Малоэтажные здания и сооружения из совмещенных ребристых конструкций на основе древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции» ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

Научные консультанты: доктор технических наук, профессор Гребенюк Григорий Иванович

доктор технических наук, профессор Дмитриев Петр Андреевич

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, академик РААСН, доктор технических наук, профессор Травуш Владимир Ильич

доктор технических наук, профессор Орлович Ромуальд Болеславович

доктор технических наук, профессор Серов Евгений Николаевич

Ведущая организация: Филиал ФГУП НИЦ «Строительство» - «Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В.А. Кучеренко»

Защита состоится 27 февраля 2009 г. в 14⁰⁰ на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.08 при Сибирском федеральном университете по адресу: 660041, г. Красноярск, пр.Свободный, 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан ____ января 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Е.В. Пересыпкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время Россия остро нуждается в крупномасштабном расширении строительства малоэтажных зданий и сооружений массовых серий, как в жилищном секторе, так и в области возведения производственных зданий различного назначения. При расходовании на нужды малоэтажного строительства огромных объемов материальных и энергетических ресурсов повышение эффективности их использования приобретает существенное значение и становится важной народнохозяйственной проблемой. Такое повышение может быть достигнуто за счет увеличения уровня индустриализации и степени заводской готовности строительных конструкций и деталей, расширения практически полносборного строительства. Объекты малоэтажного строительства должны разрабатываться на основе высокоэффективных технологий, учитывающих, в том числе, российские специфические условия строительства в Сибири, на Урале, Дальнем Востоке, Севере, в районах со сложными грунтовыми условиями и в сейсмоопасных районах, обеспечивая при этом как надежность, так и экономичность в сравнении с известными импортными и отечественными аналогами.

Развитие базы клееных деревянных конструкций обусловило не только техническую возможность, но и экономическую целесообразность применения в малоэтажных зданиях и сооружениях различного назначения ребристых плит покрытий и панелей стен на деревянном каркасе с наибольшими габаритными размерами, допустимыми по технологическим параметрам и условиям транспортабельности. Наиболее ярко преимущества крупноразмерных ребристых конструкций проявляются при совмещении ими несущих и ограждающих функций, когда основные продольные ребра выполняют роль колонн или балок перекрытий, а обшивки, включенные в общую работу плиты или панели вместе со вспомогательными элементами являются ограждениями зданий и сооружений. Такие совмещенные ребристые конструкции превращают строительный объект в цельную пространственную систему, в которой все составные части взаимодействуют между собой, обеспечивая перераспределение усилий между отдельными элементами.

Вместе с тем, негативным фактором, тормозящим применение в малоэтажном строительстве совмещенных ребристых конструкций на основе древесины, является отставание конструкторских и научных исследований в этом направлении. Известные конструктивные решения нельзя признать удачными, так как их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью сборки, либо с большим расходом материалов. В большинстве случаев они не отвечают требованиям эксплуатационной надежности и пожарной безопасности. Существующие методы расчета совмещенных крупноразмерных конструкций недостаточно достоверно отражают особенности их пространственной работы в составе здания или сооружения и условия совместной работы обшивок и ребер, особенно при наличии подкрепляющих элементов. Во многих случаях это приводит к несоответствию расчетных моделей реальному поведению конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок. Отсутствуют данные по оптимальному проектированию совмещенных ребристых плит покрытий и панелей стен на деревянном каркасе, позволяющие проектировщику обосновано назначать размеры основных конструктивных элементов, что позволило бы обеспечить сокращение расхода материалов как на отдельные конструкции, так и на здание и сооружение в целом.

Цель работы: обоснование целесообразности малоэтажного строительства из совмещенных ребристых конструкций на основе древесины с разработкой новых технических решений, совершенствованием методик и алгоритмов расчета, в том числе оптимизационных.

В процессе реализации рассматриваемой комплексной проблемы были поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:

- на основании всестороннего анализа эволюции конструктивных решений малоэтажных зданий и сооружений, методик расчета и технико-экономических показателей ограждающих деревянных конструкций, применяемых в массовом строительстве, предложены пути их совершенствования и определено направление исследований;

- созданы новые конструктивные формы малоэтажных зданий и сооружений из совмещенных ребристых плит и панелей с применением древесины и древесных материалов, а также пластинчатых и пластинчато-стержневых конструкций на их основе, отвечающие требованиям строительства в райо-нах Урала, Сибири, Дальнего Востока, Севера, в районах со сложными грунтовыми условиями и в сейсмоопасных районах;

- выполнены исследования напряженно-деформированного состояния плит и панелей на деревянном каркасе, работающих в составе пространственной системы здания или сооружения, с учетом конструктивных особенностей, анизотропии материалов, статико-геометрических параметров, технологических несовершенств, выявлены и проанализированы закономерности изменения их НДС;

- разработаны эффективные по трудоемкости методики и алгоритмы расчета ребристых изгибаемых плит и нелинейно деформируемых сжато-изгибаемых панелей, обеспечивающие адекватную оценку их напряженно-деформированного состояния с учетом пространственной работы;

- проведены комплексные экспериментальные исследования совмещенных ребристых изгибаемых и сжато-изгибаемых конструкций для оценки достоверности разработанных методик расчета, а также для изучения действительного характера их работы под нагрузкой и отработки технологических аспектов; малоэтажный здание строительство ребристый

- предложены структуры многоуровневых процессов параметрической оптимизации изгибаемых ребристых плит и сжато-изгибаемых панелей;

- с использованием разработанных и программно реализованных многоуровневых алгоритмов оптимизации проведены оптимизационные исследования предложенных конструктивных форм с выработкой основных принципов их рационального проектирования и оценкой технико-экономической эффективности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые установлены закономерности влияния конструктивных особенностей, анизотропии материалов, статико-геометрических параметров и технологических несовершенств на напряженно-деформированное состояние совмещенных ребристых конструкций, работающих в составе цельной пространственной системы здания или сооружения;

