Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и тенденции развития малоэтажного строительства с применением древесины и древесных материалов 22
1.1. Общие сведения о современных технологиях малоэтажного строительства 22
1.2. Эволюция конструктивных решений деревянных малоэтажных зданий и их ограждающих элементов 25
1.2.1. Плиты покрытия и панели стен на деревянном каркасе 28
1.2.2. Крупноразмерные плиты «на пролет» 36
1.2.3. Блочные конструкции на основе крупноразмерных плит 48
1.2.4. Малоэтажные здания и сооружения из плит и панелей на основе древесины 51
1.3. Теоретические и экспериментальные работы по оценке напряженно-деформированного состояния ребристых плит и панелей на деревянном каркасе 58
1.4. Работы в области определения эффективности применения для малоэтажных зданий и сооружений плит и панелей на основе древесины 64
1.5. Выводы по первой главе. Постановка задач исследования 69
2. Малоэтажные здания и сооружения на основе совмещенных ребристых плит и панелей 72
2.1. Обоснование целесообразности формообразования малоэтажных зданий и сооружений из унифицированных плит и панелей 72
2.2. Основные положения концепции создания объектов малоэтажного строительства 73
2.3. Примеры конструктивных решений 78
2.3.1. Производственные здания и сооружения 78
2.3.2. Жилые дома 84
2.4. Оценка технико-экономической эффективности объектов малоэтажного строительства из совмещенных ребристых конструкций 94
2.5. О возможности применения разработанных зданий и сооружений в сейсмических районах 106
2.6. Выводы по второй главе 110
3. Разработка новых рациональных типов совмещенных ребристых конструкций 112
3.1. Основные положения, принятые при разработке опытных конструкций 112
3.2. Конструктивные решения совмещенных ребристых плит покрытия и панелей стен 115
3.2.1. Плиты покрытия «на пролет» 115
3.2.2. Стеновые панели 125
3.3. Пластинчато-стержневые конструкции с верхними поясами из ребристых плит 134
3.3.1. Шпренгельные плиты 135
3.3.2. Блочные фермы 138
3.4. Другие типы совмещенных конструкций на основе ребристых плит для малоэтажных зданий и сооружений 145
3.5. Область применения 152
3.6. Выводы по третьей главе 156
4. Исследование и анализ напряженно-деформированного состояния малоэтажных объектов из совмещенных ребристых конструкций 157
4.1. Общее направление исследований, цель и задачи 157
4.2. Обоснование выбранного метода расчета 159
4.3. Реализация алгоритма исследования напряженно-деформированного состояния малоэтажных зданий и сооружений с помощью многоуровневой декомпозиции 162
4.4. Исследование влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние плит и панелей 175
4.4.1. Особенности напряженно-деформированного состояния плит покрытия и панелей стен, работающих в составе пространственной системы здания или сооружения 175
4.4.2. Ребристые плиты 181
4.4.2.1. Влияние геометрических параметров и конструктивных особенностей, 181
4.4.2.2 Влияние анизотропии на степень участия обшивки в общей работе конструкции 195
4.4.3. Особенности напряженно-деформированного состояния ребристых панелей 197
4.4.4. Оценка степени влияния технологических несовершенств на величину приведенной ширины обшивки... 202
4.5. Устойчивость обшивок совмещенных ребристых конструкций 207
4.6. Выводы по четвертой главе 212
5. Совершенствование методик расчета совмещенных ребристых конструкций на основе древесины 214
5.1. Расчет ребристых изгибаемых плит с использованием «балочной» расчетной модели 214
5.2. Особенности расчета трапециевидных в плане плит 224
5.3. Методики расчета нелинейно-деформируемых ребристых сжато-изгибаемых панелей 234
5.3.1. Расчет по «балочной» расчетной схеме 234
5.3.2. Расчет панели при аппроксимации ее ортотропной пластинкой 240
