Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Введение 10
1.2. Развитие методов расчета оболочек 10
1.3. Оболочки положительной гауссовой кривизны 14
1.4. Сетчатые купола 22
1.5. Многогранная сталежелезобетонная оболочка покрытия 29
1.6. Общие методы расчета железобетонных оболочек . 32
1.7. Цели и задачи исследования 38
2. Расчет на ЭВМ натурной конструкции и модели многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия и подготовка к испытаниям модели 40
2.1. Исследование формообразования сборных оболочек . 40
2.2. Выбор конструктивной схемы многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия . 41
2.3. Разработка методики расчета многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия 43
2.4. Варианты заполнения пирамидальных элементов 45
2.5. Результаты расчета многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия на ЭВМ 46
2.6. Определение прогибов конструкции в монтажной и эксплуатационной стадиях работы многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия 51
2.7. Конструкция и изготовление моделей оболочек 56
2.8. Расчет модели на нормативную и расчетную нагрузки . 59
3. Проведение эксперимента и сравнение его результатов с расчетными данными 66
3.1. Определение физико-механических характеристик материалов модели 66
3.2. Исследование напряженно-деформированного состояния преднапрягаемой ячейки 68
3.3. Изготовление модели .76
3.4. Стенды для испытания модели, загрузочные устройства, приборы и оборудование 82
3.5. Испытание модели многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия 87
3.6. Анализ результатов испытания модели пространственной конструкции покрытия и сравнение их с расчетными данными 91
3.6.1. Эпюры прогибов модели конструкции при первой схеме испытания 92
3.6.2. Эпюры прогибов модели конструкции при второй схеме испытания 96
3.7. Выводы по результатам исследования 108
4. Расчет многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия на основе метода предельного равновесия 110
4.1. Основные расчетные предпосылки 110
4.2. Расчет несущей способности модели конструкции (схема 1) 110
4.3. Расчет несущей способности модели конструкции (схема 2) 116
4.4. Выводы .118
5. Разработка конструктивных решений и вариантов применения многогранной пространственной конструкции покрытия 120
5.1. Многогранная сталежелезобетонная пространственная конструкция покрытия размерами в плане 24x24 м, опертая на колонны 120
5.2. Многогранная висячая сталежелезобетонная пространственная конструкция покрытия размерами'в плане 48x72 м 125
5.3. Многогранная сталежелезобетонная пространственная конструкция покрытия размерами в плане 48x48 м, частично опертая на колонны 133
5.4. Конструктивные предложения, решение узлов многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия 140
Основные выводы по диссертационной работе 145
Список литературы 147
- Многогранная сталежелезобетонная оболочка покрытия
- Результаты расчета многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия на ЭВМ
- Испытание модели многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия
- Расчет несущей способности модели конструкции (схема 1)
Введение к работе
За последние годы в мировой строительной практике достигнуты значительные успехи в развитии и возведении пространственных железобетонных конструкций в виде тонкостенных и пространственных конструкций покрытий. Применяемые в настоящее время в гражданском и промышленном строительстве типы плоскостных покрытий характеризуются относительно большим собственным весом и расходом материалов на 1м перекрываемой площади. В связи с этим разработка и внедрение прогрессивных конструкций покрытий, позволяющих улучшить архитектурно-планировочные решения, сократить расход строительных материалов и снизить собственный вес покрытия, приобретают важное значение. .
Технический прогресс выдвигает перед строителями требования, без выполнения которых немыслим дальнейший рост капитального строительства. Основные из них - снижение веса, трудоёмкости изготовления, увеличение перекрываемых пролетов, полноценное использование достижений строительной механики, технологии строительных материалов, технологии возведения сооружений.