- усовершенствованы методики и теоретические положения расчета изгибаемых плит и нелинейно-деформируемых сжато-изгибаемых панелей за счет применения аппроксимационных формул и коэффициентов, позволяю-щих адекватно оценить их фактическое напряженно-деформированное состояние с учетом пространственной работы;

- получены новые экспериментальные данные при исследовании клеефанерных плит и панелей на крупноразмерных моделях и натурных конструкциях, подтверждающие достоверность разработанных методик расчета и установленных закономерностей;

- впервые на основе предложенных методик расчета разработаны структуры многоуровневых процессов параметрической оптимизации ребристых конструкций, особенностью которых является возможность учета региональных условий, величин нормируемых отходов, а также решения как глобальных задач поиска наиболее экономичной конструкции во всем номенклатурном ряде, так и локальных задач определения наилучших вариантов при заданных параметрах;

- впервые получены результаты оптимизационных исследований совмещенных ребристых конструкций на основе древесины, на базе которых

выработаны основные принципы их рационального проектирования.

Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации обеспечена комплексным характером выполненной работы: численный анализ с использованием апробированных и широко применяемых методов расчета, реализованных на современных средствах вычислительной техники, теоретические исследования, экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях и натурных конструкциях с применением дублирующих методов определения экспериментальных данных, сравнительный анализ полученных результатов работы с материалами других авторов, а также согласованностью данных о напряженно-деформированном состоянии совмещенных ребристых плит, полученных в результате теоретических, численных и экспериментальных исследований.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

- новые эффективные конструктивные формы малоэтажных зданий и сооружений из совмещенных плит и панелей, отвечающие требованиям строительства в районах Урала, Сибири, Дальнего Востока, Севера, в районах со сложными грунтовыми условиями и в сейсмоопасных районах;

- оценка напряженно-деформированного состояния совмещенных ребристых элементов и конструкций на их основе, базирующаяся на результатах проведенных численных исследований;

- методики расчета ребристых изгибаемых плит и нелинейно деформи-

руемых сжато-изгибаемых панелей, включающие аппроксимационные фор-мулы и коэффициенты, которые позволяют адекватно оценить их напряженно-деформированное состояние с учетом пространственной работы;

- закономерности влияния конструктивных особенностей, анизотропии материалов, статико-геометрических параметров и технологических несовер-шенств на напряженно-деформированное состояние совмещенных ребристых конструкций, установленные на базе результатов экспериментально-теоретических исследований;

- структуры двухуровневого и трехуровневого процессов параметрической оптимизации изгибаемых ребристых плит и сжато-изгибаемых панелей при постановке задачи оптимизации на первом уровне в форме задачи нелинейного математического программирования и с использованием алгоритмов

сканирования по узлам заданных сеток на втором и третьем уровнях, а

также результаты оптимизационных исследований;

- основные принципы проектирования предлагаемых совмещенных ребристых конструкций для покрытий и стеновых ограждений зданий и сооружений различного назначения.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны до стадии рабочих чертежей новые конструктивные решения совмещенных ребристых плит и панелей, пластинчато-стержневых конструкций и полносборных малоэтажных объектов на их основе, отличающиеся от известных аналогов эффективностью, как по расходу материалов, так и по трудоемкости изготовления и монтажа;

- создана инженерная методика расчета совмещенных изгибаемых и сжато-изгибаемых конструкций на деревянном каркасе, позволяющая инженеру-проектировщику создавать экономически эффективные и техноло-гичные конструкции;

- проведена технико-экономическая оценка разработанных конструкций, которая позволила обосновать и практически подтвердить возможность повышения эффективности малоэтажного строительства при применении совмещенных ребристых плит и панелей;

- сформулированы основные принципы проектирования совмещенных

конструкций на основе древесины для покрытий и стеновых ограждений зданий различного назначения, на базе которых разработаны практические рекомендации по их конструированию, расчету и изготовлению.

Внедрение результатов работы. Предложенные совмещенные конструкции ребристых плит и панелей нашли применение в проектах малоэтажных жилых домов, зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения, складов и крытых стоянок, реконструкции зданий путем их надстройки (всего 12 объектов); материалы исследований и альбомы рабочих чертежей разработанных конструкций переданы по запросу Правительству Оренбургской области для внедрения в малоэтажном строительстве и при обустройстве российско-казахской границы; рабочие чертежи совмещенных плит покрытия и панелей стен переданы по запросам в строительные организации и проектные институты: ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, ЦНИИПромзданий, ЦНИИЭПовцепром, ЗАПСИБНИПИАГРОПРОМ (г.Новосибирск), Красноярсккрайсельстрой, Сургутгазпром, Оренбургоблгражданстрой (всего 14 предприятий); с применением разработанных конструкций была проведена реконструкция покрытия над зрительным залом дворца культуры ПО «Сибсельмаш» (г.Новосибирск); основные принципы конструирования и расчета совмещенных плит на деревянном каркасе использованы при разработке «Рекомендаций по конструированию, расчету и изготовлению большепролетных клеефанерных плит для покрытия общественных зданий» и «Ре-комендаций по проектированию, изготовлению и эксплуатации деревянных жилых домов и объектов соцкультбыта», на основе которых в СибЗНИИЭП (г.Новосибирск) выполнена комплексная серия типовых проектов жилых и общественных зданий для строительства в районах нового промышленного освоения Сибири и Севера; студентам специальностей ПГС и ГСХ автор читает специальный курс «Индустриальные конструкции на основе древесины для строительства малоэтажных зданий и сооружений».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных и всероссийских научно- технических конференциях НГАСУ (г. Новосибирск, 1982 - 2008), ОГУ (г. Оренбург, 1993 - 2008), КрасГАСА (г.Красноярск, 2003, 2005), СГАСУ (г.Самара, 2004), на Всероссийских семинарах по проблемам оптимального проектирования сооружений (г.Новосибирск, 2005, 2008), на международных научно-технических конференциях и симпозиумах, посвященных проблема совершенствования строительных конструкций (г. Ташкент, 1983; г.Ашхабад, 1986; Bratislava-Kocovoe, ЧССР, 1984; г.Пенза, 2002; г.Томск, 2003; г. Белгород, 2003; г. Ростов-на-Дону, 2003; г.Одесса, Украина, 2003, 2005 - 2008; г. Щтецын, Польша, 2004; г.Хаммет, Тунис, 2004; г.Пенза, 2004 - 2008; г.Оренбург, 2004, 2007, 2008; г.Москва, 2005, г.Самара, 2005), на ХХIV Российской школе «Наука и технологии», г.Москва, 2004.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 120 печатных работах, в том числе: 15 - публикации в открытой печати в центральных научных журналах и в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, 14 - авторские свидетельства СССР, патенты РФ на изобретение и полезные модели, 1 - монография (в соавторстве), 1 - учебное пособие (в соавторстве), 34 - в сборниках трудов и докладов международных и российских конференций и симпозиумов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка использованных источников из 249 наименований и приложения. Общий объем работы 423 страницы текста, в том числе 166 рисунков, 35 таблиц.

