Динамический расчёт и анализ полусферической оболочки покрытия объекта "Зимний сад" Технопарка Ростовского государственного строительного университета
Динамический расчет полусферических оболочек покрытия каркаса здания "Зимний сад". Описание конечно-элементной модели объекта. Анализ изгибно-крутильных колебаний пространственно-стержневой системы. Разработка изменений в конструктивной схеме сооружения.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.07.2017 |
| Размер файла | 475,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Динамический расчёт и анализ полусферической оболочки покрытия объекта «Зимний сад» Технопарка Ростовского государственного строительного университета (РГСУ)
Г.М. Кравченко, Е.В. Труфанова, С.В. Борисов, С.С. Костенко
Ростовский государственный строительный университет
Аннотация
В статье рассмотрен динамический расчет полусферических оболочек покрытия каркаса здания «Зимний сад» Технопарка РГСУ. Разработана конечно-элементная модель объекта и выполнен расчет в программном комплексе Лира-сапр. Проведен модальный анализ, который выявил изгибно-крутильные колебания пространственно-стержневой системы, вследствие чего были внесены изменения в конструктивную схему сооружения и произведен перерасчет.
Ключевые слова: полусферическая оболочка, каркас, купол, модальный анализ, динамический расчет, спектр частот, формы колебаний, метод конечных элементов.
Рассматриваемый объект «Зимний сад» является частью проекта Технопарка РГСУ и представляет собой ботанический сад-оранжерею с прогулочными галереями и местом для отдыха в зимний период года. Данное сооружение выполнено в виде трех соединенных между собой полусфер радиусами 9 м, 15 м и 12 м. Каркас запроектирован металлическими фермами арочного типа с переменным по длине поперечным трубчатым сечением. В главной полусфере на отметке +7,300 располагается межэтажное перекрытие в форме двенадцатиугольника из пустотных железобетонных плит, опирающихся на балки из двутавров, которые в свою очередь передают нагрузку на железобетонные колонны и фермы [1]. В центральном куполе находится лифт диаметром 1,7 м для подъема на смотровую площадку второго уровня. Мостик из армированного стекла шириной 2,5 м соединяет площадку лифта диаметром 6 м и кольцо перекрытия с внешним и внутренним диаметрами 25,2 м и 16,8 м соответственно. Покрытие «Зимнего сада» выполнено из жестких светопрозрачных поликарбонатных плит.
Экспериментально доказано, что упругая система с распределенными параметрами при гармоническом возбуждении испытывает резонансные колебания на некоторых явно выраженных характерных частотах [2]. Каждой такой резонансной или собственной частоте соответствует собственная или нормальная форма распределения амплитуд колебаний сооружения. Эти характерные формы прогибов и связанные с ними частоты определяются особенностями самого сооружения, не зависят от внешних нагрузок и являются важными динамическими характеристиками распределения его инерционных и жесткостных свойств [3]. Именно поэтому необходимо определить собственные частоты и периоды колебаний сооружения.
Разработана конечно-элементная модель объекта «Зимний сад» по пространственно-стержневой схеме методом конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе (ПК) ЛИРА (рис. 1). Для её создания использованы стрежневые конечные элементы 10-го типа с 6-ю степенями свободы в узлах. Постоянные нагрузки (собственный вес конструкций, вес перекрытия и покрытия) и кратковременные (снеговая нагрузка и статическая часть ветровой нагрузки) заданы в соответствии со сводом правил (СП) 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» [4-6].
Рис. - 1. Расчётная схема объекта «Зимний сад»
Для корректного анализа собственных колебаний сооружения необходимо знать жесткость конструкций объекта [7]. Изначально был проведен расчет по несущей способности от воздействия постоянных и временных нагрузок, по итогам которого были определены оптимальные сечения, удовлетворяющие условиям прочности.
Выполнен модальный анализ, в результате которого определены параметры собственных колебаний (таблица №1), а также их формы. Спектр частот системы с бесконечным числом степеней свободы ограничен до десяти форм. В таблице №1 приведены значения частот и периодов колебаний для первых семи форм.