Пространственные конструкции позволяют перекрывать значительные площади без промежуточных опор, что важно для гражданского и промышленного, строительства. Промышленные здания с уширенной сеткой колонн дают возможность размещать в них самые разнообразные производства и модернизировать помещения без реконструкции строительной части.,
Разрабатываются геометрические формы в виде пологих или подъёмистых эллипсоидов и параболоидов вращения, стрельчатых куполов, сферических и тороидальных оболочек. Такие формы конструкций возможны при круговом, полигональном или даже треугольном очертании плана здания. Разнообразие форм поверхности оболочек затрудняет их разбивку на унифицированные сборные элементы, при этом форма поверхности самих элементов получается в некоторых случаях достаточно сложной и нетехнологичной в изготовлении. Недоработки в технологии изготовления и монтажа элементов оболочек могут стать серьёзным препятствием на пути их широкого внедрения. Таким образом» возникает необходимость в разработке таких рациональных по форме унифицированных элементов, которые могли бы быть использованы при возведении различных по форме и архитектуре пространственных покрытий.
Для успешного осуществления архитектурного и инженерного замыслов необходимо учитывать две основные закономерности: связь между формой и несущей способностью, определяющую выбор материалов, их расход и удельный; вес затрат на материалы в общей стоимости конструкции; связь между формой и технологией, определяющую потребность в рабочей силе и средствах труда.
Взаимосвязь несущей способности и формы конструкции претерпевает постоянные изменения по мере совершенствования знаний о свойствах материалов, благодаря появлению новых материалов и развитию методов расчета. Трудоёмкость и стоимость конструкций должны быть по возможности минимальными. Поэтому форму конструкции, при соблюдении требований к её несущей способности, необходимо тесно увязывать с возможностью механизации всех рабочих операций.
Перечисленные выше преимущества пространственных конструкций покрытий определили значительный интерес к ним в России и за рубежом. Накоплен большой1 опыт проектирования и строительства оболочек, однако относительный объём их применения в нашей стране крайне мал. Основной причиной, сдерживающей широкое применение пространственных конструкций, является разрыв, образовавшийся между проектированием конструкций и разработкой технологии их индустриального изготовления и монтажа. Сложность изготовления тонкостенных пространственных конструкций приводит к тому, что при производстве их небольшими партиями с применением дорогостоящего и сложного оборудования расходы на изготовление и монтаж, как правило, значительно превышают экономию, полученную на сокращении расхода материалов. Затраты на изготовление и монтаж пространственных конструкций по отношению к их общей стоимости значительно выше, чем у плоскостных. Поэтому технология изготовления и монтажа должна быть важным моментом при проектировании. В случае же, когда количество конструкций велико, то есть ведется массовое строительство оболочек, явно прослеживается экономия за счет сокращения расхода материалов.
В России оболочки покрытия выполнялись преимущественно сборными. Это отвечает требованиям унификации и: позволяет возводить их индустриальными методами. Конструкции собираются из однотипных элементов различных размеров и форм. Чаще применяются ребристые плиты, которые увеличивают жесткость диска покрытия и понижают стоимость конструкции.
Архитектурная выразительность - одно из главных преимуществ покрытий-оболочек. Имеют значение внешние контуры конструкции, а также рациональное решение внутреннего пространства — выгоднее возводить оболочки с меньшей стрелой подъема для удобства использования всего внутреннего перекрываемого пространства. Особое значение имеет повышенная площадь светопрозрачного покрытия, создаваемая за счет установки стеклопакетов вместо части железобетонных плит.
При применении железобетонных оболочек. большепролетных промышленных зданий, как правило, требуется устройство подвесного транспорта. Кроме того, к покрытиям подвешивают светильники, воздуховоды, технологические трубопроводы, подвесные потолки. В связи с этим на оболочку покрытия действуют как равномерные, так и сосредоточенные нагрузки.
Особо улучшает характер работы большепролетных пространственных покрытий предварительное напряжение конструкций. Широко известен способ преднапряжения в заводских условиях. В данной работе предлагается способ предварительного напряжения, достигаемый на монтажной площадке на одном из промежуточных этапов монтажа.
В течение ряда лет в лаборатории пространственных конструкций НИИЖБ проводились экспериментальные исследования с целью разработки новых конструктивных решений оболочек покрытия и исследования по расчету несущей способности железобетонных оболочек с различным очертанием поверхности.
Железобетонные оболочки представляют собой сложную конструкцию, в связи с чем часто не удаётся изготовить модель, подобную прототипу. В этом случае экспериментальные исследования проводят на функционально подобной модели, содержащей все необходимые и достаточные параметры для выполнения моделью тех же функций, что и прототип.
В работе рассматриваются вопросы изготовления монтажа, конструирования и работы многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия.