Работа выполнена в соответствии с НТП Министерства образования и науки РФ (№Г.Р.01.200.3 13588), межотраслевой программой Федеральной службы специального строительства и Министерства образования и науки РФ (№Г.Р.012003 11267), планом фундаментальных и научных исследований РААСН на 2007 год, разработанная тема входит также в план госбюджетных НИР ГОУ ВПО ОГУ (№Г.Р.01990000100).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована тема диссертации, формулируется цель и задачи исследования, положения, выносимые на защиту, показана научная новизна работы, подчеркивается достоверность экспериментальных и теоретических исследований, их практическая ценность, приведены сведения об апробации работы, показаны структура и объем диссертации, количество публикаций по работе.

В первой главе рассмотрено современное состояние и тенденции развития малоэтажного строительства с применением древесины и древесных материалов. Приведены общие сведения о современных технологиях малоэтажного строительства. Автор отмечает, что получить качественный скачок в области совершенствования строительных конструкций невозможно без всестороннего анализа и синтеза наилучших известных вариантов, без изучения опыта ученых и инженеров в области проводимых исследований. В связи с этим в первой главе проанализирован путь эволюции малоэтажных зданий и сооружений на основе древесины, который неразрывно связан с развитием конструктивных решений ограждающих деревянных конструкций: от срубов и ограждений построечного изготовления до полносборных зданий и сооружений. Дан обзор известных конструктивных решений плит и панелей на деревянном каркасе, разработанных в отечественной и зарубежной практике. Разработка ограждающих конструкций заводского изготовления на деревянном каркасе базировалась на фундаментальных трудах Ф.П. Белянкина, В.В. Большакова, Е.М. Знаменского, В.Ф. Иванова, Ю.М. Иванова, Г.Г. Карлсена, М.Е. Когана, В.М. Коченова, Д.А. Кочеткова, Н.Л. Леонтьева, А.Р. Ржаницына и других выдающихся ученых, в работах которых были продолжены и развиты традиции И.П. Кулибина, Д.И. Журавского и В.Г. Шухова, блестяще сочетавших теорию с практикой.

Отмечены преимущества применения ограждающих сборных плит покрытия и панелей стен пролетом 6,0 и более метров. Разработки этих конструкций оказались возможными и основывались на том фундаментальном вкладе, который был внесен в их развитие А.Б. Губенко, В.Н. Быковским, В.А. Ивановым, Ю.М. Ивановым, В.И. Травушем, А.М. Чистяковым, П.А. Дмитриевым, Н.П. Абовским, Б.С. Соколовским, В.В. Стояновым, Ю.Д. Стрижаковым, Л.М. Ковальчуком, К.П. Пятикрестовским, В.Б. Касаткиным, С.В. Колпаковым, И.М. Линьковым, С.Б. Турковским, Ю.Ю. Славиком, Д.В. Мартинцом, Е.И. Светозаровой, Е.Н. Серовым, Р.Б. Орловичем.

Рассматриваются разработки и исследования крупноразмерных плит на основе древесины, проведенные в ведущих организациях и вузах нашей страны, таких как ЦНИИСК им. Кучеренко, ЦНИИПромзданий, Гипронисельхоз, Южгипронисельхоз, Новосибирский филиал «Оргэнергостроя», СибЗНИИЭП, Ленинградский, Московский, Киевский, Красноярский, Новосибирский ИСИ. Анализируется опыт зарубежных фирм, использующих в малоэтажном строительстве конструкции на основе древесины.

Из анализа известных в настоящее время конструктивных решений малоэтажных зданий и сооружений сделан вывод о том, что их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью технологии сборки, либо с большим расходом древесины и фанеры или ей подобных материалов. В применяемых технологиях отсутствует возможность строительства гражданских и производственных зданий из однотипных унифицированных элементов. В большинстве случаев они не отвечают требованиям эксплуатационной надежности. К недостаткам ряда конструкций следует отнести и то, что обшивки плит и панелей выполняют только ограждающие функции и не вовлечены в общую работу конструкции.

