Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, обоснование задач исследований 12
1.1. Пространственные конструкции с регулярной решеткой - отечественный и зарубежный опыт 12
1.2. Цели и задачи исследований 41
2. Опытно-конструкторские разработки покрытий структурного типа из блок-ферм на основе древе сины 45
2.1. Общие положения, принятые при разработке конструкции 45
2.2. Новые конструктивные решения 48
2.2.1. Структура треугольного очертания 50
2.2.2. Структура линзообразного очертания 61
2.2.3. Структура полигонального очертания 63
2.3. Область применения 65
2.4. Выводы 68
3. Численные исследования напряженно-деформированного состояния структурного бло ка покрытия на основе трехгранных блок-ферм 70
3.1. Цели численных исследований и формулировка задач 70
3.2. Влияние геометрических параметров на напряженно-деформированное состояние структурных блоков покрытия 72
3.2.1. Влияние генеральных размеров 72
3.2.2. Влияние геометрических форм блок-ферм 75
3.3. Влияние технологических несовершенств на напряженно-
деформированное состояние структурного блока покрытия 80
3.3.1. Влияние величины допуска отклонений отметок верха опорных конструкций 80
3.3.2. Влияние величины допуска на изготовление отдельных стержневых элементов 86
3.3.2.1. Влияния неточностей изготовления элементов решетки 87
3.3.2.2. Влияния неравномерного натяжения ветвей нижнего пояса 92
3.4. Выводы 98
Методика экспериментальных исследований.. 100
4.1. Цели изадачи экспериментальных исследований 100
4.2, Методика физического эксперимента 100
Сравнительный анализ натурных испытаний и численных исследований структурного блока 109
5.1. Испытания структурного блока покрытия марки ПСБ-ТБФД-18.9 ПО
5.2. Выводы 122
Рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению покрытий структурного типа из блок-ферм и их технико-экономическая эф фективность 124
6.1. Общие положения 124
6.2. Материалы 125
6.3. Конструирование и расчет 126
6.4. Изготовление 130
6.5. Меры защиты 133
6.6. Технико-экономическая эффективность применения предлагаемых конструкций 135
Основные выводы 142
Литература
- Новые конструктивные решения
- Влияние геометрических параметров на напряженно-деформированное состояние структурных блоков покрытия
- Влияние величины допуска отклонений отметок верха опорных конструкций
- Испытания структурного блока покрытия марки ПСБ-ТБФД-18.9
Введение к работе
Развитие пространственных конструкций идет значительно быстрее, по сравнению с плоскостными, что говорит о достижении предела оптимизации последних. Это основывается главным образом на том, что коэффициент использования прочностных свойств материалов в плоскостных конструкциях составляет 15...20% их несущей способности и, таким образом, от дальнейшего совершенствования конструкций этого типа можно ожидать только незначительных результатов.
Анализ опыта применения пространственных конструкций позволяет отметить, что использование конструкций этого типа дает возможность уменьшить материалоемкость до 20%, стоимость до 15%, повысить производительности труда в 1,2...1,5 раза.
Вышесказанное относится в полной мере и к пространственным конструкциям на основе древесины. При этом, с увеличением пролетов их эффективность возрастает. Снижение стоимости пространственных конструкций по сравнению с плоскостными клеедощатыми конструкциями достигает 30-40 %. Они конкурентоспособны и по сравнению с аналогичными конструкциями одного класса, выполняемыми из других традиционных материалов. Легкость конструкций из дерева дает возможность (при равенстве суммарного веса) перевезти их в пять раз больше по сравнению с железобетонными, а, следовательно, почти в пять раз сократить расходы на эти цели. Так, например, при строительстве спортзала в Солт-Лейк-Сити (США) с деревянным купольным покрытием диаметром 105 м, экономия составила 225 тыс. долларов (на 33 % дешевле самой рациональной металлической конструкции) [1].
В настоящее время в районах Сибири и Дальнего Востока наблюдается возрождение интереса к конструкциям на основе древесины. Вместе с тем, развитие конструкций из древесины испытывает здесь существенные трудности, связанные с сокращением объема поставок на отечественный рынок лесоматериалов с развитыми размерами поперечных сечений. В частности, эта проблема отразилась в отказе, в большинстве случаев, от использования в строительстве традиционных плоскостных конструкций, хорошо зарекомендовавших себя ранее [2].
