Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка методики расчета стержневых элементов пологого сетчатого купола, выполненного из клееной армированной древесины Таскин Иван Александрович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Таскин Иван Александрович. Разработка методики расчета стержневых элементов пологого сетчатого купола, выполненного из клееной армированной древесины: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.23.01 / Таскин Иван Александрович;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»], 2018.- 133 с.

Введение к работе

Актуальность работы. В инженерных расчетах стержневых сетчатых куполов, конструктивная схема которых представляет стержневой каркас, наиболее широкое применение находят безмоментная и моментная теории расчета оболочек. При расчете по данным методикам ребра заменяются сплошным аналогом и рассчитываются усилия в оболочке, затем происходит обратный переход к стержневой системе и рассчитываются продольные усилия в ребрах. Эффективность применения таких теорий подтверждена исследованиями и практическими испытаниями купольных конструкций. Отметим, что основное преимущество моментной теории – определение усилий в краевых зонах оболочки. При расчете по моментной и безмоментной теориям пологого сферического купола, конструктивная схема которого представляет стержневой каркас, жестко соединенный с настилом и опертым на опорное кольцо, возникают следующие проблемы:

-эпюра давления снеговой несимметричной нагрузки существенно отличается от новых требований СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»;

невозможно учесть работу сплошного настила, соединенного с ребрами;

отсутствует методика расчета изгибающих моментов в ребрах с учетом работы прогонов и опорного кольца;

Причины, по которым невозможно учесть данные факторы – ряд допущений моментной и безмоментной теории:

предполагается, что купольная система состоит только из равносторонних (или близких к ним) треугольных ячеек, между которыми нет прогонов;

методика замены стержневых элементов купола на сплошной аналог не представляет вариантов расчета при рассмотрении двухслойных систем (один слой ребра, другой – сплошной настил);

отсутствует связь между изгибающими моментами в сплошном аналоге, полученными при расчете краевых зон по моментной теории и изгибающими моментами в стержнях купола.

Многими авторами и исследовательскими институтами решались вопросы, связанные с расчетами сетчатых сферических куполов. ЦНИИЭП имени Б.С. Мезенцева в 1989 г. разработал правила проектирования и расчета ребристых сферических куполов. Институт выпустил рекомендации по типам куполов, их конструктивным схемам, расчетным нагрузкам, методам расчета и проектирования отдельных элементов куполов. Однако, в виду недостаточности изученности вопроса о совместной работе ребер и настила, последний задавался как нагрузка, прикладываемая к ребрам купола.

Вопросы о формообразовании и расчете усилий в ребрах купола, в том числе из клееной древесины решались следующими учеными: В. Д. Антошкиным, Д. В. Вайнбергом, А. А. Журавлевым, О. А. Киселевой, К. Клеппелем, Н. Кхотом, Б. В. Миряевым, И. В. Молевым, С.А. Толушовым, В. И. Туром, В. Г. Чудновским, А. С. Шеховцовым, В. П. Ярцевыми др.

Большой вклад в изучение основных несущих пространственных конструкций из клееной древесины и узлов, в том числе и с учетом нелинейной

работы материала, внесли В. Г. Котлов, А. К. Наумов, А. А. Погорельцев, К. П. Пятикрестовский, С.И. Рощина, С. Б. Турковский, и т.д.

Существует и другая проблема – наша страна является первой в мире по количеству лесных площадей, которые занимают почти половину территории России - примерно 12,3 млн. км2. Деловую древесину необходимо использовать. За рубежом имеется практика применения клееной древесины в качестве несущих элементов сетчатых куполов. Например, пологий сетчатый купол в г. Оулу (Финляндия) имеет диаметр основания 115 метров и высоту 25 метров. В качестве несущих элементов ребер использована клееная древесина с размерами поперечного сечения 700х148 мм.

С начала XX века и, особенно с 60-70 годов, разрабатывалась теория использования элементов армирования в клееной древесине следующими учеными: А. Я. Козулиным, В. Д. Ли, И. М. Линьковым, С. И. Рощиной, Е. А. Смирновым, В. М. Соротокиным, Л. С. Чеботаревой, В. Ю. Щуко, С. А. Щуко и др. Вопросы, связанные с учетом фактора времени и особенностей перераспределения напряжений в армированных сечениях, решались Ф. П. Белянкиным, И. И. Гольденблатом, Ю. М. Ивановой, В. Г. Ленновым, В. Б. Касаткиным и др. Армированные деревянные конструкции по сравнению с традиционными клееными более эффективны, обладают более высокими прочностными и жесткостными показателями, меньшим расходом древесины (на 14 - 35%), меньшим монтажным весом (на 10 – 28%), меньшими габаритами.

