Введение к работе
Прогресс в области металлических конструкций неразрывно связан с уменьшением расхода металла и сокращением трудозатрат, прежде всего, на строительной площадке. В области покрытий наилучшие показатели по первому критерию имеют тонколистовые металлические оболочки. Об этом свидетельствуют многочисленные примеры их применения. Использование тонколистовых металлических оболочек относится, как правило, к уникальным зданиям и сооружениям (спортивные объекты, киноконцертные залы, крытые рынки и т.д.). Применение металлических оболочек в массовом строительстве сдерживается их высокой трудоемкостью на строительной площадке, которая, в свою очередь, является следствием низкой степени их индустриализации. Для решения этой существующей в настоящее время проблемы предлагаются результаты экспериментальных и теоретических исследований, определяющие новое направление в области металлических покрытий зданий и сооружений.
Актуальность работы. В общем объеме затрат на покрытия приходится их существенная часть- 50- 70% по материалоемкости и около 50% по трудоемкости. Поэтому развитие конструктивных форм покрытий в значительной степени определяет прогресс во всей строительной отрасли. Актуальность работы определяется отсутствием конструктивных форм покрытий, обладающих преимуществами тонколистовых металлических оболочек и в то же время позволяющих существенно уменьшать трудовые затраты на строительной площадке; отсутствием экспериментальных и теоретических исследований покрытий в виде составных металлических оболочек, образуемых из отдельных панелей-оболочек с высокой степенью заводской готовности, в том числе из панелей-оболочек с элементами кровли.
Связь работы с государственными научно-техническими программами. Исследования по диссертационной работе выполнялись в рамках государственных программ по повышению эффективности строительства и строительных конструкций. Тема диссертационной работы была задействована в следующих программах:
- Республиканская научно-техническая программа 0550 Г'Разработать и внедрить новые эффективные материалы, конструкции и конструктивные схемы зданий и сооружений, технологические процессы и средства их механизации и автоматизации, методы организации и управления строительством, обеспечивающие существенную экономию материальных и топливно-энергетических ресурсов, улучшающие условия труда, комфортность жилья, качество строительства и сокращение инвестиционного цикла" 1993.. .1995 гг. - ГБ 77-25, ГБ 81-47. Разработать, исследовать и внедрить эффективные конструкции покрытий и перекрытий производственных зданий на основе металла, железобетона, дерева и пластмасс; N81092679, 1980; N81028428, 1985 г.
ГБ93-33. Разработка новых эффек- тивных конструкций, теории расчета и конструктивных схем зданий и сооружений; N 199431, 1993г, 1994г.
ГБ91-39. Разработать, исследовать и внедрить конструктивные схемы одноэтажных производственных зданий из металлических и деревянных конструкций под легкие кровли. N 199432, 1997г.
Цель работы, создание эффективных решений покрытий на основе тонколистовых металлических оболочек, обеспечивающих снижение трудовых и материальных затрат. Экспериментальная апробация новых конструктивных форм покрытий и решение научно-технических вопросов, связанных с особенностями разработанных конструктивных форм.
Задачи исследования: 1 .Определение оптимальных параметров поверхностей индустриальных панелей-оболочек из конструктивно-анизотропных материалов, образующих покрытия в виде составных металлических оболочек, обеспечивающих наиболее благоприятное распределение усилий в основных конструкциях.
2. Выявление с помощью методов экспериментального исследования и математической статистики основных закономерностей образования напряженно-деформированных состояний разработанных конструктивных форм покрытий при внешних воздействиях в зависимости от геометрических и физических параметров.
3. Исследование работы диска покрытия, образуемого гиперболическими панелями-оболочками, и определение степени влияния сдвиговой жесткости панелей-оболочек на пространственную работу каркаса зданий и сооружений.
Разработка методики расчета составных металлических оболочек покрытия из панелей-оболочек отрицательной гауссовой кривизны, где в качестве пролетной конструкции используются конструктивно-анизотропные материалы, обладающие резко отличающимися физическими и геометрическими характеристиками.
Разработка и апробация способов регулирования усилий, позволяющих улучшать напряженно-деформированное состояние пролетных конструкций и промежуточных ригелей составных оболочек покрытий.
Определение закономерностей распределения напряжений в поверхностях из конструктивно-анизотропных материалов при наличии ослаблений с учетом особенностей распределения основных напряжений и при соизмеримости размеров отверстий с размерами оболочек.