5.3.2.1. Решение дифференциального уравнения изгиба приведенной ортотропной пластинки при шарнирном опираний по контуру (случай 1) 241
5.3.2.3. Цилиндрический изгиб ортотропной пластинки (случай 2) 245
5.3.2.4. Решение задачи изгиба ортотропной пластинки энергетическим методом (случаи 3, 4). 246
5.3.2.5. Определение критического значения продольной нагрузки энергетическим методом (случаи 1,3,4) 252
5.3.3. Сравнительный анализ результатов расчета сжато-изогнутых панелей по различным методикам 257
5.4 Ползучесть совмещенных ребристых конструкций при действии длительных нагрузок 258
5.5. Выводы по пятой главе 266
6. Экспериментальные исследования совмещенных ребристых плит и панелей 268
6.1. Цель изадачи исследований 268
6.2. Изгибаемые плиты 269
6.2.1. Методика испытаний 269
6.2.2. Результаты испытаний плит с различными конструктивными особенностями 283
6.2.2.1. Плиты размером 0,45x3,6м и 0,90x3,6м с поперечными вспомогательными ребрам 285
6.2.2.2. Плиты с продольным расположением вспомогательных ребер 295
6.2.3. Результаты испытаний натурной конструкции 304
6.3. Сжато-изогнутые панели 311
6.3.1. Методика испытаний 311
6.3.2 Результаты испытаний 318
6.3.2.1. Кратковременные испытания 318
6.3.2.2. Длительные испытания 329
6.4. Выводы по шестой главе 332
7. Оптимизация параметров совмещенных ребристых конструкций 334
7.1. Общая постановка задач параметрической оптимизации ребристых плит и панелей из клееной древесины 334
7.2. Формирование и решение задач оптимизации изгибаемых плит 337
7.2.1. Варьируемые параметры первого и второго уровней... 337
7.2.2. Определение общего вида целевой функции 340
7.2.3. Формирование ограничительных функций 341
7.3. Формирование и решение задач оптимизации сжато-изгибаемых панелей 346
7.3.1. Варьируемые параметры 346
7.3.2. Определение общего вида целевой функции 350
7.3.3. Формирование ограничительных функций 351
7.4. Анализ результатов решения оптимизационных задач 353
6.4.1. Изгибаемые плиты 353
6.4.2. Сжато-изгибаемые панели 361
7.5. Основные принципы проектирования совмещенных ребристых конструкций из клееной древесины на основе обобщения полученных результатов 368
7.6. Выводы по седьмой главе 372
Основные выводы 374
Список литературы 378
Приложения 403
- Блочные конструкции на основе крупноразмерных плит
- Примеры конструктивных решений
- Шпренгельные плиты
- Реализация алгоритма исследования напряженно-деформированного состояния малоэтажных зданий и сооружений с помощью многоуровневой декомпозиции
Введение к работе
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;
- 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 пок-рытия 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).
Блочные конструкции на основе крупноразмерных плит
Дальнейшим шагом по пути развития крупноразмерных ребристых плит стало объединение их в большепролетные блоки за счет использования стальных затяжных (шпренгельные плиты, блок - арки) или деревометал-лических стержневых решеток (блок - фермы). В таких конструкциях каждый материал работает в наиболее выгодных для себя условиях: древесина используется для сжатых или сжато-изогнутых элементов, а металл — для растянутых. Здесь отметим, что наибольшее развитие у нас и за рубежом получили металлические блочные конструкции, используемые для перекрытия больших пролетов /21, 109, 145, 198 /. Наибольший интерес представляют блок -фермы П-образного сечения «рыбо» - или «сигарообразного» очертания, в частности, с нижним поясом мембранного типа из листового металла / 211/ . В верхних поясах таких ферм часто используются различного вида профилированные настилы. Заслуживает также пристального внимания идея создания складывающихся металлических блок - ферм, реализованная в разработках кафедры металлические конструкции Новосибирского ГАСУ / 21/.