Выполнен обзор трудов в области теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния ребристых плит и панелей на деревянном каркасе, а также работ по определению их эффективности. К первым работам, посвященным изучению величины работающей части обшивок ребристых плит для случаев, наиболее близких к рассматриваемым конструкциям, относятся труды Т. Кармана, Х. Кокса, Ландквиста, Метцера, П. Дутко, С.П. Тимошенко, Г.Г. Ростовцева, С.Г. Лех-ницкого, А.Б. Губенко, В.Н. Быковского. Из числа последних работ, посвященных изучению напряженно-деформированного состояния фанерной обшивки крупноразмерных плит, заслуживают внимания работы И.М Линькова, П.А. Дмитриева, И.С. Инжутова, В.П. Герасимова, С.В. Гвоздецкого, А.Г. Кондакова, Е.А. Кабанова. Отмечается, что результаты проведенных исследований применимы для плит, имеющих только основные ребра, на которые непосредственно передаются опорные реакции. Решение же задачи об оценке напряженно-деформированного состояния плит и панелей, работающих в составе пространственной системы здания, имеющих не только основные, но и вспомогательные ребра, подверженных действию сил сжатия и изгиба в двух плоскостях, как в нормативной, так и в технической литературе отсутствует. Как правило, не изучалось влияние технологических несовершенств на напряженно-деформированное состояние совмещенных ребристых конструкций на основе древесины.

Анализируя приведенные в научно-технической литературе данные, автор констатирует общий вывод, что на эффективность и область применения конструкций из различных материалов влияет множество факторов, в частности: наличие сырьевой и производственной базы; продолжительность эксплуатации здания или сооружения, требуемая степень капитальности; степень рассредоточенности объектов и удаленность их от производственных баз строительства; уровень цен и себестоимости материалов и конструкций по районам страны. Существенному повышению экономической эффективности строительных конструкций способствует внедрение в практику проектирования методов оптимизации строительных объектов и систем. Эффективность решения прикладных задач оптимального проектирования различных типов строительных конструкций доказана в работах Н.П. Абовского, Н.В. Баничука, В.П. Валуйских, Г.В. Василькова, А.И. Виноградова, Ю.Б. Гольдштейна, В.Н. Гордеева, Г.И. Гребенюка, Л.В. Енджиевского, В.И. Кучерюка, И.Б. Лазарева, Л.С. Ляховича, В.П. Малкова, Ю.В. Немировского, Я.И. Олькова, И.Г.Овчинникова, В.А. Пермякова, Ю.М. Почтмана, Ю.А. Рад-цига, М.И. Рейтмана, В.В. Трофимовича, И.С. Холопова, А.А. Чираса, А.Г. Юрьева, Я. Арора, Г. Вандерплааца, Н. Ольхоффа, В. Прагера, Дж. Тейлора, Э. Хога, Л. Шмита и многих других. Отмечается, что при всем многообразии оптимизационных исследований строительных конструкций вопрос оптимизации совмещенных ребристых крупноразмерных плит покрытия и панелей стен не рассматривался. Также не проводилась технико-экономическая оценка таких конструкций при применении их в малоэтажных зданиях.

На основе всестороннего анализа автор определил пути дальнейшего совершенствования рассматриваемого класса конструкций, сформулировал направление исследований.

Вторая глава посвящена разработке малоэтажных зданий и сооружений на основе совмещенных ребристых плит и панелей. Автор мотивирует целесообразность разработки полносборных, в том числе быстровозводимых, зданий и сооружений из однотипных взаимозаменяемых унифицированных с технологической точки зрения плит покрытия и панелей стен на основе древесины. Такие полносборные здания отличает совокупность следующих показателей:

- клееные плиты и панели при минимальном количестве типоразмеров могут быть использованы для малоэтажного домостроения, промышленных, гражданских и сельскохозяйственных объектов, выполняя при этом функции покрытия, перекрытий и несущих стен;

- на базе однотипных унифицированных конструкций можно собирать разнообразные по форме и по назначению здания и сооружения;

- за счет взаимозаменяемости и унифицированности появляется возможность изготовления резерва сборных элементов, которые могут храниться на региональных базах МЧС и обеспечивать при чрезвычайных ситуациях скоростной монтаж зданий и сооружений первостепенного назначения;

- однотипность элементов создает преимущества при их изготовлении, транспортировке и монтаже;

- при монтаже строительного объекта из совмещенных плит покрытия и панелей стен сразу формируется пространственный блок, не требующий постановки дополнительных вертикальных и горизонтальных связей;

- полносборные здания, собранные из легких клееных элементов, могут с успехом использоваться в сейсмоопасных районах.

Унифицированные совмещенные конструкции на основе древесины обеспечат наиболее эффективные способы возведения современных зданий и оптимизацию финансовых и трудовых затрат за счет применения сборных элементов с максимальной степенью заводской готовности, простоты и технологичности их изготовления, небольшого веса отдельных плит и панелей, а также здания в целом, возможности всесезонного строительства, предельно коротких сроков возведения объекта.

На основе анализа известных конструктивных решений ограждающих конструкций из древесины, железобетона и стали с учетом специфических условий строительства в районах Урала, Сибири, Дальнего Востока и Севера автором сформулированы основные положения концепции создания объектов малоэтажного строительства, которые заключаются в следующем:

- максимальное уменьшение массы зданий, которое может быть наиболее эффективно достигнуто путем совмещения в конструкциях несущих и ограждающих функций за счет включения в общую работу конструкций элементов ограждений;

- максимальная заводская готовность конструкций, готовых к монтажу и укомплектованных соединительными деталями;

- высокие теплотехнические свойства ограждений и герметичность стыков при значительных температурных деформациях;

- минимальная трудоемкость устройства стыков и узлов крепления к каркасу и фундаменту здания;

- технологическая унификация и возможность производства на существующих заводах КДК;

- учет принципа региональности конструкций;

- пространственность работы и совмещение функций;

- простота конструктивной формы здания;

- эффективное использование свойств применяемых материалов;

- максимальная степень эксплуатационной надежности, которая может быть достигнута за счет разработки эффективных алгоритмов расчета изгибаемых плит и нелинейно-деформируемых сжато-изгибаемых панелей;

- максимальная долговечность отдельных конструкций и зданий в целом, которая достигается за счет специальных конструктивных мероприятий и химической защитой;

- экономическая эффективность, которая может быть достигнута как за счет комплексного учета всех вышеперечисленных основных положений концепции создания малоэтажных зданий, так и, в основном, при помощи широкого использования методов оптимизации, ориентированных на нахождение наилучших вариантов из множества альтернатив и обеспечивающих снижение расхода материалов как на отдельные конструкции, так и на здание или сооружение в целом.

