Геометрическое формообразование складчатых куполов из модульных равнобедренных треугольников Славная, Людмила Ивановна

Введение к работе

з

Актуальность темы исследования. Ведущую роль в области

строительства на любом этапе развития играет стремление к разработке новых объемно-планирсчочных решений с применением новых эффективных конструкций. Это обеспечивает экономию материалов, уменьшение объемов сооружений, что в свою очередь приводит к экономии энергетических и топливных ресурсов, уменьшению трудоемкости строительно-монтажных работ, снижению стоимости и продолжительности строительства.

Данным требованиям отвечают пространственные конструкции, которые выполняют как функции покрытий, так и стен, и являются единой пространственной формой.

Опыт проектирования и строительства показывает, что одной из наиболее эффективных конструктивных форм являются купольные системы, которые отвечают требованиям эстетики внешнего и внутреннего вида, экономного расходования материалов и других ресурсов. В зданиях с куполами больших пролетов появляется возможность свободной планировки. Поэтому поиск новых рациональных форм куполов является достаточно актуальной задачей.

В качестве несущих конструкций зданий, сооружений и покрытий очень часто применяются каркасы из коротких стержней, которые позволяют образовывать различные пространственные решетчатые покрытия с плоскими или криволинейными формообразующими поверхностями.

Недостатками пространственных решетчатых систем считают повышенную трудоемкость изготовления элементов и трудоемкость изготовления узловых соединений. Однако унификация элементов конструкций для серийного их изготовления в заводских условиях позволяет этого избежать.

С появлением быстродействующих ЭВМ и благодаря разработке методов расчета сложных многократно статически неопределимых конструкций стержневые системы получили развитие и широкое применение, выдвинувшись на одно из первых мест среди прогрессивных конструкций.

Все более растущий интерес к себе вызывают трансформируемые конструкции. Это объясняется большими возможностями формообразования, высокой степенью готовности, универсальностью конструкций, позволяющих создавать различные объемно - планировочные решения трансформируемых каркасных зданий, сооружений и покрытий.

Поэтому использование методов геометрического моделирования при формообразовании трансформируемых конструкций следует считать актуальным и эффективным при проектировании куполов для массового производства.

Вышеизложенное определило цель работы, состоящую в разработке геометрически обоснованного способа формообразования складчатых многогранных куполов, поверхность которых разворачивается без разрывов и наложений на плоскость при регулярной разбивке ее на конгруэнтные (модульные) равнобедренные треугольники.

Для достижения сформулированной цели исследования поставлены и

решены следующие основные задачи:

1. дать обзор отечественного и зарубежного опыта проектирования и строительства купольных сооружений и покрытий;

2. разработать методику формообразования складчатых многогранных куполов из равнобедренных треугольных граней с разверткой поверхности на плоскость без разрывов и наложений, вывести закономерности и математические зависимости для определения расчетных геометрических параметров складчатой купольной системы на начальной стадии проектирования при выборе варианта объемно - планировочного решения;

3. разработать алгоритм определения расчетных геометрических параметров складчатой купольной системы, позволяющий описывать взаимосвязь между параметрами модульных элементов и их углом смежности при образовании складок, и осуществить его программную реализацию;

4. разработать методику геометрического и технико - экономического анализа, выбора рациональных вариантов конструктивных схем пластинчатых и стержневых куполов на ранней стадии проектирования;

5. провести исследование практической возможности применения разработанного способа формообразования складчатых куполов при реальном проектировании.

Методика выполнения работы. Для решения сформулированных задач использованы методы аналитической и начертательной геометрии, оптимизации, технико-экономического анализа и программирования, методы классической теории строительной механики.

Общей теоретической базой настоящего исследования послужили работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов:

по геометрическому моделированию - Валькова К.И., Добрякова А.И., Иванова Г.С., Ковалева С.Н., Михайленко В.Е., Обуховой B.C., Подгорного А.Л., Полозова B.C., Якунина В.И. и др.;

по проектированию многогранных поверхностей - Вартаняна О.М., Веннинджера М, Гольцевой Р.К., Мартынова В.В., Мишанина И.Н., Сытника Н.В, ФесанаАН. идр;

по архитектурным конструкциям - Барнабишвили Н.Е., Дыховичного Ю.А., Ермолова В.В., Жуковского Э.З., Зигеля К., Маковского 3., Нерви П.Л., Русакова В.М., РюлеГ., Туполева М.С, Файбишенко В.К., ФуллераБ. идр.;

по автоматизации проектирования - Бусыгина В.А, Денискина Ю.И., Иевлевой О.Г., РотковаСИ., Сазонова КА, Тузова АД., ЯкунинаВ.И. идр;

по методам статического расчета - Вайнберга Д.В., Городецкого Н.С., Журавлева А. А, Зенкевича О. , Киричевского В. В., Молчанова И. Н., Никол енко Л. Д., Сахарова А. С. идр.