7. В целях снижения трудозатрат по устройству покрытий в виде составных оболочек экспериментально проверить возможность трансформирования комплексных панелей-оболочек отрицательной гауссовой кривизны из конструктивно-анизотропных материалов в плоскость и разработать аналитический метод определения основных параметров напряженно-деформированного состояния панелей-оболочек в процессе прямого и обратного трансформирования.
з 8. Обобщение и внедрение в прак- тику строительства результатов выполненных исследований, а также создание научных предпосылок для развития нового направления по совершенствованию металлических оболочек покрытий зданий и сооружений.
Объект и предмет исследования - объектом исследования являются покрытия зданий и сооружений. Предмет исследования - закономерности изменения напряженно-деформированного состояния покрытий и отдельных конструктивных частей покрытий в зависимости от механических и физических характеристик материала, геометрических параметров в горизонтальных и вертикальных плоскостях, значений и схем распределения внешних нагрузок и воздействий.
Методология и методы проведенных исследований. В работе использованы методы экспериментального исследования работы конструкций зданий и сооружений; методы математической статистики; методы строительной и теоретической механики, определяющие напряженно-деформированные состояния конструкций; метод дискретизации континуальных систем и метод последовательного приближения.
Экспериментальные исследования выполнялись на натурных образцах. В теоретических исследованиях использовались численные и аналитические методы, приспособленные к особенностям исследуемого объекта.
Научная новизна работы и значимость полученных результатов.
Научную новизну составляют следующие впервые полученные результаты:
разработано и исследовано направление по использованию конструктивно-анизотропных металлических материалов для образования криволинейных поверхностей в виде составных оболочек покрытий с высокой степенью индустриализации;
проведены комплексные исследования составных металлических оболочек покрытий отрицательной гауссовой кривизны с пролетной конструкцией из конструктивно-анизотропных материалов. Проведенные исследования позволяют выявить закономерности образования напряженно-деформированных состояний оболочек из конструктивно-анизотропных материалов в зависимости от вида и схем распределения внешних воздействий, кривизн пролетных конструкций, наличия нерегулярных жесткостных включений и вида граничных условий;
разработана методика определения усилий и перемещений составных металлических оболочек покрытий, позволяющая учитывать следующие особенности: конструктивную анизотропию пролетной конструкции, которая выражается в резком различии физических характеристик в направлении продольных и поперечных линейчатых образующих, а также в различных напряженных состояниях - моментном в продольном и безмоментном в поперечном направлениях; появление в пролетных конструкциях деформаций, необуслов-
ленных напряжениями; наличие перемещений, значительно превышающих приведенную толщину пролетных конструкций; превышение на порядок и более относительных деформаций в направлении поперечных линейчатых образующих над относительными деформациями в направлении продольных линейчатых образующих пролетной конструкции;
проведены экспериментальные и теоретические исследования диска покрытий из гиперболических панелей-оболочек, позволяющие учитывать особенности оболочечных покрытий при определении степени пространственной работы каркаса зданий и сооружений;
определены возможности по регулированию усилий в составных металлических оболочках покрытий и получены аналитические зависимости по вычислению основных параметров напряженно-деформированных состояний пролетной конструкции и элементов опорного контура;
получены экспериментальные схемы распределения напряжений в поверхностях отрицательной гауссовой кривизны из конструктивно-анизотропных материалов при наличии ослаблений и определены аналитические зависимости, позволяющие вычислять напряженное состояние вблизи отверстий в конечных поверхностях с учетом их размеров и размеров отверстий, формы распределения основных напряжений и расположения отверстий относительно эпюр основных напряжений;
-для не развертывающихся поверхностей в форме гиперболического параболоида получены экспериментальные результаты, определяющие условия и возможность их трансформирования в плоскость. На основании экспериментальных данных разработан аналитический метод по определению основных характеристик напряженно-деформированных состояний, возникающих в процессе трансформирования.
Практическая значимость полученных результатов.