Приведены примеры конструктивных решений производственных зданий и жилых домов из совмещенных ребристых плит. Для строительства малоэтажных быстровозводимых объектов производственного назначения рекомендуется использовать сборно-разборные клеефанерные блоки, пространственные рамы. Рассматриваются особенности предлагаемых конструктивных форм. Например, сборно-разборная рама (рис.1) включает в себя два ригеля, две стойки и четыре подкоса, при этом каждая стойка и ригель выполнены из клееных ребристых плит П-образного поперечного сечения, состоящих из двух продольных ребер и полки, ориентированной внутрь рамы и жестко соединенной с продольными ребрами.

Вертикальные подкосы, примыкающие к продольным ребрам плит ригелей и наклонных стоек в пределах длины консолей за счет тупого угла между ригелем и стойкой внутри рамы образуют со стороны консольного участка рамы жесткий треугольник, который обеспечивает геометрическую



Рис. 1 Пространственная сборно-разборная рама:1 - ригель; 2 - стойка; 3 - подкос; 4 - продольные ребра ребристых плит; 5 - полка плиты

неизменяемость рамы в поперечном направлении. Вследствие того, что ширина плит, ригелей и стоек составляет не менее 1/10-1/12 от пролета рамы, отпадает необходимость в связях, обеспечивающих пространственную неизменяемость конструкции в продольном направлении. После установки рам вплотную друг к другу образуются гладкие потолки и стены, поскольку поверхности плит ригелей и стоек обращены в помещение, заранее обработаны и отделаны на заводе. Таким образом, предлагаемая конструкция рамы позволяет, по сравнению с известными конструктивными решениями, снизить трудоемкость монтажа в 2…3 раза, облегчить вес здания на 15-20%, отказаться от постановки связей, обеспечивающих пространственную жест-кость здания или мансардного этажа, снизить трудоемкость изготовления конструкций на 20-23%, увеличить габарит помещений на 4-7%, сократить расход материалов на здание в целом, в том числе на фундаменты на 20-35%.

Рассмотрены конструктивные решения малоэтажных жилых домов. С применением в перекрытиях и покрытии трапециевидных ребристых плит автором разработаны двухэтажные с третьим мансардным этажом энергоэффективные малоэтажные полносборные жилые дома с круглым планом. Для обеспечения требования транспортабельности конструкций, особо важного для малоосвоенных территорий, автором разработаны варианты жилых домов из плит и панелей длиной 6,0 (рис.2) и более метров. Такие конструкции можно уложить в компактные пакеты или в контейнеры и перевести на обычных автомобилях, железнодорожных платформах, в трюмах судов, а, при необходимости, и авиатранспортом. Второй особенностью дома по рис.2 является использование фундаментов в виде сборной платформы, возможные конструктивные решения которой для строительства в районах со сложными грунтовыми условиями и в сейсмоопасных районах приведены в трудах профессора Н.П. Абовского. Во всех плитах и панелях рассматриваемого

Рис. 2 Вариант проекта дома из плит и панелей длиной до 6,0м на фундаментной платформе

варианта для основных ребер использована цельная древесина, что позволи-ло автору существенно (на 30 - 40%) обеспечить снижение стоимости сбор-ных элементов по сравнению с клееными ребрами. Это было достигнуто за счет включения обшивки в общую работу конструкции. Такой конструктивный прием привел к увеличению геометрических характеристик плит и пане-лей на 25 - 35%, что и обеспечило требуемую степень прочности и жесткости рассчитываемых элементов при воздействии эксплуатационных нагрузок.

Даны примеры конструктивных решений полносборных башенных сооружений из совмещенных ребристых панелей.

Выполненная технико-экономическая оценка предлагаемых вариантов свидетельствует о технико-экономической целесообразности применения малоэтажных зданий на основе совмещенных ребристых конструкций. Экономический эффект в ценах 2007 года составляет 600…700 руб/м². В сравнении с традиционными плоскостными несущими конструкциями и ограждающими элементами по ним применение предлагаемых конструктивных форм обеспечивает: сокращение трудоемкости монтажа на 30…40% при незначительном увеличении до 5% трудозатрат на изготовление конструкций; экономию пиломатериалов до 22%, фанеры до 36%, что соответствует экономии лесоматериала (в пересчете на круглый лес) в размере 0,055 м³/м². При возведении жилых домов социального назначения стоимость одного квадратного метра общей площади составляет не более 10 тыс. рублей, что делает его доступным для российской семьи со средним уровнем дохода.

Показана целесообразность использования таких конструкций для строительства в сейсмоопасных зонах. Отмечено, что жесткие блоки в пок-рытии и стенах снижают опасность полного обрушения здания при сейсмических воздействиях, ограничивая эту возможность локальным отказом одной или двух плит, при этом, за счет дополнительных стяжных стержней, снабженных при необходимости демпферными устройствами, постановку которых рекомендует автор, легко обеспечить лишь зависание аварийных конструкций на рядом расположенных плитах покрытия или панелях стен, что существенно повышает их живучесть.