Таблица № 1. Собственные частоты и периоды колебаний
|
№ формы колебаний |
Частоты колебаний, ГЦ |
Периоды колебаний, с |
|
|
1 |
0.08 |
14.9063 |
|
|
2 |
0.36 |
4.0478 |
|
|
3 |
1.35 |
1.2547 |
|
|
4 |
1.42 |
1.1872 |
|
|
5 |
1.99 |
0.8647 |
|
|
6 |
2.34 |
0.7332 |
|
|
7 |
3.86 |
0.44181 |
Анализ полученных результатов показал, что первая форма колебаний является поступательной, вторая форма изгибно-крутильная для каркаса главного купола (рис. 2). каркас здание изгибный колебание
Появление таких форм колебаний конструкции негативно влияет на работу всего здания и может привести к невозможности эксплуатации объекта, поэтому их появление недопустимо [7-8].
Рис. 2. - Вторая форма колебаний (изгибно-крутильные колебания)
Чтобы избавиться от изгибно-крутильных колебаний, следует изменить конструктивную схему сооружения путем:
· увеличения размеров сечения;
· создания диафрагм жесткости;
· построения дополнительного опорного кольца внутри здания;
· добавления в схему новых связей;
· увеличения жесткости покрытия оболочки.
Конструктивная схема изменена путем увеличения жесткости покрытия. Применен новый вид элемента решетки (рис. 3) [9]
Рис. - 3. а) новый элемент решетки покрытия, б) измененная расчетная схема
Выполненный перерасчёт показал, что первые пять форм колебаний не затрагивают сферические оболочки, а изгибно-крутильные колебания исчезли. Частоты и периоды колебаний представлены в таблице 2. [10]
Таблица № 2. Собственные частоты и периоды колебаний
|
№ формы колебаний |
Частоты колебаний, ГЦ |
Периоды колебаний, с |
|
|
1 |
0.63 |
1.6821 |
|
|
2 |
0.72 |
1.4687 |
|
|
3 |
1.65 |
0.6554 |
|
|
4 |
2.82 |
0.3860 |
|
|
5 |
3.98 |
0.2738 |
Выводы
1. Разработана пространственно-стержневая конечно-элементная модель объекта «Зимний сад».
2. Определена жесткость отдельных конструктивных элементов сооружения.
3. Произведен анализ форм собственных колебаний объекта, определены частоты и периоды колебаний.
Анализ результатов расчета показал, что центральный полусфера объекта имеет собственные крутильно-изгибные колебания, недопустимые для эксплуатации здания [10]. Изменение расчётной схемы путем увеличения жесткости покрытия, позволило избавиться от опасной формы колебаний.
Литература
1. Кравченко Г.М., Чехачев В.А. Исследование поведения монолитно-каркасного здании в аварийной ситуации // Инновационное развитие современной науки. Материалы международной научно-практической конференции. Уфа, 2015. C. 69-75.
2. Другин С.М., Стручков К.В. Экспериментальное исследование устойчивости сферической оболочки из стеклопластика при динамическом нагружении // Исследования по теории пластин и оболочек, выпуск 6-7, ред. К. З. Галимов. Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1970. С. 503-510.
3. Engel H. Structure Systems. Stuttgart: Deutsche Verlags-Anstalt. 1967. pp. 105-111.
4. Кравченко Г.М, Труфанова Е.В.‚ Костенко Д.С. Исследование характера распределения нагрузок в расчетных схемах МКЭ // Новый университет. Серии: Технические науки. 2015. №1-2 (35-36). С. 118-122.
5. Городецкий Д.А., Барабаш М.С., Водопьянов Р.Ю., Титок В.П., Артамонова А.Е.Программный комплекс Лира-сапр® 2013 Учебное пособие / Под ред. академика РААСН Городецкого А.С. К. М.: Электронное издание, 2013. 376 с.
6. Зотова Е. В., Панасюк Л. Н. Численное моделирование динамических систем с большим числом степеней свободы на импульсные воздействия // Инженерный вестник Дона, 2012, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/933/
7. Кравченко Г.М, Коробкин А.П, Труфанова Е.В Лукьянов В.И. Критерии оценки динамических моделей железобетонного каркаса здания // Science Time. 2014. №12. с. 255-260.
