Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СЕТЧАТЫХ КУПОЛОВ ИЗ ЛЕГКИХ, ЭФФЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ 16
1.1. Характеристика сетчатых куполов 16
1.1.1. Каркасные купола 17
1.1.2. Купола из трехслойных панелей 23
1.2. Способы геометрического построения, методы расчета и экспериментально-теоретические исследования сетчатых куполов 26
1.2.1. Формообразование геометрической поверхности сетчатых куполов 26
1.2.2. Обзор методов расчета конструкций с учетом нелинейных зависимостей 31
1.2.3. Исследования сжато-изгибаемых элементов 34
1.2.4. Исследования треугольных плит и трехслойных панелей 36
1.2.5. Исследования устойчивости сетчатых куполов 42
1.2.6. Экспериментально-теоретические исследования сетчатых куполов 47
1.2.7. Оптимизация купольных покрытий 53
1.3. Выводы по первой главе. Постановка задач исследования 56
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КУПОЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ 58
2.1. Численный эксперимент по исследование сжато-изгибаемых элементов сплошного сечения 58
2.1.1. Метод конечных элементов при расчете сжато-изгибаемых элементов 58
2.1.2. Влияние конструктивных решений на напряженно- деформированное состояние элементов купола 61
2.1.3. Алгоритм расчета сжато-изгибаемого элемента с учетом нелинейных зависимостей 65
2.1.4. Исследование сходимости метода конечных элементов при расчете сжато-изгибаемых деревянных элементов сетчатых куполов 72
2.1.5. Методика проведения численного эксперимента 76
2.1.6. Результаты численного эксперимента по изучению напряженно-деформированного состояния сжато-изгибаемых элементов 78
2.1.7. Предельное состояние сжато-изгибаемых элементов 88
2.2. Физический эксперимент по исследованию сжато-изгибаемых элементов сплошного сечения 93
2.2.1. Экспериментальная установка для испытания сжато-изгибаемых элементов 94
2.2.2. Методика проведения испытаний 97
2.2.3. Результаты физического эксперимента 98
2.3. Выводы по второй главе 110
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ ТРЕУГОЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ КУПОЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ 112
3.1. Численный эксперимент по исследованию
напряженно-деформированного состояния панелей 113
3.1.1. Определение варьируемых параметров 113
3.1.2. Методика проведения численного эксперимента 119
3.1.3. Напряженно-деформированное состояние панелей при действии продольных сил 121
3.1.4. Напряженно - деформированное состояние панелей при действии равномерно распределенной поперечной нагрузки 123
3.1.5. Напряженно-деформированное состояние панелей при действии монтажной нагрузки 130
3.1.6. Напряженно — деформированное состояние панелей при совместном действии продольных сил и поперечной нагрузки 133
3.1.7. Сопоставление результатов численного эксперимента с результатами аналогичных исследований 139
3.2. Физический эксперимент по исследованию трехслойных панелей купола 140
3.2.1. Экспериментальная установка для испытания панелей 141
3.2.2. Методика проведения испытаний 141
3.2.3. Результаты испытаний панелей по схеме «ступенчатое нагружение - разгрузка» 145
3.2.4. Результаты испытаний панели с целью определения разрушающей нагрузки 148
3.3. Анализ полученных результатов. Оценка характера напряженно-деформированного состояния панелей 154
3.4. Выводы по третьей главе 156
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕСТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СЕТЧАТЫХ КУПОЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ 157
4.1. Устойчивость элементов трехслойных панелей купола 157
4.1.1. Устойчивость обшивки панели 157
4.1.2. Устойчивость ребра панели 163
4.2. Численный эксперимент по исследованию местной устойчивости сетчатых деревянных куполов 168
4.2.1. Конструкция несущего элемента купола и факторы влияющие на его работу 168
4.2.2. Алгоритм определения критической нагрузки на фрагмент сетчатого купола с учетом факторов влияющих на нелинейность работы конструкции 170
4.2.3. Исследование сходимости метода конечных элементов при расчете на устойчивость фрагмента сетчатого купола 178
4.2.4. Методика проведения численного эксперимента 180
4.2.5. Исследование влияния физической нелинейности древесины на величину критической нагрузки 181
4.2.6. Исследование влияния жесткости сопряжения элементов в узлах на величину критической нагрузки 182
4.2.7. Исследование влияния продольно-поперечного изгиба от внеузловой нагрузки на величину критической нагрузки 184
4.2.8. Исследование влияния обмятия торцов древесины на величину критической нагрузки 185
