Содержание к диссертации
Введение
1. Покрытия на прямоугольном плане 7
1.1. Опыт использования легких металлических конструкций в строительстве 7
1.2. Конструкция блока из мембранных панелей 16
1.3. Состояние вопроса в области теоретических и экспериментальных исследований 21
1.4. Цель и задачи исследования 28
2. Теоретические исследования работы конструкции 29
2.1. Задачи и методика исследований 29
2.2. Численные исследования работы прямоугольной мембранной паиели с центральным и эксцентричным креплением мембраны к опорному контуру 38
2.3. Численные исследования работы двускатного блока из мембранных панелей 67
3. Экспериментальные исследования модели двускатного блока из мембранных панелей 96
3.1. Задачи и методика экспериментальных исследований 96
3.2. Результаты экспериментальных исследований модели двускатного блока на равномерно распределенную нагрузку 110
3.3. Результаты экспериментальных исследований модели двускатного блока на неравномерно распределенную нагрузку 121
3.4. Сравнительный анализ экспериментальных и численных исследований модели 130
4. Рекомендации по проектированию двускатных покрытий из мембранных панелей 138
4.1. Рекомендации по расчету 138
4.2. Рекомендации по конструированию двускатных покрытий из мембранных панелей 145
4.3. Экспериментальное проектирование двускатных покрытий из мембранных панелей 150
5. Общие выводы и результаты 162
Библиографический список 165
- Конструкция блока из мембранных панелей
- Численные исследования работы прямоугольной мембранной паиели с центральным и эксцентричным креплением мембраны к опорному контуру
- Результаты экспериментальных исследований модели двускатного блока на равномерно распределенную нагрузку
- Рекомендации по конструированию двускатных покрытий из мембранных панелей
Введение к работе
Важнейшими задачами в области строительства является повышение эффективности капитальных вложений, снижение стоимости изготовления и монтажа зданий и сооружений, уменьшение их материалоемкости. Этому способствует применение легких металлических конструкций, к которым относятся и покрытия с применением мембран, представляющих систему, состоящую из тонкого металлического листа, закрепленного на контуре.
Эффективность мембранных покрытий определяется максимальным использованием прочностных свойств металла, совмещением несущих и ограждающих функций, индустриальностью, за счет применения рулонных полотнищ заводского изготовления, высокой технологичностью монтажа, что позволяет сократить сроки строительства, относительно малой трудоемкостью, благодаря уменьшению веса конструкции и снижению до минимума количества конструктивных элементов, малой строительной высотой. Локальные повреждения конструкций такого типа менее опасны по сравнению с традиционными конструкциями. Отмеченные достоинства служат предпосылкой широкого применения мембран в строительстве различных типов зданий.
До настоящего времени мембранные системы применялись в основном для большепролетных и уникальных зданий. Однако в ряде работ [28, 31, 103] показано, что эти конструкции рационально применять и в массовом строительстве.
В промышленном и сельскохозяйственном строительстве наиболее распространены здания с пролетами 12 + 30 м с шагом колонн 6 12 м. Здания с такими же параметрами широко используются в гражданском строительстве: физкультурно-оздоровительные комплексы, магазины, крытые рынки и.т.п. Для таких зданий может быть использована конструкция в форме двускатного блока, составленного из мембранных панелей, объединенных затяжкой или шпренгельной системой . Мембранная панель представляет собой тонкий металлический лист, закрепленный на плоском квадратном или прямоугольном контуре из прокатных элементов, непосредственно к верхней или нижней полке опорного контура. К ним относятся наружный водоотвод с покрытия, применение обычных прокатных профилей для контурных элементов, транспортабельность, возможность организации производства вблизи мест строительства. Конструкция двускатного блока может быть применена в производственных зданиях с подвесным и мостовым крановым оборудованием. Эксцентричное крепление мембраны к опорному контуру позволяет уменьшить в ней усилия и перемещения.
Однако массовое внедрение данной конструкции сдерживается рядом причин в т.ч. недостаточно глубоким знанием действительной работы, отсутствием методики расчета и нормативно-технической документации по проектированию. Все это определяет актуальность работы.