Сталежелезобетонные блок-фермы / 5 / характеризуются меньшим расходом стали, но обладают большим весом. Блок-фермы на основе древесины отличаются малым расходом стали и массой. Таким образом, в них эффективно сочетаются достоинства металлических и железобетонных блок -ферм. Одной из первых конструкций такого типа является, по-видимому, конструкция, предложенная в Киевском ИСИ / 145 / и представляющая собой плиту, усиленную шпренгелем (рис. 1.12). Как видно из рисунка верхний пояс этой конструкции образуют две клеефанерные плиты, объединенные в коньке и подпертые в четвертях пролета V-образными стойками, образующими поперечные легкие замкнутые рамы. Шпренгель, снабженный натяжными устройствами, предлагается выполнять из круглой стали. Каркас плит верхнего пояса включает клеедощатые продольные и поперечные ребра, к которым сверху приклеена обшивка из водостойкой фанеры, несущая пароизоляцию, твердый утеплитель и мягкую кровлю. Опытная конструкция пролетом 24м, изготовленная в заводских условиях, прошла статические испытания, подтвердившие ее достаточные прочность и жесткость. можно рассмотреть деревометаллическую блок-ферму, разработанную в НГАСУ для теплого покрытия спортивного зала пролетом 60м (рис. 1.13). Размеры блок - фермы в плане 3x60м, высота в середине пролета 6м. Конструкция представляет собой объемный блок с верхним поясом, образованным шестью клеефанерными взаимозаменяемыми ребристыми плитами, решеткой в виде брусчатых стоек и стальных раскосов, металлическим нижним поясом мембранного типа. Плиты верхнего пояса имеют четыре основных продольных ребра, приклеенную к ним обшивку из водостойкой фанеры с продольными и поперечными вспомогательными элементами. Плиты состыкованы между собой лобовым упором продольных ребер через стальные вкладыши, объединенные со стыковыми накладками, закрепленными к ребрам с помощью нагельных болтов.
Стойки раскреплены деревянными связями, выполняющими одновременно роль поперечных диафрагм. Стальные раскосы по концам имеют V-образные разветвления, снабженные металлическими распорками, а также фасонными деталями с отверстиями под болты. Регулировка длины раскосов производится натяжными муфтами. Нижний пояс запроектирован из стальных листов с элементами обрамления, соединенных вдоль пролета с помощью поперечных металлических сварных элементов, на которые оперты стойки блок-фермы. Сопряжения верхнего и нижнего поясов осуществлено с помощью бортовых элементов в виде двух широкополочных двутавров. Блочные конструкции с верхними поясами из клеефанерных плит позволяют рассматривать покрытие большепролетного здания как систему с совместно работающими несущими и ограждающими элементами, в которой каждая панель верхнего пояса также является совмещенной конструкцией (второй этап создания цельной пространственной системы здания). Выполненные разработки показали широкие возможности применения блочных конструкций на основе клеефанерных плит. С другой стороны, анализ предлагаемых конструктивных решений показал, что они не лишены ряда недостатков и, по существу, требуют дальнейшего усовершенствования и оптимизации с целью поиска наиболее рациональных и эффективных форм.