4.3. Физический эксперимент по исследованию местной устойчивости сетчатых купольных покрытий 187
4.3.1. Экспериментальная установка для испытания фрагментов сетчатого купола 187
4.3.2. Конструкция пологих пирамид и методика проведения испытаний 188
4.3.3. Анализ результатов физического эксперимента 194
4.4. Метод определения критической нагрузки с учетом нелинейных зависимостей 199
4.5. Выводы по четвертой главе 200
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КУПОЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ 202
5.1. Численное исследование купольных покрытий 202
5.1.1. Исследование напряженно-деформированного состояния купола с помощью итерационного метода 202
5.1.2. Исследование напряженно-деформированного состояния купола с помощью шагового метода 208
5.2. Физические эксперименты по исследованию крупномасштабных моделей купольных покрытий 215
5.2.1. Исследование модели пологого сетчатого купола 215
5.2.1.2. Методика проведения испытания 216
5.2.1.3. Результаты физического эксперимента 216
5.2.2. Исследование крупномасштабной модели подъемистого купола 219
5.2.2.1. Конструкции купола-оболочки. Выбор расчетной схемы и статический расчет 222
5.2.2.2. Конструкция модели. Приборы, применяемые для испытания 223
5.2.2.3. Кратковременные испытания модели. Сравнение экспериментальных и теоретических данных 225
5.2.3. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния конструкции купола из трехслойных панелей 227
5.2.3.1. Конструкция модели. Проектирование, изготовление и сборка 227
5.2.3.2. Приборы и специальные приспособления, используемые для испытаний 229
5.2.3.3. Экспериментальное исследование модели. Сравнение экспериментальных и теоретических данных 229
5.3. Выводы по пятой главе
ГЛАВА 6. ОПТИМИЗАЦИЯ СЕТЧАТЫХ КУПЛОВ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС 239
6.1. Оптимизация геометрической схемы купольного покрытия образованного на основе
икосаэдра 239
6.2. Выбор оптимальной схемы формообразования сетчатых куполов 246
6.3. Оптимизация сетчатых куполов с несущими деревянными элементами сплошного сечения 249
6.3.1. Описание выбранной конструктивной схемы 249
6.3.2. Выбор целевой функции и ограничений 251
6.3.3. Оптимальные значения варьируемых параметров 254
6.4. Оптимизация куполов из трехслойных панелей 256
6.4.1. Описание конструкции куполов 256
6.4.2. Выбор целевой функции и ограничений 257
6.4.3. Оптимальные значения варьируемых параметров 260
6.5. Выводы по шестой главе 263
ГЛАВА 7. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЕТЧАТЫХ КУПОЛОВ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 264
7.1. Предложения по расчету и конструированию сетчатых куполов из дерева и пластмасс 264
7.1.1. Предложения по выбору оптимальной схемы формообразования и геометрическому расчету сетчатых куполов 264
7.1.2. Предложения по расчету несущих элементов сплошного сечения 266
7.1.3. Предложения по статическому и конструктивному расчету трехслойных панелей купольного покрытия 268
7.1.4. Предложения по расчету на устойчивость отдельных элементов и всего купола в целом 270
7.1.5. Предложения по конструированию сетчатых
каркасных куполов 271
7.1.6. Предложения по конструированию куполов из трехслойных треугольных панелей 275
7.2. Внедрение результатов исследований 279
7.2.1. Каркасно-тентовое купольное покрытие летнего павильона 281
7.2.2. Быстровозводимые укрытия в виде куполов - оболочек из трехслойных панелей 282
7.2.3. Купольное покрытие из трехслойных панелей для здания многоцелевого назначения 283
7.2.4. Купольное покрытие планетария 287
7.2.5. Купольные покрытия общественных зданий с деревянным каркасом 1.288
7.3. Выводы по седьмой главе ; 290
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 292
ЛИТЕРАТУРА 298
ПРИЛОЖЕНИЯ 336
Введение к работе
Актуальность работы
Сетчатые купола относятся к наиболее совершенным пространственным покрытиям. Благодаря выразительному архитектурному виду, большим перекрываемым пролетам и малой массе такие покрытия по праву можно назвать перспективными конструкциями XXI века. Наибольший эффект дает применение в сетчатых куполах легких материалов, таких например, как дерево и пластмассы. Обладая относительно высокой прочностью и небольшой плотностью, эти материалы позволяют возводить сооружения диаметром свыше 100 м, масса 1 м2 покрытия которых не превышает 20-50 кг. Немаловажным фактором являются уникальные эстетические и художественные качества данных материалов, благодаря чему интерьер здания приобретает «теплый» и «живой» вид, а между формой и содержанием конструкции достигается органическое единство.