Анализ состояния зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения в Красноярском крае свидетельствует о том, что более 50 % от их числа пришло в полную или почти полную непригодность в последние годы. Почти такая же картина наблюдается и в лесной отрасли. Причины этого лежат как в спаде производства, так и в отсутствии финансирования не только на новое строительство, но и на ремонт существующих зданий [3].
Резкое удорожание транспортных перевозок обусловило отказ сельских акционерных обществ от применения железобетонных конструкций, выпускаемых комбинатами, расположенными в основном, в городской черте [3].
На наш взгляд, ситуация такова, что уже в ближайшие годы можно будет ожидать самого пристального внимания к развитию агропромышленного и лесоперерабатывающего комплексов и, как следствие этого, начала нового строительства.
В городах для массового строительства зданий павильонного типа, возводимых в настоящее время для различных предприятий и частных заказчиков, интерес представляют структурные конструкции. Особенность строительства таких зданий обусловлена стесненностью уже существующей городской застройки и необходимостью возведения зданий в минимальные сроки, с целью уменьшения неудобств, доставляемых новостройкой горожанам.
Таким образом, актуальность темы обусловлена:
- небольшим количеством технических решений деревометаллических структурных конструкций покрытий;
- особой целесообразностью таких конструкций для Сибири, Дальнего Востока и Севера; - мало изученностью напряженно-деформированного состояния структурных блоков покрытия, собираемых из укрупненных элементов;
- отсутствием нормативных документов, регламентирующих проектирование и изготовление упомянутых выше конструкций.
Работа выполнена в рамках: Программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Подпрограмма «Архитектура и строительство» шифр: НТП 03.01.262, № 01200312556; при поддержке Гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук шифр: Т 02-12.1-847, № 01200304474
Новые конструктивные решения
Опытно-конструкторские исследования и разработки проведены в соответствии с требованиями [39-59].
В качестве основных материалов использованы пиломатериалы хвойных пород с влажностью 10±2% по ГОСТ 8486-86 и ГОСТ 24454-80 [57, 58]. В качестве утеплителей предусмотрено использовать заливочные пенопласты марок ФРП, ФПБ, пенополистирольные плиты по ГОСТ 9573-96 [59].
Опытные конструкции разработаны для отапливаемых и неотапливаемых зданий с температурно-влажностными режимами эксплуатации А1, А2, Б1, Б2, В1, В2 [55]; расчетное давление веса снегового покрова принято по [50] для IV-го района равным 2,4 кПа, нормативное давление ветрового потока для Ш-го района- 0,38 кПа.
В основу создания новых структурных конструкций положена идея проф., докт.техн.наук В.И. Трофимова, заключающаяся в предложении формообразования и сборки структурных конструкций из укрупненных элементов (суперэлементов). В качестве суперэлементов для структурных покрытий нового поколения, в которых в качестве основного материала применяется древесина, автор счел целесообразным использовать блок-фермы с регулярной решеткой.
Следуя [60], при разработке опытной конструкции автор исходил из целесообразности и необходимости: - монтировать блок-фермы как отдельные элементы на временные стойки, объединяя их в структурную конструкцию постановкой поперечных элементов в уровне узлов поясов, тем самым обеспечивая возможность применения этих конструкций для строительства зданий павильонного типа с небольшой сеткой колонн в стесненных условиях уже имеющейся городской застройки в минимальные сроки; - эффективно использовать свойства применяемых в конструкциях материалов; руководствоваться принципом упрощения конструктивной формы при одновременном уменьшении общей массы конструкции (в сравнении с известными аналогами); - обеспечивать универсальность и высокую технологичность изготовления; - конструировать узлы, соединения и элементы блока с учетом требований скоростного монтажа и демонтажа, многократного использования, транспортабельности конструкции и современного крупноблочного монтажа; - обеспечить возможности быстрого и незначительного переориентирования технологических линий существующих производств на выпуск структурных блоков на основе различных типов блок-ферм
Пространственная работа конструкции в целом обеспечена работой основных сборочных элементов — трехгранных блок-ферм. Плиты верхнего пояса блок-ферм имеют с П-образное поперечное сечение (рис. 2.1), что определяет сравнительно небольшую трудоемкость изготовления и сборки конструкции. Плиты образованы каркасом из основных деревянных ребер, расположенных в нижней части поперечного сечения и раскрепленных по торцам диафрагмами.
Такое решение обеспечивает простоту выполнения узловых соединений конструкций, повышает долговечность покрытий. В этом случае все основные несущие элементы конструкций находятся внутри помещения в одинаковых температурно-влажностных условиях, что исключает возможность их конденсационного увлажнения, обеспечивает хорошее проветривание без устройства специальных продухов, делает эти элементы доступными для осмотра, ремонта, периодической окраски и пропитки, в том числе и огнезащитными составами.