Разработке новых рациональных типов совмещенных ребристых конструкций посвящена третья глава диссертации. Предложенные на базе сформулированных основных положений конструирования совмещенных ребристых конструкций, плиты и панели имеют повышенную степень заводской готовности и реализуют преимущества крупноблочного монтажа, что полностью отвечает специфическим условиям строительства в районах Урала, Сибири, Дальнего Востока и Севера, в том числе и условиям строительства в районах с повышенной сейсмической активностью. Новизна конструктивных форм защищена рядом авторских свидетельств, патентами РФ на изобретения и полезные модели.

В качестве основных несущих элементов ребристых конструкций, по предложению автора, принято два продольных клеедощатых или клеефанерных ребра (рис.3). Для основных ребер могут быть использованы другие

конструкции, например, деревометаллические балки со стенкой из стальных профилированных листов, сквозные элементы и т.п.

Обшивку целесообразно выполнять из листов водостойкой фанеры или аналогичных материалов толщиной не менее 8мм и приклеивать её к ребрам каркаса. В этом случае обшивка в наибольшей мере вовлекается в общую пространственную работу плиты, образуя совместно с ребрами П-образное или в виде двойного Т поперечное сечение. Включение обшивки в работу позволяет существенно увеличить моменты инерции и сопротивления попе-



Рис. 3 Плита с клеедощатыми рёбрами: 1 - основные рёбра; 2 - поперечные рёбра; 3 - фанерная обшивка; 4 - диафрагмы; 5 - обрамляющие рёбра

речных сечений ребристых конструкций, что и приводит к экономии материала. В главе дан алгоритм определения приведенных геометрических характеристик поперечного сечения в зависимости от конструктивного решения. Альтернативным решением является использование, взамен фанерных, обшивок из брусков малых сечений (40х40мм, 50х40мм) или из узких реек (b 100мм), склеенных по кромкам между собой и с каркасом плит. Дощатые обшивки могут быть продольными (что предпочтительнее) или двухслойными перекрестными из реек, расположенных под углом 45⁰ к основным ребрам и склеенных с ними и друг с другом. Обшивку плит можно выполнять из плоских асбестоцементных листов. Асбестоцемент является более дешевым и огнестойким материалом по сравнению с фанерой, но в этом случае, как правило, исключается возможность включения обшивки в общую работу конструкции. Представляется интересным, с точки зрения автора, применение в качестве обшивки ориентированных стружечных плит (OSB) и плит из клееного шпона (LBL).

Для обеспечения прочности, жесткости и устойчивости фанерных обшивок в крупноразмерных плитах и панелях с двумя основными ребрами предусмотрены вспомогательные элементы, которые расположены в местах стыкования фанеры по длине и ширине, а также, при необходимости, в середине пролета отдельных листов. Неизменяемость формы поперечного сечения плит обеспечена с помощью диафрагм, запроектированными клеедощатыми, клеефанерными или сквозными (в зависимости от конструкции основных ребер).

Кроме того, в целях повышения долговечности и эксплуатационной надежности плит покрытий и панелей стен основные несущие ребра расположены вне толщи утеплителя, открыто, что делает их доступными для осмотра и способствует быстрому проветриванию в случае увлажнения. Утепление совмещенных ребристых конструкций целесообразно выполнять с применением эффективных негорючих плитных или заливочных пенопластов. В последнем случае автор предлагает ограждающую часть плит конструировать в виде замкнутого короба, который образуют обшивка и обрамляющие элементы. Пароизоляция может быть выполнена как пленочной, так и окрасочной. В безпустотных ограждениях соединение утеплителя с обшивкой и мягкой кровлей из слоя стеклоткани и слоя рулонного гидроизоляционного материала достигается при вспенивании заливочных пенопластов в полости конструкции. Сопряжения элементов плит и панелей выполнены с использованием зубчатых соединений, соединений на вклеенных стержнях, с применением металлических или стеклопластиковых крепежных элементов.

Для увеличения эффективности включения обшивки в общую работу конструкции, по предложению автора, разработана плита, в которой в средней части поперечного сечения фанерная обшивка заменена на дощатый настил, выполненный из короткомерных низкосортных досок. В зоне основных продольных ребер обшивка имеет два слоя, причем стыки фанеры расположены «в разбежку», что позволило отказаться от использования стыковых накладок. Этот конструктивный прием обеспечил повышение несущей способности и жесткости конструкции на 12…16% по сравнению с аналогом на рис.3 без какого-либо увеличения расхода древесины и фанеры.

Приведены показатели расхода основных материалов на разработанные конструкции, подтверждающие их эффективность по сравнению с аналогами.

Автору представляется целесообразным использовать ребристые панели в стенах малоэтажных зданий. Поставленные вертикально и скрепленные друг с другом панели образуют стены высотой в один или два этажа, при этом, панели располагаются ребрами наружу в жилых зданиях и ребрами внутрь в производственных. Оконные, дверные и другие необходимые проемы предусматриваются в нерядовых панелях. Предлагаемая конструкция стены с клеедощатой обшивкой обладает рядом достоинств, таких как стопроцентная заводская готовность с внутренней отделкой, транспортабельность и неповреждаемость при перевозке, возможность изменять термозащитные качества, не изменяя конструкцию каркаса панелей, допускает возведение стен на закругленном плане, не имеет осадок, свойственных брусчатым стенам, в перекрытиях и утепленных покрытиях использованы аналогичные по конструкции плиты.

Особенностью клеедощатой обшивки выполненной из склеенных между собой брусков поперечным сечением не более 45х45мм является то, что она изготавливается в ряде случаев с предварительным напряжением, что препятствует образованию усушенных трещин, повышает эксплуатационную надежность и эстетические качества стеновой панели в целом.