Рассматриваемые конструкции не нашли пока в России широкого применения. Одна из главных причин этого заключается в отсутствии совершенных методов расчета сетчатых куполов, учитывающих особенности работы таких материалов, как дерево и пластмассы. В нормативной литературе не отражено влияние физической и . конструктивной нелинейностей на работу сжато-изгибаемых элементов сплошного сечения, отсутствуют рекомендации по расчету сжато-изгибаемых треугольных трехслойных панелей купольного покрытия, используемые методы определения критической нагрузки недостаточно полно учитывают совместное влияние нелинейных зависимостей различного рода (физической, геометрической, конструктивной). Кроме того, многогранные поверхности куполов, образованных на основе икосаэдра, в большинстве случаев имеют большое число типоразмеров сборных элементов, отсутствуют рекомендации по назначению оптимальных геометрических параметров несущих элементов, известные конструктивные решения узлов отличаются повышенной трудоемкостью при проектировании и изготовлении и нуждаются в оптимизации. Работа направлена на решение вышеуказанных важных проблем и поэтому является актуальной.
Цель диссертационной работы заключается в развитии методов расчета и конструктивных решений сетчатых куполов из дерева и пластмасс на основе целенаправленных экспериментально-теоретических исследований.
Задачи исследования:
• анализ конструктивных решений и результатов ранее проведенных исследований как отдельных элементов купольных покрытий так и куполов в целом;
• разработка комплексной программы экспериментальных и теоретических исследований сетчатых куполов из дерева и пластмасс, позволяющей выявить необходимые закономерности и определить влияние отдельных факторов и их сочетаний на прочность, устойчивость и деформативность как отдельных элементов купольных покрытий, так и куполов в целом;
• развитие расчетной модели и алгоритма расчета сжато — изгибаемых элементов купольных покрытий на основе физической, геометрической и конструктивной нелинейностей, а также с учетом обмятия древесины в узлах;
• проведение численного и физического экспериментов по исследованию напряженно-деформированного состояния сжато — изгибаемых элементов сплошного сечения и развитие метода расчета таких конструкций, оценка результатов экспериментов;
• проведение численного и физического экспериментов по исследованию напряженно-деформированного состояния трехслойных треугольных панелей купола при совместном действии изгибающего момента и продольных сил и усовершенствование метода расчета таких
конструкций, оценка метода расчета;
• разработка расчетной модели и алгоритма расчета на местную устойчивость сетчатых куполов из дерева и пластмасс на основе физической, геометрической и конструктивной нелинейностей, а также с учетом обмятия древесины в узлах;
• проведение численного и физического экспериментов и разработка метода расчета сетчатых куполов из дерева и пластмасс на местную устойчивость, оценка разработанного метода расчета;
• усовершенствование методов расчета на устойчивость обшивок и обрамлений трехслойных панелей купольного покрытия;
• развитие нелинейного метода расчета сетчатых деревянных куполов (в. т.ч. на общую устойчивость) с использованием комплексного эквивалентного модуля деформации - зкв, одновременно учитывающего физическую, геометрическую и конструктивную нелинейности, а также обмятие древесины в узлах;
• исследование напряженно - деформированного состояния сетчатых куполов из дерева и пластмасс в ходе численного и физического экспериментов, в т.ч. на крупномасштабных моделях, оценка разработанного метода расчета;
• оптимизация геометрической поверхности и параметров несущих элементов сетчатых куполов из дерева и пластмасс на основе численных методов;
• разработка рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования рассматриваемых покрытий.
Автор защищает:
• методологию совершенствования расчета сжато — изгибаемых деревянных элементов купольного покрытия, включающую: усовершенствованную расчетную модель и алгоритм расчета на основе физической, геометрической и конструктивной нелинейностей, новые результаты численного и физического экспериментов по исследованию деревянных сжато - изгибаемых элементов;
• новый параметр - комплексный эквивалентный модуль деформаций, позволяющий одновременно оценивать влияние физической, геометрической, конструктивной нелинейности и обмятия древесины на деформированное состояние элемента купола;
• метод расчета трехслойных треугольных панелей купольного покрытия при совместном действии изгибающего момента и продольных сил, базирующийся на результатах численного и физического экспериментов;
• расчетную модель и алгоритм расчета на местную устойчивость сетчатых куполов из дерева и пластмасс на основе физической, геометрической и конструктивной нелинейностей, а также с учетом обмятия древесины в узлах;
• метод расчета сетчатых куполов из дерева и пластмасс на местную устойчивость, разработанный на основе результатов численного и физических экспериментов;
• метод расчета сетчатых деревянных куполов на общую устойчивость с использованием разработанного комплексного модуля деформации — Ежв, одновременно учитывающего физическую, геометрическую и конструктивную нелинейности, а также обмятие древесины в узлах;
• выявленное в ходе численного и физического экспериментов, совокупное влияние различных факторов на напряженно-деформированное состояние сетчатых куполов из дерева и пластмасс;
• усовершенствованные методы расчета на устойчивость обшивок и обрамлений трехслойных панелей купольного покрытия;
• новые оптимальные многогранные поверхности и оптимальные геометрические параметры несущих элементов (ребер и панелей) купольных покрытий;
• новые конструктивные решения сетчатых куполов из дерева и пластмасс;
Достоверность результатов обусловлена физическим и численным экспериментами, а также использованием обоснованных математических моделей и методов и применением современных апробированных средств измерительной и вычислительной техники.