Увеличение габаритных размеров позволили в дальнейшем перейти к созданию быстровозводимых, мобильных и складывающихся блок-секций зданий на основе древесины и древесных материалов / 212 /. Эти разработки имели целью повышение заводской готовности деревянных конструкций, степени их сборности, снижение трудоемкости изготовления и монтажа. Наиболее удачные, по мнению автора, разработки проведены в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИПромзданий, СибЗНИИЭП, Оргэнергострое, Владимирском политехническом институте, НИСИ им. В.В. Куйбышева, КрасГАСА (г. Красноярск) / 46, 77, 212, 215, 220 /. Примером, удачно иллюстрирующим достоинства складывающихся полносборных зданий, является изображенный на рис. 1.14 блок из совмещен ных элементов системы «Тарапин» (Германия) / 15 /. Во Франции в последние годы резко возросло строительство жилых домов с использованием индустриальных деревянных конструкций в виде кар-каркасных панелей, объединенных в объемные блоки или панельные секции. Так, фирма «Libre Espase» выпускает комплекты панельных деревянных одно- и двухэтажных домов, собираемых из Г-образных секций, включающих стеновую панель и панель покрытия. Панели соединены между собой под углом 135. Высота секции в коньке покрытия 7,55м, в карнизе 2,5м, ширина секции (панели) 1,2 - 2,4м. Соединенные в коньке противоположные секции образуют рамы пролетом от 7м до 12м. Панели секций каркасные с ребрами из деревянных брусьев. Наружные обшивки фанерные толщиной 12мм, внутренние - фанерные или древесностружечные. Толщина теплоизоляционного слоя 150-200мм. В панелях предусмотрена воздушная прослойка и
Примеры конструктивных решений
Для строительства сборно-разборных однопролетных производственных и сельскохозяйственных зданий может быть применен предложенный автором клеефанерный складной блок, выполненный из совмещенных ребристых плит покрытия и панелей стен / 69 /. Конструкция такого блока марки РІШ-12-ЗКФ приведена на рис.2.1. В его состав входят клеефанерная плита «на пролет» и две клеефанерные стеновые панели. Плита покрытия пролетом 12,0м и шириной 3,0м имеет карнизные свесы длиной по 0,5м. Конструкция включает два основных дощатоклееных продольных ребра и ограждающий щит, образующий совместно с ребрами поперечное сечение плиты в виде 2Т. Для обеспечения устойчивости основных несущих ребер между ними предусмотрены дощатые поперечные диафрагмы, которые установлены на опорах и в середине пролета. Сопряжения диафрагм с несущими ребрами выполнены при помощи вклеенных стальных стержней. Поперечная жесткость складного блока обеспечивается за счет защемления основных ребер стеновых панелей в фундаментах. Карнизные узлы сконструированы с использованием нагельных соединений таким образом, что обеспечивается автоматическая фиксация элементов блока при его установке. Въездные ворота предусмотрены в торцевых стенах, которые запроектированы из аналогичных клеефанерных совмещенных панелей с постановкой дополнительных колонн фахверка в местах установки ворот.
Разработанная сборно-разборная конструкция однопролетного производственного здания из совмещенных деревянных панелей позволяет снизить массу здания на 15-18%, сметную стоимость строительства на 20-30%, расход стали в 3-4 раза, сократить сроки строительства в 1,5-3,5 раза, а также существенно упростить конструктивную схему здания по сравнению с традиционными плоскостными конструкциями. Также полносборные быстровозводимые здания могут быть выполнены из пространственных сборно-разборных рам / 136 /, каждая из которых 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 (рис.2.2). 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 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. Полка плит за счет клеевого соединения с ребрами включается в общую работу, что приводит к увеличению на 20...30% геометрических характеристик поперечного сечения плиты и, таким образом, позволяет снизить расход клееной древесины на конструкцию, в частности, за счет отказа от дополнительных несущих массивных элементов.
Кроме этого, за счет совмещения в плитах рам несущих и ограждающих функций сокращается трудоемкость изготовления монтажа конструкции. Например, при монтаже плоской рамы, взятой за аналог, пролетом 12м и высотой 6м требуется 18 подъемов краном (2 полурамы, 8 стеновых плит и 8 плит покрытия размером 1,5x6,0м), а при монтаже предлагаемой пространственной рамы 8 подъемов (8 полурам шири ной 1,5м каждая). Плиты стен опираются на фундамент всей площадью ребер и полки, за счет чего распор рам воспринимается ленточными фундаментами по всей их длине, а не дискретно, как в аналоге, поэтому конструкция фундаментов может быть облегчена и совмещена с их цокольной частью. Отметим целесообразность применения таких конструкций в качестве сборных элементов мансард жилых домов. После монтажа рам требуется лишь косметическая доработка стен и потолков. Таким образом, предлагаемая конструкция пространственной сборно-разборной 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 жесткость 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%. Из вертикально поставленных ребристых плит П-образного сечения могут быть выполнены башенные полносборные сооружения, например, башни для хранения зерна или других сыпучих материалов (рис.2.3). Как видно из рисунка, продольные ребра плит ориентированы наружу. При сборке башни плиты стягивают монтажными болтами (через 2-2,5м по высоте) через уплотняющие клиновидные прокладки, предусмотренные между продольными ребрами по всей их длине / 53 /. После сборки башни на болтах устанавливают бандажи и производят их натяжение (рис.2.3, узел А).