Целью диссертационной работы - является разработка инженерной методики расчета и рекомендаций по проектированию покрытий в форме двускатного блока из мембранных панелей на основе экспериментально-теоретических исследований их напряженно-деформированного состояния.
Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту:
- результаты численных исследований прямоугольных в плане мембранных панелей с соотношением сторон 1-4.6 с учетом эксцентричного крепления мембраны к контуру из тонкостенных элементов открытого сечения;
- результаты численных исследований статической работы двускатного покрытия из мембранных панелей с учетом его конструктивных особенностей при действии равномерной и неравномерной нагрузок;
- результаты экспериментальных исследований модели двускатного блока при различных схемах нагружения;
- приближенная методика расчета прямоугольных мембранных панелей и двускатных покрытий из мембранных панелей;
- результаты экспериментального проектирования.
Практическое значение и реализация. Результаты экспериментально- теоретических исследований использованы при разработке проекта и возведении крытого зернотока в Белгородской области шириной 48 м (4x12 м) и длиной 60 м; опытного неотапливаемого склада в г. Апатиты Мурманской области (Мончегорский отдел ЦНИИПроектлегконструкция; рабочие чертежи, шифр 903308-КМ1, 903308-КМ2). В ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко разработаны проектные решения конструкции двускатного блока для крановых и бескрановых производственных зданий пролетом 18 36 м с шагом колонн 6 12 м и уклоном 15 30%.
Аппробация работы. Основные результаты работы докладывались на четвертой международной конференции "Металлостроительная индустрия XXI века. .Мировой опыт и возможности для России, а также на заседании научно- технической секции лаборатории металлических конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и опубликованы в статьях:
-"Экспериментальные исследования модели двускатного блока, состоящего из мембранных панелей" // Строительная механика и расчет сооружений. - 2006 - №2 -с. 53-57;
- "Численные исследования работы мембранных панелей в составе двускатного блока" // Строительная механика и расчет сооружений. - 2008 - №3 - с. 69-75;
- "Численные исследования работы прямоугольных мембранных панелей" // Строительная механика и расчет сооружений. - 2008 - №4 - с. 53-62;
- "Двускатные покрытия из мембранных панелей У/Промышленное и гражданское строительство. — 2009 - №6 - с. 53-55.
Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы; изложена на 174 страницах текста, содержит 60 рисунков, 11 таблиц. Список литературы содержит 121 наименование работ.
Работа выполнена в лаборатории металлических конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, под руководством д.т.н., проф., Еремеева П.Г.
Конструкция блока из мембранных панелей
Одним из преимуществ мембранных систем является совмещение как несущих, так и ограждающих функций. Наиболее рационально применять мембранные покрытия на круглом или овальном планах [4-6, 9, 31, 32, 39, 49, 54-57, 59, 65, 67-69, 75, 78, 79, 83, 89, 95, 98, 100-105, 107-112], что не отвечает архитектурно планировочным требованиям ряда зданий.
Тонколистовые системы, составленные из прямоугольных или квадратных мембранных панелей, являются наиболее простыми с точки зрения формообразования конструкции, ее изготовления и монтажа. Из мембранных панелей можно составить как плоские односкатные или шедовые покрытия, так и двускатные покрытия на квадратном или прямоугольном планах, наиболее часто применяемые в массовом строительстве.
Мембранная панель состоит из стального металлического листа, закрепленного на замкнутом опорном контуре. В углах панели устанавливаются распорки одинакового сечения с контурными элементами. Материал мембраны и опорного контура - малоуглеродистая или низколегированная сталь.
Достаточно просто выполняется прикрепление мембраны к бортовому элементу. Тонкий металлический лист присоединяется к нижней или к верхней полке двутаврового или швеллерного контурного элемента, сплошным угловым швом или с помощью точек проплавления. Возможные варианты крепления - дюбелями или на высокопрочных болтах. Элементы опорного контура соединяются в замкнутую раму на сварке или на болтах.
Двускатный блок является одной из форм конструкций, получаемых с помощью мембранных панелей. Квадратные или прямоугольные мембранные панели расположены под углом друг к другу и объединяются в единую систему при помощи узловых соединений, затяжек или пространственного шпренгеля.