Показана целесообразность использования совмещенных ребристых конструкций в качестве базовых элементов пластинчато-стержневых комбинированных систем. Лично автором или при его непосредственном участии разработаны новые конструктивные формы шпренгельных плит, блочных ферм, плит с размерами «на комнату», сводчатые и шатровые конструкции.

Автор обосновывает целесообразность использования ребристых плит с клеедощатой обшивкой в пролетных строениях мостов на примере новых решений. Определена область применения разработанных конструкций.

Четвертая глава посвящена исследованию и анализу напряженно-деформированного состояния малоэтажных объектов из совмещенных реб-ристых конструкций. Целью исследований являлось изучение НДС предложенных конструкций и их элементов с учетом пространственной работы в составе здания или сооружения в зависимости от конструктивных особенностей, анизотропии материалов, статико-геометрических параметров и технологических несовершенств, а также формирование предпосылок для разработки методик расчета ребристых изгибаемых плит и сжато-изгибаемых панелей с обшивками, включенными в общую работу конструкции.

Отмечается, что напряженно-деформированное состояние разработанных ребристых плит и панелей, работающих в составе пространственной системы здания или в качестве верхнего пояса пластинчато-стержневого блока покрытия, необходимо изучать с использованием принципа многоуровневой декомпозиции с учетом действия горизонтальных сил, податливости соединений и длительных модулей деформативности древесины и фанеры. При этом, на первом этапе расчета плиты и панели, входящие в состав здания, могут быть заданы в виде приведенных ортотропных пластин прямоугольного поперечного сечения. Автор предлагает методику определения жесткостных характеристик таких пластин.

Рис. 4 Варианты сечений плит и панелей

Полагая, что плита или панель изготовлены в виде перекрестной системы ребер с односторонней или двухсторонней обшивкой, число ребер m_oр1, m_oр2 в каждом из ортогональных направлений должно быть не менее двух, т.е. m_oр1 2, m_op2 2. Поперечное сечение конструкции показано на рис.4.

Пусть высота h_пр ортотропной пластинки, ко-торой аппроксимируется панель, равна полной высоте ребристой панели.

При односторонней обшивке - h_пр = h + _ф, при двухсторонней обшивке - h_пр = h + 2_ф.

Величины приведенных моментов инерции поперечного (1-1) и продольного (2-2 ) сечений I_1пр, I_2пр соответственно определим как:

- односторонняя обшивка:

, (1)

; (2)

- двухсторонняя обшивка:

, (3)

. (4)

Приведенные модули упругости материала принятой ортотропной пластинки в направлениях х, у определяем из соотношений:

, . (5)

Таким образом, , . (6)

Приведенный модуль сдвига G_12пр в ортогональных направлениях определим из следующих соображений. Будем полагать, что поперечные 1-1 и продольные 2-2 сечения плиты или панели состоят из прямоугольников. Согласно теории Сен-Венана момент инерции i-го прямоугольника при свободном кручении равен:

. (7)

Жесткости при кручении панели для сечений 1-1, 2-2 будут равны:

- односторонняя обшивка:

,

, (8)

где: , ;

- двухсторонняя обшивка:

,

. (9)

После преобразований и приравнивания жесткости при кручении исходных сечений 1-1, 2-2 и приведенных прямоугольных сечений пластинки получим:

. (10)

Приведенный коэффициент Пуассона для аппроксимирующей орто-тропной пластинки определяем, объединяя соответствующие характеристики материалов древесины и фанеры:

. (11)

Величину _21пр находим согласно принятой модели ортотропной пластинки: . Тогда:

, (12)

где Е_1пр, Е_2пр - величины, заданные соотношениями (6).

Погонные изгибные жесткости приведенной ортотропной пластинки, аппроксимирующей заданную панель равны:

, . (13)

Крутильная погонная жесткость равна:

(14)

На второй стадии из конструкции вычленяется плита или панель, рассчитываемая при более густой сетке конечных элементов. Уточненному моделированию здесь могут подлежать и второстепенные элементы (ребра обрамления, диафрагмы и т.п.). На третьей стадии решается задача устойчивости наиболее напряженного отсека обшивки плиты, заключенного между основными и вспомогательными поперечными или продольными ребрами.

В результате проведенных численных исследований выявлено, что для учета работы совмещенных конструкций в составе пространственной системы здания значение расчетного сопротивления материала следует снижать на коэффициент г_пр, который зависит от общей длины здания и от ветрового района строительства и принимается равным: 0,9 - при длине здания до 15,0м (строительство в IV - VII ветровых районах); 0,95 - при длине здания до 15,0м (строительство в I - III ветровых районах), а также при длине здания от 15,0 до 30,0м (строительство в IV - VII ветровых районах). В других случаях коэффициент г_пр равен 1.

Степень неравномерности распределения нормальных напряжений по ширине обшивки, определенная при помощи коэффициента приведения k_об зависит, в основном, от шага основных ребер и толщины обшивки, причем увеличение шага ребер с 750мм (min) до 3000мм (max) приводит к уменьшению коэффициента k_об на 35…40%, а значение толщины обшивки с 8мм до 20мм обеспечивает увеличение k_об на 14…15%.

Поперечные вспомогательные ребра, непроклей в швах соединения обшивки с ребрами до 30%, отклонение опор плит «на пролет» от горизонтали до 14мм, не оказывают влияния на величину коэффициента приведения обшивки, причем эта величина не меняется по длине плиты или панели.

Продольные вспомогательные ребра частично включаются в общую работу конструкции, что необходимо учитывать коэффициентом приведения вспомогательных ребер k_вр, который также зависит от шага основных ребер и толщины обшивки и находится в интервале от 0,25 до 0,68. Увеличить степень включения обшивки и продольных вспомогательных ребер в общую работу конструкции возможно за счет применения наклонных диафрагм, которые позволяют увеличить коэффициенты k_об и k_вр в 2,1 и 3,3 раза соответственно в опорном сечении и в 1,6 и 2,3 раза в пролетных сечениях.