С внутренней стороны стыки плит перекрывают нащельниками, прибитыми гвоздями к ребрам плит. Особенностью предлагаемого конструктивного решения башенного сооружения является применения для покрытия трапециевидных в плане плит П-образного сечения с основными ребрами постоянной высоты. Необходимый уклон кровли создается за счет разности отметок опор плит в зонах наружного и внутреннего колец, при этом распор крыши воспринимается верхним бандажом. Внутреннюю поверхность башни целесообразно защищать от трения сыпучих сплошной вертикальной обшивкой из досок (5 30мм). С применением в перекрытиях и покрытии трапециевидных ребристых плит автором разработаны двухэтажные с третьим мансардным этажом энергоэффективные малоэтажные полносборные жилые дома с круглым планом (рис.2.4), которые будут использованы, в частности, для строительства поселков нефтяников в Тюменской области (для подразделений Сургутгаз-прома). Стеновые панели высотой на один или два этажа также запроектированы как совмещенные конструкции на основе древесины.
Внутренние и внешние кольцевые стены лестничной клетки приняты из несгораемых материалов, например, кирпичная кладка, сборные железобетонные панели и т.п. Под зданием предусмотрено техническое подполье, которое обеспечивает проветривание цокольного пространства в районах с вечной мерзлотой и в котором могут быть размещены инженерные коммуникации. На рис.2.5 показан пример одноэтажного жилого дома, выполненного из крупноразмерных конструкций 3,0x12 м, причем такой размер как плиты перекрытий, так и стеновые панели. В комплект несущих конструкций дома входит всего 12 элементов, что обеспечивает предельно короткий срок строительства. Все внутренние перегородки - ненесущие и служат лишь для функционального разделения помещений, что обеспечивает реализацию принципа трансформации внутреннего пространства жилища, особенно актуального при строительстве в районах с суровыми климатическими условиями. Требуемый уклон совмещенной кровли обеспечивается двускатными ребрами плит покрытия, которые расположены открыто с внутренней стороны помещений. Это придает как оригинальность жилищу, так и позволяет несколько увеличить высоту комнат без какого-либо увеличения высоты наружных стен. При необходимости по нижним граням ребер может быть выполнен
Шпренгельные плиты
При больших пролетах (18м и более) крупноразмерные плиты « на пролет» из клееной древесины становятся материалоемкими и не всегда выгодны экономически. Автор считает, что в таких случаях целесообразнее использовать легкие пространственные пластинчато-стержневые конструк-ции, в которых в роли верхних сжатых или сжато-изгибаемых поясов будут выступать совмещенные панели, выполняемые на основе древесины и древесных материалов, а растянутый нижний пояс будет запроектирован из металлических элементов. В этом случае каждый из материалов будет находится в благоприятных для него условиях. При разработке болынеразмерных конструкций следует иметь в виду, что при пролетах 24м и более они неудобны для транспортировки, т.е. появляется необходимость расчленения конструкции на сборные элементы. С другой стороны, изготовление мелкоразмерных конструкций легко может быть механизированного и автоматизировано, а стендовая технология изготовления большеразмерных конструкций базируется во многом на ручном труде и, требуя большие производственные площади, отличается низкой производительностью (в 3-4 раза меньше по сравнению с поточной). В связи с этим, по мнению автора, представляется логичным выполнять болыперазмерную конструкцию из унифицированных элементов. Это позволяет из