Кроме этого, наличие в плитах диафрагм, поставленных, как правило, по их торцам, позволяет легко решить вопрос формообразования ферм поперечного направления.
Разработка велась с учетом возможной организации изготовления структурных блоков на поточной технологической линии с использованием отечественного и импортного оборудования для обработки древесины и выполнения предлагаемых механических соединений на одном предприятии.
При проектировании конструкций стремились наделить их транспортабельностью и неповреждаемостью при перевозке и хранении (например, путем пакетирования, усиления обрамляющих элементов, использования элементов П-образного сечения и т.д.). При этом контролировали вес и габариты монтажных элементов, чем достигалась возможность их перевозки обычными автомобилями с последующим крупноблочным монтажом автомобильными кранами. Обратимся к результатам опытно-конструкторской работы.
Влияние геометрических параметров на напряженно-деформированное состояние структурных блоков покрытия
Для выбора геометрических размеров (ширины) структурного блока покрытия автором было рассмотрены несколько вариантов его компоновки: — из 2-х блок-ферм с размерами в плане 18,0x6,0 м, - из 3-х блок-ферм (18,0 9,0 м), - из 4-х блок-ферм (18,0x12,0 м).
Расчет выполнялся в два этапа, первый — по недеформированной схеме, второй — по деформированной схеме с учетом возможного обжатия деревянных элементов конструкции. Величину деформаций податливого соединения при полном использовании его несущей способности принимали по [55,табл. 15], а при неполном — пропорциональной действующему на соединение усилию.
Сравнение структур разной ширины проводили по трем показателям: 1 — усилие в нижнем поясе (рис. 3.2); 2 - усилие в верхнем поясе (рис. 3.3); 3- усилие в раскосах (рис. 3.4).
В результате расчетов установлено следующее.
В расчетном сечении, в зависимости от ширины структурного блока , значения максимальных усилий, относительно структурного блока из 2-х блок ферм (18,0x6,0 м), возрастают следующим образом:
С помощью статических расчетов по деформированной схеме определено влияние обжатия деревянных элементов конструкции на НДС в зависимости от ширины структуры относительно расчетов проведенных по недеформирован-ной схеме: по нижнему поясу - для блока шириной 6,0 м значения внутренних усилий не изменяются, для блоков шириной 9,0 м и 12,0 м больше в среднем в 1,08 раза; по верхнему поясу — значения усилий меньше в среднем в 1,4 раза для всех рассматриваемых блоков; в раскосах значения внутренних усилий меньше в 1,3 раза при ширине 6,0 м, для структур шириной 9,0 м и 12,0 м больше в 1,02 раза.
Деформации смятия деревянных элементов в узлах конструкции обусловливают перераспределение усилий с элементов верхнего пояса на элементы нижнего пояса и решетки, однако это влияние не велико и им можно пренебречь.
Таким образом, в результате проведенного численных экспериментов установлено, что увеличение ширины структурного блока незначительно влияет на усилия в элементах конструкции и этим показателем при проведении инженерных расчетов можно пренебречь.
Для оценки влияния формы на НДС структурных конструкций автор выполнил статические расчеты пространственных блоков покрытий с размерами в плане 18 9 м, следующих марок: - СТ - на основе трехгранных блок-ферм марки ТБФД-18-ЗР (рис, 3.5); - СЛ - на основе линзообразных блок-ферм марки ЛБФ-12.4У (рис. 3.6); - СП - на основе полигональных блок-ферм марки БФТ 18-ЗК (рис. 3.7).
В результате численных исследований предполагалось сопоставить НДС структуры (сформированной простым объединением суперэлементов, без внесения каких-либо изменений в конструктивную схему последних) и НДС отдельной трехгранной блок-фермы.
Анализ результатов статических расчетов показал, что при объединении отдельных блок-ферм в единый структурный блок наиболее заметно изменяются усилия в элементах нижнего пояса, при этом происходит перераспределение усилий с ветвей нижнего пояса блок-ферм среднего ряда на ветви крайних блок-ферм. Разница составляет приблизительно 30 %. Это характерно для структур всех рассматриваемых марок - СТ, СЛ и СП. Кроме этого в структуре, сформированной из линзообразных блок-ферм, в элементах нижнего пояса среднего ряда возникают сжимающие продольные усилия (взамен растягивающих, действующих в нижнем поясе отдельной блок-фермы).