Стабилизация мембранного покрытия двускатного блока, в большинстве случаев осуществляется собственным весом блока и весом кровли, что по величине превышает ветровой отсос. Для зданий с холодной кровлей необходимы мероприятия по обеспечению стабилизации мембранного покрытия.
Опирание блока на колонны осуществляется по четырем углам с жестким или шарнирным сопряжением. Соединение панелей между собой выполняется жестким только в углах. Колонны, поддерживающие покрытие, жестко защемляются в фундаменте.
По данным ЦНИИПромзданий [76] в массовом строительстве наибольшее применение находят здания с пролетами 18 и 24 м с шагом колонн 6 или 12 м. Вследствие этого, предлагаемая конструкция выполнена в виде модуля с размерами в плане 18x6 м из прямоугольных панелей 9x6 м. Другой вариант конструкции - модуль с размерами в плане 24x12 м из квадратных панелей 12x12 м.
Для зданий с теплой кровлей при отсутствии кранового оборудования используется двускатный блок, в котором панели объединяются при помощи двух прямолинейных затяжек (рис. 1.2 а, б). Стабилизация мембраны обеспечивается собственным весом кровли, превышающим величииу ветрового отсоса.
Для бескрановых зданий с холодной кровлей объединение панелей в блок 24x12 м осуществляется с помощью ломаной затяжки, состоящей из двух прямолинейных элементов, расположенных с шагом 6 м длиной 18 м и четырех элементов, соединяющих концы прямолинейных участков с углами панелей и передающих в них усилия распора (рис. 1.3 а). Ломаная затяжка блока 18x6 м отличается от предыдущего варианта одним прямолинейным элементом (рис. 1.3 б). Стабилизация мембраны в этих схемах осуществляется ее подтяжкой к ломаной затяжке тяжами. Для блока 24x12 м их количество равно восьми, а для блока 18x6 м - двум.
Перспективные схемы двускатных блоков для зданий с холодной кровлей и подвесными кранами изображены на рис. 1.3 в и 1.3 г. Объединение панелей в блок осуществляется шпренгельной системой, к которой с помощью тяжей подтягивается мембрана. Здесь шпренгельная система совместно с тяжом обеспечивает восприятие крановых нагрузок и стабилизирует мембрану.
Численные исследования работы прямоугольной мембранной паиели с центральным и эксцентричным креплением мембраны к опорному контуру
Численные исследования проведены в несколько этапов. На первом этапе исследовано НДС мембранных панелей с различным соотношением размеров короткой (2Ь) и длинной (2а) сторон - (а/b принималось равным 1; 1,33; 1,5; 1,6). Приняв 12 м за базовый размер длинной стороны, получим соответственно размеры коротких сторон панели - 9; 8 и 7,5 м.
Для выявления «механизма» распределения усилий и перемещений в панели с центральным креплением мембраны к контуру проведены исследования с указанными соотношениями сторон панелей, толщиной мембраны t = 0,15 мм и опорным контуром из широкополочного двутавра 140Б1 по ГОСТ 26020-83. Это соответствует относительной жесткости контура на изгиб п =2,206 х 10"5 и относительной продольной жесткости к =0,681.
При проведении анализа использованы относительные величины компонентов НДС: где M, N - изгибающий момент и продольное усилие в контуре; w - прогиб мембраны; vK - прогиб опорного контура; ик, им - горизонтальные перемещения опорного контура и кромки мембраны; а - половина длинного контурного элемента; о, т - нормальные и касательные напряжения в мембране; Е, t — модуль упругости, толщина мембраны.
Как отмечено в [32 ,74], особенности работы квадратной мембраны с гибким контуром определяется, в основном, неравномерными перемещениями кромки мембраны. Горизонтальные перемещения увеличиваются от углов контура к его середине, что приводит к перераспределению нормальных усилий по кромке мембраны: в углах панели (в местах примыкания распорки к контуру) эти усилия максимальны, а в середине - стремятся к нулю.