8. Raymond W. Clough, Joseph Penzien. Dynamics of Structures // New York: McGraw-Hill, c1993. pp. 129-133.
9. Кравченко Г.М‚ Чехачев В.А. Защита многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения // Перспективы интеграции науки и практики. 2014. №1. С. 113-117.
10. Зырянов В.В. Методы оценки адекватности результатов моделирования // Инженерный вестник Дона, 2013, №2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1707
References
1. Kravchenko G.M., Chekhachev V.A. Innovatsionnoe razvitie sovremennoy nauki. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Ufa, 2015. pp. 69-75.
2. Drugin S.M., Struchkov K.V. Eksperimental'noe issledovanie ustoychivosti sfericheskoy obolochki iz stekloplastika pri dinamicheskom nagruzhenii [Experimental investigation of the stability spherical shell of fiberglass under dynamic loading]. Issledovaniya po teorii plastin i obolochek, vypusk 6-7, red. K. Z. Galimov. Kazan': Izd-vo Kazanskogo un-ta, 1970. pp. 503-510.
3. Engel H. Structure Systems. Stuttgart: Deutsche Verlags-Anstalt. 1967. pp. 105-111.
4. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Kostenko D.S. Novyj universitet. Serija: Tehnicheskie nauki. 2015. № 1-2 (35-36). p. 123-129.
5. Gorodeckij D.A., Barabash M.S., Vodop'janov R.Ju., Titok V.P., Artamonova A.E.Programmnyj kompleks lira-sapr® 2013 [The program complex LIRA-cad 2013] Uchebnoe posobie. Pod red. akademika RAASN Gorodeckogo A.S. K. M.: Jelektronnoe izdanie, 2013. 376 p.
6. Zotova E. V., Panasyuk L. N. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/933/
7. Kravchenko G.M., Korobkin A.P., Trufanova E.V., Lukianov V.I. «Jurnal Science Time. Vipusk №12». Kazan, 2014. pp. 256-259.
8. Raymond W. Clough, Joseph Penzien. Dynamics of Structures. New York: McGraw-Hill, c1993. pp. 129-133.
9. Kravchenko G.M‚ Chekhachev V.A. Perspektivy integratsii nauki i praktiki. 2014. №1. pp. 113-117.
10. Zirianov V. V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013. № 2, URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1707.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Конструктивное решения здания. Расчет поперечной рамы каркаса. Определение нагрузок и усилий в сечениях арматуры. Расчет колонн и фундамента. Расчет предварительно напряженной балки покрытия. Определение прочности по нормальным и наклонным сечениям.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 16.01.2016Ограждающие конструкции покрытия для неотапливаемого здания. Определение нагрузки на м2 горизонтальной проекции здания. Расчет спаренного прогона, на который опирается двойной дощатый настил. Определение несущей конструкции покрытия в виде клееной балки.
курсовая работа [5,3 M], добавлен 12.03.2013Расчет каркаса в поперечном и в продольном направлении. Антисейсмические мероприятия при конструировании зданий и сооружений. Здания с жесткой конструктивной схемой (кирпичные). Расчет периода собственных колебаний каркаса в поперечном направлении.
контрольная работа [88,1 K], добавлен 17.12.2010Подбор фундаментов под колонны основного каркаса, под фахверковые колонны и самонесущие панели стен. Несущие конструкции покрытия. Укладка комплексных плит покрытия. Крепление стеновых панелей. Остекление здания, выбор ворот и дверей. Экспликация полов.
курсовая работа [707,1 K], добавлен 29.12.2014Зимний дворец - объект всемирного культурного наследия ЮНЕСКО в Санкт-Петербурге, основная часть комплекса "Государственный Эрмитаж". История строительства; сочетание елизаветинского барокко с элементами рококо в архитектурном стиле здания Б. Растрелли.
презентация [2,2 M], добавлен 04.05.2013Компоновка конструктивной схемы каркаса производственного здания. Разработка схемы связей по шатру здания. Проверочный расчет подкрановой балки. Статический расчет поперечной рамы. Конструирование колонны, определение ее геометрических характеристик.