В структурном блоке СТ максимальные значения продольных усилий в решетке возникают в угловых (опорных) парах раскосов. Однако в отличие от отдельной блок-фермы здесь усилия в крайней паре раскосов различны по знаку (то есть, усилия сжатия и растяжения) и в среднем на 20% превышают значения в рядовой паре.
В структурах марок СЛ и СП продольные усилия во всех группах конструктивных элементов средней блок-фермы примерно на 30 % меньше, чем в крайних, в то время как в структуре марки СТ усилия распределяются более равномерно.
Комплексная оценка всех выявленных особенностей работы каждой марки структурных блоков позволяет сделать вывод, что структуры на основе трехгранных блок-ферм марки ТБФД-18-ЗРУ, более эффективны с точки зрения равномерности распределения усилий и возможности обеспечения более рациональной унификации.
Влияние величины допуска отклонений отметок верха опорных конструкций
В случае возможного изготовления стержней ветвей нижнего пояса с отклонением в длинах, в пределах допусков, возможно неодновременное включение стержней в работу, то есть возможен случай неравномерного натяжения этих элементов. Изучение влияния возможного неравномерного натяжения ветвей нижнего пояса на напряженно-деформированное состояние блок-ферм рассматривалось ранее в работе [67], где было отмечено, что наиболее неблагоприятным является состояние, когда не натянута одна ветвь нижнего пояса блок-фермы. Таким образом, весьма целесообразным представляется рассмотреть вариант при неравномерном натяжении нижнего пояса одного блока структурной конструкции (например, N1, N2) (рис. 3.18).
Неравномерность натяжения ветвей моделировали при помощи условного модуля упругости, вычисляемого по формуле (ЗЛ). Погонная нагрузка, состоявшая из постоянной (вес кровли, утеплителя и т.д.) и временной (снеговая), прикладывалась на продольные вспомогательные ребра по всему пролету, интенсивностью q=5 кН/м.
Из сравнения рассматриваемого неблагоприятного состояния (рис. 3.20-3.22) со схемой с равномерным натяжением ветвей нижнего пояса (рис. 3.19) видно, что в изменяемой ветви нижнего пояса, растягивающие усилия меньше в 1,6 раза по сравнению с усилиями в ветвях, находящихся на противоположной стороне. Кроме этого установлено перераспределение внутренних усилий с изменяемой ветви нижнего пояса на элементы решетки.
Так, в раскосах, в среднем усилия больше в 1,1...1,7 раза относительно структуры изготовленной без отклонения в линейных размерах элементов нижнего пояса. Таким образом, при действующих допусках на отклонение линейных размеров элементов нижнего пояса изменение внутренних усилий весьма значительно. По мнению автора увеличение усилий от действия этого фактора
С применением численных методов исследовано напряженно-деформированное состояние структурных деревометаллических блоков покрытия с регулярной решеткой на основе трехгранных блок-ферм:
1. Определено, что с увеличением ширины структурного блока на ширину суперэлемента усилия в элементах структуры увеличиваются в пределах 5...7%. Рост усилий, имеет прямую зависимость с увеличением ширины.
2. Выявленные закономерности влияния геометрических форм блок-ферм следует учитывать при проектировании конструкций структурных блоков, формируемых на основе трехгранных деревометаллических блок-ферм. При унификации элементов рекомендуется выделять: в элементах решетки — опорные и рядовые раскосы; в элементах нижнего пояса — крайние и средние ветви; элементы верхнего пояса (основные ребра плит) следует унифицировать полностью.
3. Изучено влияние технологических несовершенств (величины допусков отклонений отметок верха опорных конструкций; величины допусков на изготовление отдельных стержневых элементов) на НДС исследуемых конструкций. Для учета неточного монтажа диагонально расположенных опор значение расчетного сопротивления материала следует снижать на коэффициент уоп = 0,95.
4. Наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции оказывает диагональное расположение раскосов, изготовленных с отклонением в длинах, В этом случае к расчетному сопротивлению материала следует вводить понижающие коэффициенты: для элементов верхнего пояса увп = 0,85; остальных - Утр - 0,95.
5. Возможные отклонения в изготовлении ветвей нижнего пояса рекомендуется учесть в расчетах снижением расчетного сопротивления материала элементов решетки с помощью коэффициента ур= 0,85; а нижнего пояса - ут 0,90.