В задачу исследований входило: разработка конструктивных решений многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия; исследование напряженно-деформированного состояния конструкции на моделях на всех стадиях работы вплоть до разрушения.
Научная новизна работы:
(Предложена новая конструкция многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия зданий с большими световыми отверстиями, составляющими 50 и более процентов площади поверхности оболочки.
/Для многогранного каркаса конструкции предложено использовать унифицированные пустотелые элементы из высокопрочного бетона класса В60 и выше.
получены экспериментальные данные об особенностях напряженно-деформированного состояния многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия с опиранием по углам, выявлена. схема излома оболочки покрытия и соответствующая расчетная схема для определения несущей способности конструкции и предложена методика ее расчета на основе кинематического метода предельного равновесия;
предложена новая конструктивная схема многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия висячего типа и дана ее технико-экономическая оценка.
разработано проектное предложение по конструкции многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия. Практическое значение работы состоит в том, что в результате проведенных исследований даны экспериментально обоснованные предложения по изготовлению, конструированию и расчету многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия методом предельного равновесия и методом конечных элементов.
Работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. В первой главе изложено современное состояние вопросов расчета, конструирования, а также способа изготовления сборных оболочек положительной гауссовой кривизны и сетчатых оболочек, которые во многом схожи с многогранной сталежелезобетонной оболочкой покрытия, определены цели и задачи исследования.
Вторая глава посвящена выбору расчетной схемы, методике расчета и анализу напряженно-деформированного состояния натурной конструкции, приведен расчет на ЭВМ натурной конструкции, ее модели и отдельной напрягаемой ячейки, выполненных в масштабе 1:15.
В третьей главе приведены методики экспериментальных исследований напрягаемой ячейки и модели оболочки. Изложены результаты исследований напряженно-деформированного состояния модели во время испытаний и проведено сравнение с расчетными данными, полученными на основе МКЭ.
В четвертой главе рассматриваются расчеты многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия на основе метода предельного равновесия. Приведены результаты расчета в сопоставлении с экспериментальными данными.
Пятая глава; содержит предложения по различному применению многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции; покрытия и различные архитектурно-планировочные решения. Приведены расчетные модели МКЭ, описывающие напряженно-деформированное состояние этих конструкций при действии расчетных нагрузок. Применено технико-экономическое обоснование применения конструкций многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия.
Заключение содержит основные выводы диссертационной работы.
Работа выполнена в 2000-2004 г.г. в Лаборатории тонкостенных и пространственных конструкций ГУЛ «НИИЖБ» под руководством Лауреата Государственной премии СССР, заслуженного деятеля науки РФ, почетного члена РААСН, доктора технических наук, профессора Шугаева Владимира Васильевича.
Многогранная сталежелезобетонная оболочка покрытия
Предлагаемая в данной работе конструкция покрытия занимает промежуточное место между железобетонными оболочками положительной гауссовой кривизны и сетчатыми куполами и оболочками.
С оболочками положительной гауссовой кривизны на прямоугольном плане предлагаемую конструкцию (рис. 1.18), в первую очередь, роднит общее очертание описанной вокруг нее поверхности.
При проведении статического расчета многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия методом конечных элементов, выяснилось, что характер пространственной работы и распределение усилий в ней соответствует классической схеме распределения в оболочках положительной гауссовой кривизны. В частности, повторяющимися особенностями являются максимальные перемещения в верхней точке арки бортового элемента, поле распределения напряжений (срединная часть сжата, внешний контур растянут), явно прослеживаются усилия сдвига по внешнему краю арки бортового элемента (верхние участки растянуты, нижние — сжаты).
Как и в сетчатых оболочках, основными элементами конструкции являются пересекающиеся между собой стержневые элементы, образующие ромбы, внутри которых располагается пространственная стержневая система.
Конструктивная схема, подобная предлагаемой пространственной системе, известна при применении тентовых конструкций, описанных в [85]. Можно провести аналогии со стержневыми конструкциями, которые использованы в Японии при производстве большепролетных пространственных конструкций покрытий спортивных и зрелищных сооружений, которые имеют различные очертания в плане. От простейших геометрических фигур (круг, квадрат, прямоугольник) до сложных, соответствующих художественному замыслу архитектора и представляющих собой систему из выпуклой и вогнутой вантовых сетей, между которыми располагаются вертикальные сжатые распорки [86].