Для различных типов конструкций степень участия обшивки и продольных вспомогательных ребер в общей работе плиты или панели должна определяться с учетом их пространственной работы в составе здания или сооружения, фактических значений анизотропии материала, продольных сжимающих сил и соотношения шага основных ребер к пролету при помощи введения в расчет корректировочных коэффициентов k_пр, k_E, k_e, k_l, которые, по результатам расчетов, можно определять по формулам:

k_пр = г_пр ; (15)

, (16)

где _Е - отношение модулей упругости рассматриваемого случая и базового варианта (_Е=1,5);

, (17)

где N - расчетное продольное усилие, кН; М - расчетный изгибающий момент, кНм; с= 1м - коэффициент на единицы измерения ;

, (18)

где а_ор - шаг основных ребер, L - длина конструкции.

Кроме этого, проведенные исследования позволили установить следующие факты: отклонение опор плит «на пролет» от горизонтали не окажет существенного влияния на НДС конструкции при ограничении этого параметра величиной 14мм; для обеспечения устойчивости сжатой обшивки до достижения конструкцией предельного состояния необходимо принимать отношение пролета обшивки к её толщине не более 85.

В пятой главе изложены пути совершенствования методик расчета совмещенных ребристых изгибаемых плит и сжато-изгибаемых панелей, в том числе с учетом ползучести. Приведены алгоритмы их расчета по «балочной» схеме и при аппроксимации панелей ортотропной пластинкой.

При расчете по «балочной» схеме степень участия обшивки и вспомогательных ребер в общей работе конструкции необходимо определять с учетом корректировочных коэффициентов, определяемых по формулам (15-18). Приведена методика расчета трапециевидных в плане плит, в которой учтено, что при определении местоположения опасного сечения необходимо учитывать, что шаг основных ребер является линейно переменным по длине плит. В этом случае коэффициент приведения фанерной обшивки зависит от координаты рассматриваемого сечения х и определяется по формуле:

, (19)

где k₂(x), k₁(x), k₀(x) - функции, которые находятся в результате квадратичной аппроксимации:

,

, (20)

,

Также особенностью расчета трапециевидных плит является определение деформаций, для нахождения которых автор использует дифференциальное уравнение изгиба балок. Используя методику определенного интеграла, автор разработал алгоритм построения эпюры прогибов.

При расчете нелинейно-деформируемых ребристых сжато-изгибаемых панелей по балочной схеме в качестве расчетной модели автор принял схему, соответствующую продольно-поперечному изгибу шарнирно опертой балки.

При E_д I_пр = const, q = const, общее решение по методу начальных параметров дифференциального уравнения продольно-поперечного изгиба стержня имеет вид:

 (21)

где (х) - функция прогибов сечений; ₀- начальный прогиб;

- начальный угол поворота; - начальная «балочная» поперечная сила;

; ; ;

а_п - расчетная длина панели; b_n - ширина панели.

Автор рассматривает различные граничные условия закрепления концов панели и определяет для них расчетные усилия.

При аппроксимации панели ортотропной пластинкой её приведенные жесткостные характеристики в ортогональных направлениях могут быть определены по формулам (1 - 14). По аналогии с приближенным решением при продольно-поперечном изгибе стержня автор строит приближенное решение для ортотропной пластинки при сжатии с изгибом, используя решение для поперечного изгиба:

, (22)

где - решение задачи поперечного изгиба ортотропной пластинки;

q₁ -заданная сжимающая нагрузка; q_1эсr - критическое Эйлерово значение сжимающей нагрузки, для определения которого использована как непосредственно формула Эйлера, так и энергетический метод.

Величины внутренних усилий при сжатии с изгибом ортотропной пластинки определяются по формулам, аналогичным (22). Решение задачи поперечного изгиба автор получает различными методами. Для приведенной ортотропной пластинки рассмотрено решение дифференциального уравнения изгиба при шарнирном опирании по контуру, цилиндрический изгиб, решение задачи изгиба энергетическим методом при различных условиях закрепления опор.

Дифференциальное уравнение изгиба ортотропной пластинки, аппроксимирующей заданную ребристую панель, имеет вид:

, D₃=D_{1 21пр}+2D_к. (23)

Выражения для изгибающих и крутящего момента, а также поперечных сил (отнесенных к единичному элементу) можно записать в виде:

, ,

,

, (24)

По аналогии со случаем изотропной пластинки решение дифференциального уравнения изгиба (23) для ортотропной пластинки, аппроксимирующей ребристую панель, найдено в виде двойного тригонометрического ряда. Для шарнирно опертой пластинки, нагруженной только равномерной поперечной нагрузкой интенсивностью q₂:

. (25)

Автор ограничивается в дальнейшем при постановке и решении задач оптимизации панели использованием только первого члена ряда. Тогда:

(26)

Максимальный прогиб равен:

. (27)

Подставляя (26) в (24), получим выражения для изгибающих и крутящего моментов:

, (28)

, (29)

. (30)

Уравнение цилиндрического изгиба панели, аппроксимированной ортотропной пластинкой, имеет вид:

. ( 31)

При шарнирном опирании кромок панели , ,

, записывая решение (31) по методу начальных параметров, после преобразований получим:

. (32)

Используя выражения (24), (32), находим максимальные значения:

; ; . (33)

Для защемленной по нижней кромке панели имеем соответственно:

, , , ;

; ; . (34)

Для направления «Y» .

Решая задачу изгиба шарнирно опертой ортотропной пластинки энергетическим методом, автор принимает функцию прогибов в виде:

...