Данная работа посвящена разработке методики расчета стержневых элементов пологого сетчатого купола, выполненного из клееной армированной древесины, на три вида статической нагрузки (симметричной, несимметричной, сосредоточенной), с учетом влияния составляющих его конструктивных элементов (прогонов, настила, соединенного с ребрами по всей длине, опорного кольца, размеров треугольных ячеек).

Степень разработанности избранной темы. Расчеты стержневых куполов тесно связаны с расчетами куполов-оболочек. Многими зарубежными и отечественными исследователями: Е. Антонино, З. Болле, В. З. Власовым, А. Л. Гольденвейзером, Е. Мейсснером, В. В. Новожиловым, В. М. Никиреевым, П. Л Пастернаком, Г. Рейсснером,В. М. Шадурским, Э. Швериным, И. Я. Штаерманом и др. разрабатывались теории расчета сферических оболочек. Имеются методики и результаты исследований стержневых элементов купола, в том числе из клееной древесины. Однако, во всех вышеперечисленных трудах (авторов см. выше) не рассматривались купола, имеющие двухслойную схему (один слой ребра, другой – настил). Не рассматривались вопросы влияния жесткости опорного кольца на усилия в ребрах купола и прогонах. В теориях расчета клееных армированных деревянных конструкций, а также их узлов (см. авторов выше), рассматривались вопросы о совместной работе древесины со стальными элементами. Д анный вопрос рассмотрен достаточно глубоко, что позволяет использовать разработки применительно к расчету стержневых элементов сетчатого купола из армированной древесины.

Цель диссертации состоит в разработке инженерных методов расчета конструктивных элементов пологих сетчатых куполов с несущими элементами из

клееной армированной древесины с учетом совместной работы настила и ребер, жесткости опорного кольца и прогонов, согласованных с результатами физических испытаний и численных исследований методами конечных элементов в прикладной среде ЛИРА-САПР.

В соответствии с этой целью решались следующие задачи:

1. Составить расчетные схемы пологих купольных систем различного
конструктивного исполнения в прикладной среде ПК ЛИРА-САПР со следующими
параметрами:

радиус опорного кольца (Lоп = 54.5, 109, 218 м.),

жесткость опорного кольца (/ = /kреб = 0, 0.85, 3.41, 13.63, 54.5, 218, ),

жесткость ребер и прогонов (kреб = kпрог = 13.4, 50, 100),

дискретность купола (m = 1.26, 5.06, 7.9, 14.0),

- модуль упругости стержней и настила, моделирующих работу
армированной древесины и настила из фанеры (E = 10000 МПа),

определить степень влияния исследуемых параметров на продольные усилия и изгибающие моменты в стержневых элементах купола от трех видов нагрузки – симметричной, несимметричной, сосредоточенной, приложенной к центру (обозначение величин см. ниже в описании глав).

  1. Разработать методику замены ребер сетки купола на сплошной аналог для представления двухслойной системы купола однослойным аналогом, позволяющим определить величины распределения усилий между ребрами и настилом.

  2. Оценить влияние варьируемых факторов на жесткость всей купольной системы.

  3. Разработать методику статических испытаний фрагмента сетчатого купола – шестигранной ячейки, выполненную в трех вариантах исполнения:

армированные ребра из древесины,

армированные ребра с прогонами из древесины,

армированные ребра с прогонами из древесины и настилом из фанеры, на три вида нагрузки (симметричную, не симметричную, сосредоточенную,

приложенную к центру), позволяющую исследовать напряженно-деформированное состояние армированных деревянных элементов и сравнить результаты с численными расчетами в среде ПК ЛИРА-САПР.

5. На основании полученных данных численного и натурного эксперимента,
а также методики замены ребер сплошным аналогом, разработать методику расчета
стержневых элементов купольной конструкции, состоящей из армированных ребер
из клееной древесины, прогонов, опорного кольца и настила из фанеры на три вида
нагрузки (симметричная, не симметричная, сосредоточенная, приложенная к
центру).

6. Оценить адекватность полученных значений усилий в стержневых
элементах купола, вычисленных по выведенным формулам с результатами
безмоментной теории и результатами расчетов конструкций на ПК ЛИРА-САПР.

Научная новизна.

  1. Разработана методика расчета несущих стержневых элементов пологого сетчатого купола из клееной армированной древесины (ребер и прогонов) с учетом работы настила, жесткости опорного кольца, прогонов, дискретности оболочки, что позволяет более точно определить максимальные продольные усилия и изгибающие моменты в ребрах, нежели при расчетах по безмоментной теории.

  2. Разработана методика замены ребер сетки купола на сплошной аналог, позволяющая определить долю включения настила в работу стержневого каркаса.

  3. Разработана новая конструкция узла сопряжения армированных ребер из клееной древесины (с использованием арматурных стержней с резьбой).

Теоретическая и практическая значимость работы.