При проектировании и возведении структурных покрытий большого пролёта, увеличивается собственный вес конструкции, и большинство структурных элементов требуется увеличение сечения. Японские ученые К. Кавагучи, К. Ода и И. Хангаи частично решили задачу об уменьшении собственного веса конструкций при конструировании структур большого пролета [86].
Японские ученые предложили структурную систему, которая была названа "структурная конструкция, стабилизированная напряженными тросами". В ней был уменьшен собственный вес, путём сокращения сжатых элементов за счет преднапряжения [85]. Основу конструкции представляет рамка в виде стержневой системы ромбической конфигурации. Добавление центральной стойки с устройством для преднапряжения и элементов троса, соединяющих каждый узел рамки с двумя концами стойки, определяет наличие самоуравновешенного состояния.
В этом самоуравновешенном состояния железобетонные элементы преднапряжены. Это преднапряженная структура названа "сборным элементом". Сборный элемент является единицей для укрупненного монтажа большепролетных конструкций. Чтобы узнать фактическую работу структуры, были испытаны сборные элементы натурного размера и частичной модели сводчатого купола. Наряду с расчетами на ЭВМ, были проведены натурные испытания структур сборного элемента, результаты которых использовались для строительства свода размером в плане 13.35x22.5 м. В качестве материала перекрытия использовались мембраны, выполненные из полиэстера, которые закрыли каркас свода. На рис. 1.19 показан общий вид свода, вид изнутри - рис. 1.20, разрез - рис. 1.21. Расширение возможностей современного аппарата вычислительной математики в сочетании с прогрессом в области вычислительной техники стимулировало развитие методов решения задач механики, в первую очередь вариационных и разностных. Одним из вариационных методов, получившим широкое применение, является метод конечных элементов (МКЭ) [32]. Суть метода заключается в том, что любая континуальная система, обладающая бесконечным числом степеней свободы, представляется в виде совокупности конкретного числа дискретных двух- или трехмерных элементов, соединенных между собой в конечном числе узловых точек. Полученная расчетная схема имеет конечное число связей, что позволяет описать её напряженно-деформированное состояние системой алгебраических уравнений. МКЭ позволяет моделировать конструкции с самыми разнообразными геометрическими и физическими характеристиками. Конечноэлементный подход к расчету пространственных сооружений и его программная реализация получили развитие в работах Дж. Аргириса, А.С. Городецкого, О. Зенкевича, В. С. Здоренко, А. Кабира, Р. Клафа, А. Скорделиса, А.Ф. Смирнова, А.П. Филина, Н.Н. Шапошникова и др.
Точность расчета МКЭ зависит от правильности выбора расчетной схемы: геометрии сетки КЭ, свойств используемых КЭ, выбора граничных условий и др. МКЭ применительно к расчету строительных конструкций реализован в большем количестве программных средств, в том числе для персональных компьютеров. Среди вычислительных комплексов, позволяющих рассчитывать тонкостенные пространственные конструкции, в настоящее время широко используются следующие: русскоязычные - STARKON, ЛИРА, SCAD, зарубежные - SAP 2000, NASTRAN, COSMOS, ANSYS, MicroFE.
Результаты расчета многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия на ЭВМ
Расчет выполнен методом конечных элементов в линейной постановке с использованием вычислительного комплекса STARKON для расчета пространственных строительных конструкций (Eurosoft, Москва, 2003). Данный комплекс является одним из программных продуктов семейства MicroFe.
Расчеты конструкции многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия выполнялись в два этапа: первое - исследование напряженно-деформированное состояние конструкции в монтажной стадии; второе — исследование напряженно-деформированного состояния в стадии эксплуатации.
Расчетная схема составлена из двух типов конечных элементов: пространственный стержень и плита-оболочка,
В качестве эталона выбрана оболочка переноса с размерами в плане 24x24 м. Стрела подъёма центра конструкции принималась равной одной пятой пролета в соответствии с рекомендациями для пологих оболочек, изложенными в [63]. Контурные плиты покрытия плоские, двух типоразмеров - угловая и пролётная; плиты заполнения пространства конструкции внутри области, ограниченной контурными плитами, в варианте без светопрозрачного заполнения ячеек — плоские, толщиной 40 мм одного типоразмера.