Научную новизну выполненного исследования составляют следующие результаты:

1) методика построения плоских без разрывов и наложений разверток, которые позволяют создавать конструктивные схемы складчатых куполов с габаритными параметрами, изменяющимися в широком диапазоне;

2. геометрические зависимости для определения расчетных параметров модульных треугольных элементов и сооружения в целом;

3. алгоритм детального описания геометрии складчатых куполов с поверхностью, разворачивающейся на плоскость без разрывов и наложений;

4. методика назначения рациональных геометрических параметров и анализа технико-экономических показателей на ранних стадиях проектирования.

Практическая ценность выполненного исследования заключается в разработке геометрической модели, алгоритма и реализующей его программы расчета геометрических параметров для различных вариантов складчатых куполов.

Предложенные способ формообразования и методика определения геометрических параметров складчатых куполов из модульных треугольных элементов позволяют расширить возможности проектирования складчатых купольных конструкций, обладающих повышенной жесткостью.

Плоские элементы и поверхность, разворачивающаяся в плоскость, позволят применять без специального раскроя в качестве гидроизоляции рулонные материалы. В качестве утеплителя могут использоваться жесткие или полужесткие минераловатные плиты, плитные и напыляемые пенопласты.

Предлагаемые математические зависимости, описывающие процесс образования из плоского листа складчатых многогранных купольных поверхностей, позволяют достоверно определять расчетные параметры конструкции на любом этапе проектирования.

Полученные графики зависимости высоты купола и радиуса окружности плана от величины двугранного угла между плоскостями смежных треугольных элементов, расположенных на биссектрисах секторов, позволяют выбирать параметры складчатых куполов, в том числе и оптимальный вариант с максимальным внутренним объемом.

Разработанные предложения по расчету и конструированию реализованы при реальном проектировании и возведении двух стальных складчатых куполов.

На зашиту выносятся следующие результаты:

1. обоснование принципов геометрического формообразования многогранных складчатых куполов, поверхность которых образована модульными равнобедренными треугольниками;

2. способ регулярной разрезки плоскости на равнобедренные треугольники с возможностью образования из нее складчатых купольных систем;

3. геометрическая модель, алгоритм и их программная реализация, позволяющая определять основные геометрические параметры купола как в процессе выбора варианта формы, так и при детальном описании купола в целом, а также определять основные геометрические параметры купола, необходимые для выполнения статических, прочностных и технико-экономических расчетов;

3) результаты экспериментально-теоретических, геометрических и технико-экономических исследований складчатого купола.

Реализания результатов исследования. Результаты проведенных исследований явились основой изобретений, по которым получены авторские

свидетельства № 1057664 и № 11745551, которые использовались¹

при выполнении госбюджетной темы 3.2.2.20 МНТП «Архитектура и строительство» - «Разработка и исследование новых объемно - планировочных и конструктивных решений трансформируемых каркасных зданий, сооружений и покрытий». № ГР 01940003864,1994 - 1995 гг.;

при выполнении исследований по теме гранта «Система модульных строительных элементов, позволяющая создавать новые конструктивные схемы зданий из эффективных конструкций и применять скоростные методы возведения, трансформации и демонтажа». Шифр 93 - Г - 3, 1993 - 1994 гг.;

при конструировании, изготовлении и возведении двух куполов Никольского храма в селе Нечаевка Мокшанского района Пензенской области.

Результаты проведенных исследований внедрены в учебный процесс архитектурного факультета Пензенской государственной архитектурно строительной академии

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих семинарах и научно - технических конференциях:

4. на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов Пензенской государственной инженерно-строительной академии (1995-2002 гг)

5. на двух международных научно-практических конференциях по вопросам планировки и застройки городов - Пенза, ПГАСА (1995, 2000 гг);

4) на семинаре-совещании заведующих графических кафедр ВУЗов Поволжья - Пенза, ПГАСА (1999 г.)

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (179 наименований), трёх приложений, содержит 143 страниц машинописного текста, 47 рисунков, 9 таблиц.