однотипных панелей проектировать различные пластинчато-стержневые системы для серии пролетов, при этом, сборные элементы должны быть такого размера, чтобы их удобно было перевозить и изготавливать, а число сборочных единиц должно быть оптимальным. Совмещенные ребристые конструкции на основе древесины могут быть использованы в различного рода пластинчато-стержневых комбинированных конструкциях: - в шпренгельных системах; - в пространственных блочных фермах в качестве разрезных и неразрезных верхних поясов. При этом, крупноразмерные ребристые панели являются основной составляющей частью этих конструкций и определяют их особенности и качества, отвечающие основным положениям сформулированной выше концепции создания малоэтажных зданий. Актуальность разработок деревометаллических шпренгельных плит и пространственных блочных ферм подтверждается также накопленным опытом проектирования и применения аналогичных металлических и стале-железобетонных конструкций в нашей стране и за рубежом / 5, 21, 23, 48, 100, 107, 109, 125 /.
Ниже рассматривается ряд разработанных большеразмерных блочных конструкций на основе однотипных плит и панелей из клееной древесины. На рис.3.9 показана разработанная автором простейшая двухпанельная шпренгельная утепленная плита / 40 /. Плита имеет два основных продольных ребра, расположенных открыто вне толщи утеплителя, второстепенные поперечные ребра опираются на основные, обшивка из водостойкой фанеры толщиной 12мм приклеена к ребрам; шпренгельные элементы из круглой стали, снабженные натяжными устройствами, расположены в плане по направлениям диагоналей плиты, что исключает необходимость пространственного раскрепления центральной сжатой стойки, опертой вверху на среднюю диафрагму, предусмотренную между основными ребрами. Конструкция разработана как сборная, особенности её соединений видны из рисунка 3.9. Для обеспечения сборности стойка 4 примыкает к диафрагме 6 с помощью шарнира, а к шпренгельным элементам 5-е использованием разъемного соединения, опорные узлы выполнены так, что шпренгельные элементы могут быть повернуты в них относительно собственной оси. Разъединив шпренгельные элементы 5 и стойку 4, последнюю следует повернуть и закрепить между основными ребрами 1, шпренгельные элементы 5 в опорных узлах развернуть и закрепить к основным ребрам 1 и диафрагмам 6. В таком положении плита готова к транспортировке.
При непосредственном участии автора разработаны и другие шпренгельные конструкции на основе крупноразмерных ребристых плит / 43 /. На приведенных рисунках 3.11...3.14 показаны простейшие треугольные фермы (рис.3.11, 3.12), ферма рыбообразного (рис.3.13) и полигонального (рис.3.14) очертаний с верхними поясами из ребристых плит, в том числе с ребрами переменного по высоте сечения. Верхний пояс треугольной фермы (рис.3.11) из двух плит с сечениями в виде 2Т имеет в стыках ребер в коньке шарнирные устройства, позволяющие при снятых затяжках сложить плиты в пакет, удобный для перевозки. Консольные свесы плит назначены с таким расчетом, чтобы обеспечить наиболее эффективное использование фанерной обшивки в совместной её работе с ребрами. Плиты смежных ферм соединяются по длине с помощью нащельников, прибитых к обрамляющим элементам плит. Ферма с минимальными конструктивными изменениями может быть выполнена как конструкция, складывающаяся путем поворота элементов верхнего пояса относительно ключевого шарнира 12, при этом, нижний пояса 3 необходимо в середине пролета разъединить, разъединенные его элементы повернуть в опорных узлах и разместить между основными ребрами 1 верхнего пояса.