Значимость диссертационного исследования состоит в следующем:
разработана научная основа для совершенствования металлических покрытий, на основе составных оболочек, компонуемых из панелей-оболочек индустриального изготовления, с использованием конструктивно-анизотропных материалов;
разработанные решения металлических покрытий позволяют существенно улучшить технико-экономические показатели объектов массового строительства за счет резкого сокращения количества конструктивных элементов, используемых в традиционных покрытиях, и переносом значительной части технологических операций в заводские условия. Кроме того, разработанные конструктивные решения позволяют в два-три раза уменьшить строительную высоту покрытий и, тем самым, уменьшить объем зданий и сооружений, что обеспечивает сокращение трудоемкости, материалоемкости и снижает эксплуатационные, прежде всего, энергетические затраты. Интерьер, создаваемый гиперболическими панелями-оболочками из конструктивно-анизотропных элементов, позволяет отказаться от применения подвесных потолков, что так
же способствует сокращению трудоемкости и материалоемкости строительных объектов, прежде всего, общественного назначения;
-разработанная методика расчета позволяет определять параметры напряженно-деформированных состояний составных оболочек покрытий, где в качестве пролетной конструкции используются элементы, обладающие резкой конструктивной анизотропией. Методика расчета позволяет определять напряжения и деформации с учетом геометрической нелинейности при больших перемещениях, при неравновесных нагрузках и при резко отличающихся размерах панелей-оболочек в плане. Разработанная методика расчета включена в Пособие по проектированию мембранных конструкций, предназначенное для инженерно-технических работников строительных и проектных организаций;
-исследования панелей-оболочек с предварительными (собственными) напряжениями позволяют регулировать усилия в промежуточных ригелях составных оболочек и снижать деформативность пролетной конструкции. Результаты исследований использовались при разработке рабочих чертежей панелей-оболочек с зенитными фонарями. Регулирование усилий было внедрено при строительстве Оздоровительного центра в городе Минске, где зенитные фонари применялись в качестве напрягающих элементов;
-коэффициенты пространственной работы, полученные по результатам исследований диска покрытия из стальных гиперболических панелей-оболочек, позволяют вести расчет с учетом перераспределения усилий, уменьшают значения расчетных усилий в элементах поперечных рам и обеспечивают снижение материалоемкости несущих конструкций. На основании проведенных исследований определены коэффициенты пространственной работы для наиболее распространенных зданий с металлическими покрытиями в виде составных оболочек;
-формулы по определению напряженных состояний оболочек вблизи ослаблений, полученные на основании проведенных исследований, позволяют определять значения напряжений в растянутых конечных поверхностях из конструктивно-анизотропных элементов и обоснованно проектировать усиления в местах расположения технологического оборудования;
-исследования напряженно-деформированного состояния оболочек отрицательной гауссовой кривизны при их трансформировании в плоскость, в том числе, с уже уложенными элементами кровли, позволяют определять характеристики напряженно-деформированного состояния и без необратимых деформаций переводить панели-оболочки в плоское состояние, что существенно упрощает процесс устройства кровли, а также транспортирование и складирование панелей-оболочек. Результаты исследований по трансформированию гиперболических панелей-оболочек нашли применение при строительстве Складского здания в Минске;
-по результатам проведенных исследований осуществлено проектирование и строительство общественных и производственных зданий на территории Республики Беларусь. Наиболее значимыми объектами являются: Универмаг Беларусь и Оздоровительный центр в Минске, Общественное здание и Цех гид-
6 ролиза в Гомеле. Разработанная про- ектная документация пригодна для повторного применения;
-на основании экспериментальных и теоретических исследований, опыта проектирования и строительства разработанных конструктивных решений, а также на основании многолетних наблюдений за построенными объектами, составлены таблицы по подбору сечений основных элементов составных оболочек покрытий из конструктивно-анизотропных материалов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-конструктивные решения покрытий зданий и сооружений в виде криволинейных поверхностей , образуемых сочленением отдельных индустриальных панелей-оболочек из конструктивно-анизотропных материалов улучшающих технико-экономические показатели зданий и сооружений при их возведении и эксплуатации;
-результаты экспериментальных исследований составных металлических оболочек из конструктивно-анизотропных материалов, позволяющих установить закономерности распределения напряжений и перемещений по поверхности пролетной конструкции и элементам опорного контура в зависимости от геометрических и физических характеристик;