В прямоугольной панели контур выполнен из одинаковых профилей и вследствие разной длины контурные элементы обладают различной погонной жесткостью пропорциональной отношению а/Ь. Эпюры нормальных напряжений по кромке мембраны вдоль длинной и короткой сторон показаны на рис. 2.5 а, б. С уменьшением длины контурного элемента нормальные напряжения вдоль короткой кромки мембраны распределяются следующим образом: в местах примыкания контура к распорке (далее опорных сечениях) они не сильно изменяются и сохраняют максимальное значение, а в пролете стремятся к нулю. Характер распределения нормальных напряжений вдоль длинной стороны опорного контура аналогичен квадратной мембранной панели. Интенсивность нормальных напряжений у длинной кромки мембраны с ростом соотношения а/Ь, падает. Нормальные напряжения по короткой кромке имеют большую величину по сравнению с длинной.
Эпюры горизонтальных перемещений контура (рис.2.5 в, г), объясняют характер распределения нормальных усилий, передающихся с тонкого металлического листа на контурные элементы. Горизонтальные перемещения кромки мембраны у короткого элемента меньше, чем у длинного. С ростом соотношения а/Ь перемещения длинного элемента контура возрастают, а короткого - уменьшаются. Максимальные горизонтальные перемещения находятся в середине пролета контурных элементов. Перемещения длинного контурного элемента, как более податливого больше, чем короткого. Эта разница находится в пределах 30 60%. Здесь меньшая величина соответствует прямоугольной мембранной панели с соотношением а/Ь = 1,33, а большая - с соотношением а/Ь = 1,6.
Неравномерные горизонтальные перемещения кромки мембраны являются причиной возникновения в ней касательных напряжений (рис. 2.5 д, е). Их величина зависит от кривизны линии перемещений кромки мембраны. Эти напряжения имеют большую величину у длинного элемента, чем у короткого. Увеличение а/Ь приводит к росту касательных напряжений по длинной кромке мембраны и к весьма незначительному уменьшению по короткой.
Результаты экспериментальных исследований модели двускатного блока на равномерно распределенную нагрузку
Задачей первого этапа исследований было выявление действительной работы блока при равномерно распределенной нагрузке. Загружение модели осуществлялось равными порциями в пять этапов. Вид модели на последнем этапе показан на рис. 3.13.
Первоначальный прогиб мембраны после укладки распределительной резины составил 5 мм, что составило 1/120 большей стороны контура мембранной панели. После приложения нагрузки первого этапа мембрана натянулась, в ней появились растягивающие усилия. На третьем этапе нагружения в углах панелей образовались складки длиной 10 15 см и высотой 2- 3 мм, имеющие направление от граней жестких призм к центру панелей. На последующих этапах размеры складок не изменились.
На графиках и далее в тексте положительным считается вертикальный прогиб, направленный вниз, горизонтальное перемещение - к центру мембранной панели и угол поворота сечения контура, при котором верхняя полка движется к центру панели, а нижняя от него.
С увеличением нагрузки наблюдался рост прогибов в центре мембранных панелей, составляющих двускатный блок. Отметим, что увеличение прогиба на первом этапе нагружения было наибольшим на последующих этапах его рост уменьшался, зависимость прогиба от нагрузки имела нелинейный характер.
Характер изменения прогибов в пролетных сечениях бортового, карнизного и конькового элементов модели показан на рис. 3.14. Наименьшие их значения зафиксированы в середине карнизного элемента. Они изменялись от 5 мм на первом этапе загружения и до 8,4 мм на последнем пятом этапе. Прогибы в пролете бортового элемента отличались от карнизного в 2,3 2,7 раза. При полной нагрузке на модель прогиб достиг 1,14 мм. Наибольший прогиб зафиксирован в середине конькового элемента (1,55 мм), что больше, чем в бортовом-на 35%. Зависимость прогиба от нагрузки для карнизного элемента Рис. 3.13. Вид модели, загруженной равномерной нагрузкой (5 этап)
Рис. 3.14 Зависимости расчетных и экспериментальных результатов деформированного состояния (\ -прогибов; и-горизонтальных перемещений; ср- углов поворота) от равномерной нагрузки имеет слабую нелинейность и линейный характер для бортового и конькового элементов блока (см. рис. 3.14). В замковом сечении двускатного блока с ростом нагрузки прогибы росли по линейной зависимости до величины 1,26 мм (см. рис. 3.14).