Треугольная ферма (рис.3.12) по своей конструктивной схеме представляет собой две шпренгельные плиты 1 с диагональным расположением шпренгелей (рис.3.9), соединенные в коньке лобовыми упорами, а по нижнему поясу - с помощью вставки 2 из круглой стали / 43 /. В состав блочной фермы рыбообразного очертания (рис.3.13) входят верхний пояс из клееных ребристых плиті, деревянные сжатые стойки 2, с переменной изгибной жесткостью 6, стальных накладок 7, вклеенных стержней 8, соединительных элементов 9 из круглой стали с гнездами снабженными резьбой для крепления растянутых элементов 3, 4 с помощью болтов 10, сварных вкладышей, 11. При необходимости конструкция узлов фермы позволяет выполнить её демонтаж и монтаж на новом месте строительства, а также осуществлять монтаж отдельными блоками, длина которых не превышает 12,0м, что делает возможным использование типовой такелажной оснастки. Верхние пояса фермы из клееных ребристых плит позволяют обеспечить совмещение несущих и ограждающих функций и жесткость фермы в горизонтальном направление, что позволяет отказаться от устройства горизонтальных связей в покрытии, сократить расход материалов и трудозатраты на монтаже, исключить необходимость временного раскрепления ферм в период монтажа. Предлагаемая деревометаллическая пространственная ферма в сравнении с плоскостными конструкциями позволяет на 15...20% сократить расход материалов на покрытие, в 1,6...2,0 раза сократить трудозатраты на монтаже, что подтверждается результатами проведенного технико-экономического сравнения. Применение в узлах верхнего пояса для передачи усилий сжатия на торцы клееных ребристых плит деталей с переменной изгибной жесткостью обеспечивает повышение надежности и долговечности фермы, т.к. позволяет избежать возникновения значительных концентраторов нормальных и скалывающих напряжений в древесине, что неизбежно в типовых решениях узлов, выполненных при помощи жестких штампов / 39 /. Изменение изгибной жесткости деталей обеспечивается посредством изменения её очертания в плане. Полигональная четырехпанельная ферма пролетом 24 - 48м (рис.3 Л 4) запроектирована с использованием устройства верхнего пояса взаимозаменяемых клеефанерных двускатных плит. Геометрическая схема фермы назначена таким образом, что её узлы расположены на дуге квадратной параболы, а раскосы имеют одинаковую длину. Это обеспечило наивыгоднейшие условия работы поясов и решетки, а также позволило сделать взаимо
Реализация алгоритма исследования напряженно-деформированного состояния малоэтажных зданий и сооружений с помощью многоуровневой декомпозиции
Разработанные совмещенные плиты и панели являются составными частями пространственной системы здания или сооружения, взаимодействуя друг с другом за счет узловых соединений (рис.2.1 — 2.9). Сочетание действующих на здание вертикальных и горизонтальных нагрузок вызывает в конструкциях расчетные усилия. Очевидно, что эти усилия будут отличны от усилий, полученных при рассмотрении отдельно взятых плит или панелей, что необходимо учитывать при исследовании составных элементов системы. В разработанных блочных конструкциях с верхними поясами из ребристых плит (рис.3.9 — 3.14) комбинируются различные материалы, обладающие реономными свойствами (древесина, фанера), а также характеризующиеся различающимися показателями температурных и влажностных деформаций (например, древесина и сталь). В связи с этим расчет вышеназванных пространственных систем представляется целесообразным производить в три стадии, по принципу многоуровневой декомпозиции дискретно-континуальных систем 151. На первой стадии здание или конструкция моделируются конечными элементами при их относительно редкой сетке (рис.4.1 - 4.3).