Элементы несущего каркаса — железобетонные стержни полого сечения, внешний контур которого имеет квадратное очертание с размерами 240x240 мм, центральное отверстие имеет диаметр 0160 мм (рис. 2.2). Расчетные характеристики сечений элементов приведены по формулам сопротивления материалов к одному материалу — бетону.
Тяжи пространственной стержневой системы выполнены из арматурной стали 022 A-IV. Центральный раздвижной элемент принят из трубы 70x7 мм. Затяжка - 2 уголка 100 х 100х 10, расположенные крестообразно, выполненные из стали С285 по ГОСТ стержня полого сечения.
В расчетной схеме учитывается, что соединения всех элементов - жесткое. Опирание конструкции производится на четыре точки, одна из которых неподвижна по трем направлениям, две точки могут перемещаться только по одному направлению, а одна опорная точка представляет собой подвижную опору в плоскости опирання.
При моделировании участков опирання железобетонных плит по краю оболочки в расчетной схеме были учтены эксцентриситеты. Эффект преднапряжения на промежуточной стадии монтажа было решено учесть в два этапа. Сначала определялись усилия, возникающие в тяжах системы, а затем рассчитывалось, какое удлинение необходимо сообщить трубчатому раздвижному элементу (рис. 2.3), чтобы усилия преднапряжения в тяжах пространственной системы были больше сжимающих усилий, определенных на первом этапе. Предварительно полученные значения перемещения концов трубчатого элемента составили ± 4 см.
В зависимости от задач, решаемых проектировщиком, и от функционального назначения здания могут возникать различные потребности, удовлетворить которые можно лишь с применением принципиально новых или отличных друга от друга материалов. Существует и обратная зависимость: чем больше вариантов предусматривает проект, тем шире он может быть внедрен. Руководствуясь этими соображениями, был сделан ряд предложений по заполнению проёмов сталежелезобетонной многогранной пространственной конструкции покрытия с использованием различных материалов. а). Ткань. Широко применяется в тентовых конструкциях. Отличается высокой лёгкостью, прочностью, долговечностью и светопропускной способностью. Существуют новые ткани, выполненные из стеклопластика с тефло новым покрытием, а также другие виды высокопрочных тканей. Недостатком является чувствительность к солнечной радиации и низким отрицательным температурам, что сказывается на долговечности, покрытия. Предлагается применить тканевое покрытие, повторяющее геометрические очертания верхней "пирамиды" пространственного стержневого элемента. Необходимо предусмотреть систему крепления этого покрытия к железобетонным стержневым элементами каркаса. Необходимо предусмотреть мероприятия по влагозащите конструкции. б). Стеклопакеты. Свегопрозрачное заполнение проемов покрытия выполняется из стеклопакетов, в; которых вместо стекла: используется поликарбонат, вставленный в металлический каркас, опорами для которого служат тяжи и средняя часть напрягаемой ячейки. в). Стальные мембраны, профилированный настил. Предлагается использовать мелкоразмерные унифицированные объёмные элементы мембран, которые будут иметь небольшой вес и габариты, что снизит стоимость и трудозатраты при перевозке и складировании. На ячейку предлагаемой сталежелезобетонной многогранной пространственной конструкции покрытия могут быть установлены мембраны, которые в промежуточной стадии монтажа крепятся к сталежелезобетонному каркасу, после чего растягиваются домкратом трубчатого элемента. Необходима антикоррозионная защита.
Испытание модели многогранной сталежелезобетонной пространственной конструкции покрытия
Значительное развитие строительной механики и возможность реализации сложных расчетов с помощью вычислительных машин позволяют исследователю отвечать на широкий круг вопросов, связанных с проектированием железобетонных оболочек. Однако, наряду с этим, возникает ряд задач, для решения которых этих средств недостаточно. В одних случаях для расчета рассматриваемых систем нет ещё достаточно обоснованных теоретических решений, в других — сами решения являются настолько сложными, что их не удается довести до численного результата. В настоящее время, как правило, сложные ответственные сооружения возводятся после предварительного исследования на модели.