6. В целях ограничения влияния неточности изготовления ветвей нижнего пояса на НДС структуры рекомендуется величину предельного отклонения линейного размера ограничить 2,0 мм.
7. На основе комплексной оценки работы структурных блоков каждой марки установлено, что наиболее эффективна структура на основе трехгранных блок-ферм марки ТБФД-18-ЗРУ, как с точки зрения равномерности распределения усилий, так и возможности более рациональной унификации групп элементов.
Испытания структурного блока покрытия марки ПСБ-ТБФД-18.9
Деревянные элементы структурного блока покрытия изготавливали в лаборатории «Испытания строительных конструкций и материалов» КрасГАСА. Доски и брусья укладывали в пакеты сплошными горизонтальными слоями на прокладках. Во избежание искривления досок прокладки располагали с шагом 0,45 м. Конвективная сушка сформированных штабелей высотой 1,6..Л,8 м осуществлялась естественным путем.
После завершения сушки, пиломатериал проходил обязательное освидетельствование перед дальнейшей обработкой для наиболее полного выявления недопустимых природных пороков и дефектов обработки.
Для исключения недопустимых природных пороков (сучки, косослой, гниль) и дефектов обработки (коробление, трещины) материал сортировался визуально, вручную. Пиломатериал с выявленными визуально недопустимыми пороками и дефектами отбраковывали. Опытную конструкцию собирали в соответствии со следующей технологической схемой: - монтаж постоянных (угловых) и временных (рядовых) опорных конструкций; - сборка основных сборочных элементов — блок-ферм; - сопряжение сборочных элементов в единый структурный блок; - выверка генеральных размеров и их регулировка; - демонтаж временных опорных конструкций.
Опытная конструкция структурного блока покрытия была смонтирована на постоянные опоры из железобетонных фундаментных блоков марки ФБС высотой 2,20 м в качестве регулирующих горизонтальное положение блока прокладок использовали железобетонные блоки и деревянные бруски, временные опорные конструкции, по короткой стороне структурного блока, выполняли две функции: на период монтажа - опорные конструкции; во время испытания - страховочные стойки. Во время испытания деревянные подкладки со временных стоек были удалены.
Сборку структурного блока покрытия производили непосредственно на испытательной площадке с целью сокращения объема монтажных работ.
Сборка плит верхнего пояса конструкции проводилась в следующем порядке. На заранее выбранной площадке нанесли разметку, на которой разместили и соединили между собой вспомогательные поперечные и обрамляющие продольные ребра. Полученные щиты (рис. 5.1) крепили при помощи гвоздей, через деревянные подушки к основным ребрам верхнего пояса, кроме этого аналогично крепили дощатые связи.
В результате испытаний установлено, что опытная структурная конструкция марки ПСБ-ТБФД-18.9 характеризуется малой деформативностыо. При нормативной нагрузке максимальный прогиб верхнего пояса оказался равным =19,88 мм, что составляет —/ (где / - пролет структуры), что меньше предельного допустимого значения, регламентируемого нормативными документами и равного —/. Прогнозируемое значение максимального прогиба при длительном действии статической нагрузки составляет приблизительно 40 мм
Значения прогибов, полученные численным путем составили: прогиб конька— 18,05 мм; перемещение узла соединения плит верхнего пояса в четверти пролета - 17,75 мм.
Как видно из графиков, изменение величины вертикального прогиба (см. рис. 5.7) с ростом внешней нагрузки, происходит не равномерно. На начальном этапе, до нагрузки 1,43 кПа, что составляет 71,5% от значения нормативной нагрузки происходит интенсивный рост деформаций, далее до достижения нормативной нагрузки составляющей 2,0 кПа рост деформаций замедляется.
На основании данных экспериментальных исследований построены графики изменения напряжений в максимально нагруженных элементах структуры (рис. 5.8).
В результате анализа результатов испытаний установлена удовлетворительная сходимость теоретических и экспериментальных значений нормальных напряжений в элементах конструкции. Наибольшая разница между теоретическими значениями напряжений в элементах конструкции, найденными с помощью программных комплексов «Scad» и «Лира», составляет 16,48%. Следует отметить, что разница в значениях усилий в элементах структуры, полученных при расчете по недеформированной схеме и по деформированной схеме, учитывающей реальные (по показаниям индикаторов часового типа ИЧ-10) деформации в узлах полученные экспериментальным путем находится в пределах 12...20%. Как видно из графиков изменения усилий (см. рис. 5.8) в элементах опорной пары раскосов эта разница уменьшается с ростом внешней нагрузки.