Характер изменения горизонтальных перемещений от нагрузки имеет нелинейный вид, причем для бортового элемента отмечено монотонное возрастание зависимости с наибольшим значением равным 0,46 мм. Для карнизного элемента - зависимость перемещение — нагрузка до окончания 2 этапа нагруже- ния носила возрастающий характер, после третьего - рост остановился, а затем величина горизонтального перемещения убывала (см. рис. 3.14). Это объясняется тем, что суммарное горизонтальное перемещение оси контура складывается из двух составляющих - собственно горизонтальных перемещений и перемещений, связанных с поворотом сечения при кручении опорного контура, которые в случае крепления мембраны к контуру выше его нейтральной оси имеют противоположные друг к другу знаки.
С ростом нагрузки углы поворота растут. Характер их зависимости от нагрузки - нелинейный, причем нагрузка опережает рост углов поворота. Направление угла поворота контура характеризуется смещением верхней полки внутрь мембранной панели, а нижней - наружу. В карнизном элементе ее величина больше, чем в бортовом. Их разность увеличивается от 1,47 раз на первом этапе и до 1,57 - на последнем этапе загружения. Максимальная величина угла поворота для бортового элемента составила 0,38, а для карнизного - 0,59.
Экспериментально получены относительные деформации в расчетных сечениях элементов модели блока, а также соответствующие им напряжения. Изменение напряжений на каждом этапе нагружения в крайних волокнах сечений и внутренние усилия, представлены в таблице 3.1.
Рекомендации по конструированию двускатных покрытий из мембранных панелей
Рекомендации разработаны на основании экспериментально-теоретических исследований и опытного проектирования, выполненных в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко с участием автора.
Двускатный блок состоит из мембранных панелей объединенных узловыми элементами, затяжками или шпренгельной системой, опертых на колонны только в углах покрытия. Прямоугольная или квадратная в плане мембранная панель является основным укрупнительным элементом двускатного блока. Панель, состоящая из замкнутого опорного контура с эксцентрично прикрепленной к нему мембраной, собирается на земле. Опорный контур выполняется из тонкостенных прокатных профилей швеллерного или двутаврового сечения. Объединение двух панелей в блок осуществляется различными способами. В случае теплой кровли - двумя прямолинейными затяжками (см. рис. 1.2 а, б), а в не отапливаемых зданиях - ломаной затяжкой, состоящей из 2-х прямолинейных элементов для блока 24x12 м (рис. 1.3 а) или одного - для блока 18x6 м (рис. 1.3 б) и четырех элементов, соединяющих концы прямолинейных элементов с углами блока. При использовании подвесных кранов перспективной схемой является блок, в котором применена шпренгельная система (рис. 1.3 в, г). Кроме того, панели объединяются в блок в углах, образуя коньковый узел с жестким соединением смежных коньковых элементов. Рекомендуется применение фланцевых соединений, либо вертикальных и горизонтальных накладок на сварке или болтах (рис. 4.1).
Пролетная конструкция состоит из тонкого металлического листа (мембраны). Лист мембраны необходимой ширины изготавливается на заводе и доставляется на строительную площадку в рулонах. Максимальная ширина рулонов достигает 12 метров, что позволяет перекрывать панель одним листом, не укрупняя его. Длина мембраны равна пролету панели. В заводских условиях мембранный лист необходимой ширины может быть получен разрезкой по прямолинейным образующим тонкостенных труб большого диаметра, изготавливаемых из металлических лент спирально - навивным методом, свариваемых дуговой автоматической сваркой в среде углекислого газа токами высокой частоты [32, 59]. Толщина мембраны назначается из условия восприятия максимальных растягивающих напряжений при обеспечении надежной защиты от коррозии. Для мембраны рекомендуется применять малоуглеродистые (С255 по ГОСТ 27772-88) или низколегированные (С345 по ГОСТ 27772-88) стали с нанесением защитного антикоррозионного покрытия. Перспективно использовать атмосферостойкую сталь 10ХНДП, которая характеризуются образованием на мембране тонкой коррозионной поверхностной пленки, являющейся преградой от проникновения коррозии внутрь материала.