Метод анализа и исследования тонкостенных пространственных конструкций испытаниями моделей приобретает особое значение в практике. Моделирование сложных конструкций, особенно оболочек, позволяет при минимальных затратах выяснить экспериментальным путём характер напряженно-деформированного состояния конструкций. Существенным преимуществом моделирования является возможность изучения работы конструкции, как в упругой стадии, так и в предельном состоянии, поэтому для определения напряжённо-деформированного состояния или несущей способности рассматриваемой системы обращаются к экспериментально-теоретическим методам. Большинство этих исследований можно производить на моделях, выполняемых в различных масштабах (в зависимости от задачи исследования), и только в отдельных случаях необходимы натурные испытания сооружений.
К моделированию целесообразно прибегать не только для проверки правильности принятого метода, но и как к самостоятельному методу экспериментального расчета конструкций. Метод моделирования широко применяется для исследования сложных конструкций, существенно дополняет аналитические методы, позволяет оценить достоверность методов расчета, провести качественное и количественное исследования напряженно-деформированного состояния конструкций, распространить результаты единичного опыта на целый класс подобных конструкций.
Изучению напряженно-деформированного состояния железобетонных оболочек на моделях посвящено большое количество работ, в числе которых исследования проведенные рядом ученых, таких как Ванькевич В.А., Дубинский A.M., Жив А.С., Жуковский Э.З., Исхаков ЯШ., Краковский М.Б., Людковский А.М., Овечкин A.M., Стельмах СИ., Чиненков Ю.В., Шабля В.Ф., Хайдуков Г.К., Шугаев В.В и др.
Существенным преимуществом моделирования является также возможность изучения работы как в упругой, так и в предельной стадии - в момент, близкий к разрушению.
Моделирование — воспроизведение свойств объекта (оригинала) на специально построенном по определённым правилам его аналоге — модели. В исследованиях многогранной сталежелезобетонной оболочки покрытия, как экспериментальный метод решения поставленных задач, использован один из способов моделирования-физическое моделирование. Физическое моделирование выполняется на основе определенных принципов, согласно которым между геометрическими размерами, механическими свойствами материалов, нагрузками и другими факторами, от которых зависит напряженно-деформированное состояние модели, должны иметь место определенные соотношения.
Изучением этих вопросов занимается теория подобия, являющаяся теоретической основой моделирования. При простом механическом подобии в модели воспроизводятся те же деформации, что и в натурной конструкции. При расширенном подобии деформации модели пропорциональны деформациям натурной конструкции. В обоих случаях модель должна быть геометрически подобной натуре. При изучении предельных состояний железобетонных конструкций задачи исследований значительно усложняются по сравнению с исследованиями конструкции в упругой стадии, так как упругий участок работы железобетона невелик. С появлением и развитием трещин, неупругих деформаций бетона и арматуры статическая работа конструкции значительно меняется вследствие перераспределения усилий. Специфика работы, железобетона на разных стадиях напряженного состояния при исследовании несущей способности оболочек привела, к преимущественному использованию моделей из мелкозернистого армированного бетона.
При моделировании конструкций для исследования их за пределами упругой работы и в стадии разрушения расчет модели на прочность и конструирование выполняются как для малоразмерной конструкции с сохранением геометрического подобия и основных характеристик бетона и арматуры. При этих условиях мы вправе ожидать, что характер образования трещин и формирование схем излома модели и натуры будут одинаковыми, что подтверждено многочисленными исследованиями. Характер образования трещин и картина разрушения, полученные на моделях, во многих случаях дают возможность подойти к расчету конструкций по предельному равновесию. Это возможно потому, что прочность сечений модели и натуры по линиям излома с позиции теории железобетона определяется по одним и тем же формулам. При исследовании многогранной стал ежелезобетонной пространственной конструкции покрытия была испытана одна модель и отдельный сборочный элемент (М 1:15).
Целью исследований являлось: 1) получение экспериментальных данных о напряженно-деформированном состоянии конструкции в линейной стадии работы и в стадии, близкой к разрушению; 2) получение схем излома и других исходных данных для разработки методики расчета несущей способности конструкции на основе метода предельного равновесия.