Плиты и панели, входящие в состав здания , могут быть заданы в виде приведенных ортотроп-ных пластин прямоугольного поперечного сечения, жесткостные характеристики которых автор предлагает определять по нижеприведенной методике. Будем полагать, что плита или панель изготовлены в виде перекрестной системы ребер с односторонней, или двухсторонней обшивкой. Число ребер mopi тор2 в каждом из ортогональных направлений должно быть не менее двух, т.е. тор1 2, тор2 2. Поперечное сечение конструкции показано на рис.4.4. В продольном направлении структура сечения аналогична. Пусть высота hnp ортотропной пластинки, которой аппроксимируется панель, равна полной высоте ребристой панели. При односторонней обшивке -hnp = h + 8ф, при двухсторонней обшивке - hnp = h + 28ф. Величины приведенных моментов инерции поперечного (1-1) и продольного (2-2 ) сечений 11пр , 12пр соответственно (рис.4.4) определим на основе выражений, аналогичных (2.1) — (2.7): В блочных конструкциях для описания фанерной обшивки рекомендуется использовать ортотропные прямоугольные плоские элементы, для задания на расчетной схеме деревянных основных ребер — изотропные прямоугольные плоские элементы, а элементы решетки и нижних поясов целесообразно моделировать стержнями. С целью учета реономности материалов, а также учета податливости в узловых соединениях деревянных элементов (в сопряжениях поясов между собой, а также в их сопряжениях с деревянными элементами решетки) статический расчет на этой стадии в соответствии с рекомендациями / 82 / автор рекомендует осуществлять в два этапа. В начале устанавливаются усилия в элементах системы без учета осадок фундаментов, податливости в узловых соединениях (рис.4.1 — 4.3), уточняются размеры поперечных сечений. Затем выполняется статический расчет по деформированной схеме (рис.4.4).
Расчет по деформированной схеме производится с учетом расчетных осадок фундаментов, неразрезности поясов, податливости в узловых соединениях конструкции и длительных модулей деформативности древесины и фанеры (при соответствующей величине соотношения постоянных, длительных действующих и полных нагрузок). Совместный расчет системы «здание - грунтовое основание» автор рекомендует выполнять с использованием программы-сателлита «КРОСС», входящей в состав пакета «SCAD Office» и использующей билинейную, неоднородную и многослойную модель грунта. Данная программа позволяет учесть параметры проектируемого сооружения, результаты геологических изысканий, влияние на осадки фундаментов существующих рядом расположенных сооружений. Расчет оснований по деформациям производится из условия совместной работы здания и основания методом итераций. Смысл итераций заключается в том, что в SCADe рассчитывается модель «здание -основание» с первоначальным коэффициентом упругого основания. После расчета получаем картину распределения давления фундаментов на грунт и далее проводим цикл итераций, т.е. рассчитываем основание с полученными значениями давлений в КРОССе, получаем новые коэффициенты постели которые теперь будут приложены к фундаментам в SCADe и там рассчитываем еще раз для получения нового распределения давления плиты на грунт и так далее.
В большинстве программ расчета строительных конструкций с помощью ЭВМ (например, «SCAD», «ЛИРА») учитывается удлинение (укорочение) элементов Ліі при определении усилий и перемещений в пластинчато-стержневых системах. В связи с этим представляется удобным отнести деформации податливости в узловых сопряжениях S по заданным их направлениям к указанным выше упругим деформациям элементов. Таким образом, решение задачи учета податливости в узловых сопряжениях конструкции осуществляется с помощью введения в расчет дополнительных деформаций к деформациям обжатия (удлинения) элементов решетки и нижних поясов. Предельные значения деформаций в узловых соединениях деревянных конструкций в зависимости от их технического решения приведены в СНиП / 187 /. В / 82, 156 / предложено воспользоваться условными модулями упругости материалов перечисленных выше элементов системы. Формула условного модуля получена из следующих соображений. Нормальное напряжение в стержне, работающем на осевое усилие, в соответствии с законом Гука, равно: а = Е(Л1/1) , (4.22) где Е - модуль упругости материала; Л1 - абсолютная продольная деформация; / - длина стержня. С другой стороны, это напряжение равно: cr = N/F , (4.23) где N - продольное усилие в стержне; F - площадь поперечного сечения.