Научную новизну работы составляют:
• совершенствование теории сопротивления сетчатых куполов из дерева и пластмасс;
• метод расчета сжато — изгибаемых деревянных элементов купольного покрытия на основе физической, геометрической и конструктивной нелинейности, базирующийся на предлагаемой расчетной модели и новых экспериментальных данных о напряженно - деформированном состоянии таких элементов;
• метод расчета трехслойных треугольных панелей купольного покрытия при продольно - поперечном изгибе, основывающийся на новых экспериментально - теоретических данных о напряженно — деформированном состоянии панелей;
• метод расчета на местную устойчивость сетчатых куполов с учетом нелинейных зависимостей и конструктивных особенностей деревянных куполов, базирующийся на новой расчетной модели и новых экспериментальных и теоретических значениях критической нагрузки;
• метод расчета сетчатых деревянных куполов на общую устойчивость с использованием комплексного эквивалентного модуля деформации - Еэкв, учитывающего физическую, геометрическую и конструктивную нелинейности, а также обмятие древесины в узлах;
• усовершенствованные методы расчета на устойчивость обшивок и обрамлений трехслойных панелей купольного покрытия;
• оценка совокупного влияния различных факторов на напряженно- деформированное состояние сетчатых куполов из дерева из пластмасс;
• основы формообразования оптимальных многогранных поверхностей с использованием икосаэдра и оптимальные параметры несущих элементов сетчатых куполов из дерева и пластмасс;
• новые формы и конструктивные решения сетчатых куполов из дерева и пластмасс;
• рекомендации по расчету и конструированию сетчатых куполов. Практическое значение диссертации и внедрение результатов
Практическое значение работы заключается в совершенствовании процесса проектирования сетчатых куполов из дерева и пластмасс, а также в повышении надежности данных конструкций.
Разработанные методы расчета более точно описывают физическую работу сетчатых куполов из дерева и пластмасс, особенно нелинейность сопротивления отдельных несущих элементов и куполов в целом. Разработанные алгоритмы доведены до практического применения в виде компьютерных программ, использование которых позволяет получать оптимальные конструктивные решения. Новые формы и конструктивные решения сетчатых куполов снижают трудоемкость проектирования купольного покрытия на 15 - 30%, трудоемкость изготовления и монтажа - на 10 - 15% и стоимость купола в целом — на 5 — 10%.
Проведенные в диссертации исследования развивают нормативную экспериментальную базу купольных покрытий и вносят практический вклад в развитие теории пространственных конструкций.
Работа выполнена в соответствии с НИР «Разработка и внедрение высокоэффективных сборно-разборных укрытий в виде сетчатых куполов - оболочек из трехслойных панелей» шифр 22-ГМ-2, проводимой по программе сотрудничества между Министерством образования и Федеральной службой специального строительства.
Работа выполнялась в рамках межвузовской программы «Архитектура и строительство» в соответствии с НИР «Разработка новых конструктивных решений сетчатых деревянных куполов и совершенствование методов их расчета» шифр 21-ГС-4.
Результаты исследований использовались при проектировании пяти объектов с купольными покрытиями в г. Пензе и внедрены в учебный процесс.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международном конгрессе по пространственным конструкциям, проходившем в 1998 г. в Москве и неоднократно на других научно-технических конференциях международного, всероссийского и регионального уровней, проходивших в Москве, Ростове - на - Дону, Бресте, Владимире, Пензе, Чебоксарах в период с 1980 по 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 печатных работ, в т.ч. три монографии, патент, авторские свидетельства, статьи, тезисы докладов и отчеты по НИР, зарегистрированные в отделе научно — технической информации ВИНИТИ, 9 работ входят в Перечень ВАК.
В основу диссертационной работы положены теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в 1978 - 1981 гг. на кафедре металлических, деревянных и пластмассовых конструкций Ростовского ИСИ под руководством доктора технических наук, профессора Ю.В. Осетинского, а также исследования, проведенные в 1982 - 2004 гг. на кафедре инженерных конструкций (в последующем кафедра строительных конструкций) Пензенского ГУАС при научной консультации Заслуженного деятеля науки и техники РФ, члена - корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора Т.И. Барановой. Часть исследований проводилась совместно с аспирантами С.А. Толушовым, М.В. Даниловой, A.A. Кузнецовым соруководителем и научным консультантом которых являлся автор данной работы.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы из 351 наименования и приложений. Полный объем диссертации 335 страниц, включая 7 таблиц и 168 рисунков.