Стабилизация мембранной оболочки осуществляется в зданиях с теплой кровлей ее собственным весом, превышающим ветровой отсос, а в случае не отапливаемого здания подтяжкой мембранного листа с помощью вертикальных тяжей, прикрепляемых одной стороной к мембране, а другой к элементам затяжки или шпренгельной системы двускатного блока (см. рис. 1.2, 1.3).
В пролетной конструкции возможно устройство проемов для установки зенитных фонарей, пропуска коммуникаций, подвески технологического оборудования. Проемы обрамляются листом, расположенным в плоскости мембраны и имеющим площадь поперечного сечения не менее половины площади ослабления. Технологическое оборудование, при его необходимости, устанавливается на гибких подвесках, прикрепленных непосредственно к мембране с использованием распределительных шайб.
Опорный контур мембранной панели выполняется из прокатных тонкостенных элементов швеллерного и двутаврового профиля без промежуточных монтажных стыков заводского изготовления. Контурные элементы рекомендуется выполнять из малоуглеродистых (С255), либо низколегированных (С345) сталей по ГОСТ-27772-88.
Металлический мембранный лист прикрепляется непосредственно к верхней или нижней полке опорного контура сплошным угловым швом, либо точками проплавления.
Колонны, на которые устанавливается собранный двускатный блок, изготавливаются из широкополочных двутавров. Материал колонн - сталь С245, С255 или С345 по ГОСТ 27778-88. Опирание колонн на фундаменты - жесткое.
Опорный контур, как для отдельной панели, так и в составе двускатного блока находится в сложном напряженном состоянии, которое включает сжатие, изгиб в двух плоскостях и стесненное кручение. Проверка его прочности для панели осуществляется в пролетном сечении и в месте примыкания распорок. В случае двускатного блока из мембранных панелей несущая способность бортовых элементов проверяется в пяти сечениях: замковом и карнизном узлах; местах примыкания распорок у конькового и карнизного элементов; в пролете элемента. Несущую способность конькового и карнизного элементов следует проверять в опорном и пролетном сечениях.
Затяжка как прямолинейная, так и ломаная может быть выполнена из арматуры класса А-1 (рис.4.9а) или прокатных элементов, образующих сечение, обладающее симметрией в двух главных плоскостях. Присоединение затяжки к контуру выполняется шарнирным. Узлы ломаной затяжки могут быть выполнены на сварке или болтах при помощи фасонок таврового сечения, что позволяет выполнить сложный узел из горизонтальных и вертикальных элементов (затяжки и стабилизирующего тяжа). Проверка прочности затяжки осуществляется на возникающее в ней усилие растяжения.
Стабилизирующие тяжи, прикрепляемые одним концом к мембране, а другим к шпренгельной системе, или системе затяжек могут быть выполнены из арматуры класса А-1 и рассчитаны на сосредоточеное усилие предварительного напряжения и на часть усилия от ветрового отсоса, приходящегося на данный тяж. Его верхний конец, примыкающий к мембране, должен быть снабжен резьбой с гайкой и шайбой для регулировки величины усилия натяжения (рис. 4.6).
Сборка двускатного блока осуществляется па подмостях или стенде, обеспечивающих заданный угол наклона панелей к горизонту. Собранный блок устанавливается при помощи кранов, домкратов или подъемников на колонны.
Монтаж двускатных мембранных блоков рекомендуется производить кон- вейерно-блочным методом, что позволяет сократить сроки возведения здания до 40%. В этом случае блок собирается на общестроительном конвейере до полной готовности и подается электролебедками к месту монтажа. Установка блоков в проектное положение осуществляется специальным установщиком.
Монтаж блока возможен и на проектной отметке, с использованием временных стоек.
Покрытия с применением в качестве несущей конструкции стальных мембран допускаются к эксплуатации без специальных мероприятий по огнезащите с пределом огнестойкости до 0,8 часа [71].
Защиту мембранных покрытий от коррозии следует выполнять в соответствии с требованиями главы СНиП 2.03-11-85 "Защита строительных конструкций от коррозии" в зависимости от степени агрессивности внутренней и наружной среды. В нахлесточных соединениях примыкания мембраны к контуру необходима герметизация щели между мембраной и поясом контура для предотвращения щелевой коррозии.
