Allbest.ru

...