Расчет несущей способности модели конструкции (схема 1)
Пространственная работа средней конструкции висячей составной системы размерами в плане 48 х 72 м заметно отличается от той, которая наблюдается в конструкции размерами 24х 24 м с опорами на 4 угла.
Этого следовало ожидать, так как оболочка, опертая на четыре угла, симметрична как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Висячая же конструкция имеет несимметричные условия крепления, что сказывается на ее напряженно-деформированном состоянии. При сравнении обращает на себя внимание несимметричный характер распределения нормальных усилий и моментов в стержневых (рис. 5.10 - 5.21) и плитных элементах (рис. 5.22 - 5.23).
Если в конструкции, опертой на четыре угла, сжимающие усилия N в бортовом элементе возникают преимущественно у опоры, а растягивающие -ближе к первой четверти, переходят опять в сжимающие, то в висячей конструкции (сечения 1-3, 7-5) усилия в бортовом элементе от опоры к центру -сжимающие, сменяются на растягивающие от середины к ее краю, приподнятому на 1 м (рис. 5.16). Моменты, появляющиеся в элементах бортового элемента висячей конструкции, схожи с моментами в конструкции, опертой на четыре угла: максимальные отрицательные значения возникают в местах присоединения других элементов, которые работают как опоры, а максимальные положительные моменты располагаются в пролетах (рис. 5.17).
Напряженное состояние в боковых элементах конструкции, расположенных в комбинированной системе у колонн - сечения 7-8, 1-8 (рис. 5.18), напоминает картину усилий в оболочке 24 24 м, опертую на колонны: все бортовые, элементы растянуты, что возможно требует дополнительного армирования; моментные усилия в этом сечении (рис. 5.19) также похожи на возникающие в пространственной конструкции, опертой на колонны.
В бортовых элементах, расположенных в середине пролета конструкции 48х 72 м, в продольном направлении (сечения 4-5, 3-4) возникают сжимающие напряжения (рис. 5.20). Распределения моментных усилий похожи на картину, возникающую в конструкции, опертой на четыре угла.
Картина распределения усилий в диагональной арке (сечения 1-5, 7-3) отличается от напряженно-деформированного состояния диагонального элемента конструкции, опертой на четыре угла: в элементах, расположенных ближе к опоре, наблюдается сжатие, а в элементах, расположенных в центральной зоне, растяжение (рис. 5.10). Изгибающие моменты в левой и правой частях диагонали незначительно отличаются от возникающих в конструкции, опертой на четыре угла: максимальные отрицательные значения наблюдаются в местах присоединения элементов, переломы в которых работают как опоры; максимальные положительные моменты располагаются в пролетах (рис. 5.11). Усилия в остальных диагональных сечениях висячей пространственной конструкции — сечениях 8-2, 8-6, 2-4, 6-4 (рис. 5.12 — 5.15) -не многим отличаются от усилий в конструкции, опертой по четырем углам.
Распорка висячей конструкции, расположенная в пролете и выполненная из трубы, сжата с усилием 62 т. Продольная затяжка в висячей конструкции работает подобно затяжке в конструкции, опертой на четыре угла. Затяжка, расположенная в продольном сечении висячей конструкции, растянута с усилием 21.6 т, которое в 2.6 раза больше усилия, возникающего в затяжке конструкции, опертой по четырем углам. Напрягаемые ячейки висячей конструкции имеют усилия в тяжах несколько большие, нежели в конструкции, опертой по четырем углам. Это объясняется увеличением пролета и изменением напряженно-деформированного состояния конструкции.
Распределение усилий в плитах висячей конструкции (рис. 2.22, 2.23) в силу несимметричности условий опирання отличается по виду от распределения усилий в конструкции, опертой на четыре угла. Сжимающие и растягивающие усилия распределены несимметрично, в некоторых местах наблюдается концентрация напряжений, что следует учитывать при армировании плит конструкции.
По результатам анализа усилий в элементах висячей конструкции была выявлена необходимость пересмотра армирования некоторых сечений. В частности, на участках 2-3 и подобных ему возникают большие растягивающие напряжения в железобетонных элементах каркаса (до -88 т). Для восприятия этих усилий предложено в центральной области конструкции установить элементы сплошного сечения 24 х 24 см, армированного четырьмя стержнями 0 25 A-IV.