курсовая работа [525,9 K], добавлен 10.12.2013Изучение общего комплекса по реконструкции железнодорожного вокзала. Разработка фасада здания, выполнение перепланировки. Расчёт сопротивления теплопередачи покрытия мансардного этажа, освещенности, несущей конструкции покрытия, площади оконных проемов.
курсовая работа [5,3 M], добавлен 21.06.2012Компоновка конструктивной схемы каркаса здания. Нагрузки и статический расчёт элементов каркаса. Расчёт и конструирование предварительно напряженной панели перекрытия, ригеля перекрытия, колонны. Основные размеры фундамента, подбор арматуры подошвы.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 11.12.2010Анализ по топографической карте района строительства технопарка. Физико-географические условия, описание водных и дорожных путей. Выбор оптимального подъезда. Исследование уровневого режима водного объекта. Электронная карта строительства технопарка.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 28.11.2014Компоновка конструктивной схемы каркаса здания. Нагрузки, действующие на прогон. Максимальный изгибающий момент. Конструирование стропильной фермы. Статический расчет рамы каркаса здания и внецентренно нагруженной крайней колонны производственного здания.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 14.09.2015Знакомство с конструктивной характеристикой проектируемого промышленного здания. Стропильные конструкции как несущие конструкции покрытия здания. Анализ способов крепления стропильной конструкции к колонне. Особенности двухслойной рулонной кровли.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 27.01.2014Компоновка конструктивной схемы здания, его внутренняя структура и предъявляемые требования. Расчет плиты покрытия: геометрические характеристики поперечного сечения, статический расчет параметров. Определение клееной дощатой балки и его сечения.
курсовая работа [959,3 K], добавлен 18.12.2014Требования к бетону. Выбор материалов и требования к ним. Требования к приготовлению и транспортированию бетонной смеси. Расчёт бетонных, арматурных и опалубочных работ. Конструкция опалубки и опалубочные работы. Расчёт производства работ в зимний период.
курсовая работа [1022,0 K], добавлен 05.12.2014Анализ проектирования бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без напряжения арматуры. Определение жесткостей элементов поперечной рамы, постоянной нагрузки на покрытие. Расчет усилий в колонне, плиты покрытия и узлов фермы.
курсовая работа [986,4 K], добавлен 14.02.2012Роль легких строительных деревянных конструкций в строительстве. Выбор конструктивной схемы, расчёт щита с двойным перекрёстным настилом. Анализ нагрузок на спаренный неразрезной прогон. Расчёт клеефанерной панели покрытия, треугольной трехшарнирной арки.
курсовая работа [141,0 K], добавлен 09.12.2011Конструктивная схема здания. Деревянные фермы. Выбор шага рам. Связи. Конструирование покрытия здания. Конструкция покрытия. Подбор рабочего настила. Подбор сечения стропильных ног. Подбор сечения прогонов. Расчет и конструирование элементов ферм.
курсовая работа [73,0 K], добавлен 28.05.2008Компоновка конструктивной схемы каркаса здания. Расчет рамы промышленного здания с использованием расчетного комплекса "STARK ES 3.0". Определение главных параметров и конструирование металлической фермы, основные этапы и оценка данного процесса.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 14.05.2015Рассмотрение градостроительной ситуации и архитектурно-строительного решения здания. Анализ и расчет объемов монтажных работ и ремонта. Мероприятия по охране окружающей среды в процессе эксплуатации объекта. Изучение рынка жилой недвижимости в городе.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 10.05.2014Расчёт клееной утеплённой плиты покрытия с фанерными обшивками. Оценка плиты на прочность. Расчёт треугольной металлодеревянной фермы с клеёным верхним поясом покрытия складского здания. Мероприятия по защите деревянных конструкций от возгорания, гниения.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 02.05.2012Конструктивное решение деревянного каркаса здания. Определение количества продольных ребер. Подбор сечения арок. Конструкция стыков панели. Проверка клеевых соединений фанеры на скалывание. Расчет и конструирование ограждающей конструкции покрытия.
курсовая работа [292,1 K], добавлен 09.05.2014