Предложенная методика расчета пологого сетчатого купола позволила определить отклик исследуемых величин (продольное усилие N и изгибающий момент M) от параметров купола (дискретность, жесткость опорного кольца, настила, прогонов, ребер).

Полученные закономерности напряженно-деформированного состояния элементов купола могут быть использованы проектировщиками при расчете стержневых элементов сферического купола на статическую нагрузку (собственный вес, снеговая симметричная и несимметричная, узловая сосредоточенная в центре купола).

Проведено исследование модели сферического купола по авторской методике с целью выявления величины жесткости системы и выведены формулы для нахождения потенциальной энергии внешних сил в зависимости от исследуемых параметров. На основании полученных данных была разработана методика по замене стержневого каркаса на аналогичную сферическую оболочку равной жесткости. Полученные данные позволили определить степень включения настила в работу ребер купола в зависимости от вида соединения настила с ребрами (жесткое с закреплением всех степеней свободы (X, Y, Z, uX, uY, uZ) или с закреплением трех степеней (X, Y, Z)). Наиболее эффективно настил включается в работу ребер, когда коэффициент дискретности и показатель k высоки (m, k> 5).

Установлено, что купол можно считать жестко опертым по контуру, если соотношение реб/kреб 14. Определяющим фактором при учете настила является отношение параметров k/kреб, а также отношение реб/kреб.

Полученные результаты и разработанная методика расчета элементов купола используются в учебном процессе студентов, магистров и аспирантов кафедры «СК и СП» ФГБОУ УрГУПС по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс» и подробно изложены в методическом пособии «Пологий сетчатый купол из армированной клееной древесины, расчет элементов купола».

Методология и методы научного исследования.

Методологические приемы теоретических исследований основаны на использовании методов конечных элементов, реализуемых в прикладной среде ПК ЛИРА-САПР, позволяющей вычислять перемещения в узлах и усилия в элементах купола с жесткостными и геометрическими параметрами, соотносящимися с реальной конструкцией, а также использовании методов классической механики с

целью определения усилий в стержнях сетчатого купола и потенциальной работы внешних сил, прикладываемых к куполу.

Объектом исследования является пологий сетчатый купол из клееной армированной древесины.

Предмет исследования – методика расчета усилий в стержневых элементах купола, состоящего из клееной армированной древесины с настилом из фанеры.

Положения, выносимые на защиту:

1.Разработаннаяметодика расчета усилий в несущих стержневых элементах купола с учетом работы настила, опорного кольца, прогонов, дискретности оболочки.

2. Сравнение результатов расчета усилий в ребрах пологого сетчатого купола
из клееной армированной древесины с настилом из фанеры различных вариантов
исполнения по разработанной автором методике с расчетами методом конечных
элементов на ПК ЛИРА-САПР и безмоментной теории.

3. Результаты статических испытаний шестигранной ячейки купола на
действие симметричной, несимметричной, сосредоточенной нагрузок и их
сравнение с результатами расчета в прикладной среде ПК ЛИРА-САПР.

Апробация результатов.

Основные положения диссертации представлены на заседаниях кафедры строительного факультета УрГУПС в 2013 – 2018 годах, на всероссийской научно-технической конференции «Транспорт Урала», Уральский Государственный университет Путей Сообщения, Екатеринбург, 2013 г., на конференции в ПГТУ в 2018 году, а также на VII-ой Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы современной науки». Москва, 2016.

Достоверность результатов и выводов диссертационного исследования.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в основе выводимых формул классических методов расчета усилий в стержневых элементах купола и сравнением полученных значений со значениями, которые рассчитывались по методу конечных элементов, реализованного в ПК ЛИРА-САПР, сопоставимых с результатами статических испытаний с использованием прошедших метрологическую проверку измерительных приборов и испытательного оборудования.

Личный вклад автора состоит в выборе объектов и методов исследования, в разработке программ и проведении теоретических поисков, составления математических зависимостей усилий в ребрах купола, зависимых от прикладываемых нагрузок и факторов, влияющих на расчет (опорное кольцо, настил, прогоны), и экспериментальных исследований, обобщении и анализе полученных результатов, организации и опытной апробации результатов работы.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них 4 в изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов изданий, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент № 2476648 "Сетчатый деревянный купол".

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста. Она состоит из введения, четырех основных глав,

заключения, списка литературы, приложений. В работе содержится 65 иллюстраций, 20 таблиц, 113 формул, 9 страниц приложений. Библиографический список включает 105 наименований.

Работа выполнена в соответствии с паспортом специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»: п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций, наиболее полно учитывающих специфику воздействий на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности».

Автор выражает глубокую благодарность всему коллективу кафедры «Строительные конструкции и строительное производство» Уральского Государственного Университета Путей Сообщения, а также Пасынкову Борису Петровичу, Ягофарову Хабиду Михайловичу за ценные советы и помощь при подготовке данной работы.