-результаты теоретических исследований по определению параметров напряженно-деформированных состояний составных металлических оболочек покрытий с учетом следующих особенностей: резкое отличие физических характеристик в направлении поперечных и продольных линейчатых образующих пролетной конструкции; моментное напряженное состояние в направлении продольных и безмоментное в направлении поперечных линейчатых образующих; значительное превышение вертикальных перемещений над приведенной толщиной оболочки покрытия; наличие перемещений, не обусловленных напряжениями; значительное преобладание поперечных относительных деформаций над продольными; наличие собственных напряжений, обусловленных регулированием усилий в пролетной конструкции и в промежуточных ригелях составных оболочек;
-экспериментальные и теоретические исследования диска покрытия из сочлененных стальных панелей-оболочек, имеющих форму поверхности отрицательной гауссовой кривизны. Полученные результаты определяют параметры, оказывающие влияние на жесткость диска и на степень пространственной работы каркаса зданий и сооружений;
-результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированных состояний конечных поверхностей из конструктивно-анизотропных материалов при наличии ослаблений, на основании которых получены аналитические зависимости, определяющие значения напряжений при соизмеримости размеров поверхности и размеров ослаблений, при параболической форме распределения основных напряжений и с учетом расположения ослаблений относительно эпюр основных напряжений; - результаты исследований, определяющие условия и возможности трансформирования в плоскость не развертывающихся поверхностей отрицательной
гауссовой кривизны в виде гиперболи- ческого параболоида, и позволяющие аналитически определять усилия и перемещения основных конструктивных элементов в процессе трансформирования;
Личный вклад соискателя. Диссертационная работа выполнялась на кафедре Металлических и деревянных конструкций Белорусского национального технического университета с 1977г. Диссертационная работа основывается на экспериментальных и теоретических исследованиях, выполненных автором, а также на отдельных экспериментальных исследованиях, проведенных Нестеренко Н.Л. и Ткаличевым А.В. под руководством автора.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 19 конференциях, симпозиумах, конгрессах и совещаниях, из которых основными являются: заседание «Ассоциации кафедр металлических конструкций стран СНГ» - Липецк, 2009г.; научная сессия "Новые констр. решения пространственных покрытий и перекрытий зданий и сооружений" - М. , 2005 г.; научно-техническая конф. "Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее"- Киев, 2004г; научная сессия и научно-практический семинар "Компьютерное моделирование и проектирование простр. конструкций"- М., 2001 г; V конференция Ассоциации "Простр. конструкции", М., 1999г; международный конгресс "Простр. конструкции в новом строительстве и при реконструкции зданий и сооружений". М., 1998г; международные научно-технические конф. БНТУ, Минск, 1978, 1979, 1992, 1995, 1997гг.; заседание рабочей комиссии по висячим конструкциям национального комитета ИАСС. Киев, 1989г.; научно-техническая конф. «Состояние, перспективы развития и применения простр. строительных конструкций» Свердловск, 1989г. научно-техническая конф. по мет. конструк. Житомир, 1984г.; совещание-семинар "Исследование, разработка и внедрение висячих систем в покрытиях и инженерных сооружениях". Киев, 1982г.
Опубликованность результатов. Результаты диссертационной работы представлены в 53 публикациях: 22 статьи в научно-производственных журналах; 16 статей в сборниках научных трудов; 2 пособия для проектировщиков; 2 монографии. Остальные публикации представлены в сборниках тезисов и в информационных материалах. По тематике диссертационной работы получено три авторских свидетельства. Общее количество страниц опубликованных материалов 688. Из общего числа опубликованных работ 11 в журналах, которые входят в перечень утвержденных ВАК РФ изданий для публикаций основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, семи глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Содержание изложено на 282 страницах, диссертация включает 113 рисунков (90 страниц), 25 таблиц (23 страницы) и 1 приложение (10 страниц). Список использованной литературы включает 301 источник (17 страниц).
Автор выражает признательность Заслуженному деятелю науки и техники СССР, д.т.н. профессору Трофимову В .И. за помощь и ценные указания в проведении исследований. Автор благодарит к.т.н. Нестеренко Н.Л. за большую помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрении. Автор также благодарит инженера Ткаличева А.В. за помощь в проведении экспериментальных исследований.
Внедрение результатов диссертационной работы осуществлялось в содружестве со следующими организациями: ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя РФ (г. Москва); Проектный институт Гомельпроект; Проектный институт Минскпроект; А.П. "Белпроектстальконструкция;" Союз архитекторов Республики Беларусь; Проектный институт Белгипроторг; Минский опытный завод металлических конструкций; Минский завод технологических и металлических конструкций; НИЛ реконструкции зданий и сооружений НИЧ БПИ; организации Минпромстроя и Минмонтажспецстроя БССР.
