Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 13
Глава 2. Теоретические основы исследований пространственных деревянных конструкций на длительные нагрузки 29
2.1. Метод интегральных оценок. Особенности применения 29
2.1.1. Общие положения 29
2.2. Обоснование зависимостей между напряжениями и деформациями. Аппроксимация экспериментальных кривых 35
2.3. Длительное деформирование древесины. Длительная прочность. Длительный и интегральный модуль деформации 37
2.4. Применение критериев прочности анизотропных материалов при расчете настилов и обшивок, находящихся в сложном напряженном состоянии 48
2.5. Расчет соединений между элементами оболочек методом предельного равновесия на основе сдвиговой формы разрушения
Выводы по главе 2 54
Глава 3. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния шатрового покрытия 60
3.1. Описание конструкции модели 60
3.2. Схемы нагружения модели покрытия 64
3.3. Напряженно-деформированное состояние обшивок покрытия... 65
3.4. Анализ деформированного состояния покрытия в режиме длительного ступенчатого нагружения 67
3.5. Анализ напряженного состояния системы рёбер в режиме ступенчатого длительного нагружения 72
3.6. Напряжённо-деформированное состояние обшивок покрытия... 78
3.7. Анализ процесса перераспределения усилий в оболочке 80
3.8. Численные исследования напряженно-деформированного состояния шатровой оболочки из клееной древесины и фанеры 83
3.8.1. Описание принятой расчетной модели конструкции и нагрузок на оболочку 84
3.8.2. Методика расчета 87
3.8.3. Результаты расчетных исследований в режиме эксперимента и их анализ 90
3.8.4. Анализ напряженного состояния обшивок 91
3.8.5. Влияние различных факторов на напряженно-деформированное состояние оболочки 96
3.8.6. Рекомендации по расчету купольного покрытия. Применение предложенной методики 110
3.8.7. Методика расчетного исследования новых конструкций Выводы по главе 3 110
Глава 4. Экспериментальные и теоретические исследования модели пролётного строения галереи ... 113
4.1. Методика и результаты предварительных расчетов транспортерной галереи 114
4.1.1. Краткое описание конструкции 114
4.1.2. Описание приложения нагрузок к конструкциям пролетных строений 116
4.1.3. Методика и результаты расчета 116
4.2. Экспериментальные исследования модели пролётного строения галереи 118
4.2.1. Задачи исследований 119
4.2.2 Краткое описание модели 119
4.3. Методика испытаний 122
4.3.1.Схемы загружения модели и конструкция испытательной установки 122
4.3.2. Техника измерений и регистрирующая аппаратура 124
4.3.3. Режим испытаний 124
4.3.4. Обработка опытных данных 127
4.4. Анализ статической работы конструкции по результатам кратковременных испытаний 128
4.4.1. Напряжённо-деформированное состояние оболочки при сосредоточенных нагрузках от технологического оборудования 128
4.4.2. Напряженно-деформированное состояние оболочки при равномерно-распределённом внешнем давлении на верхний полусвод 134
4.4.3. Перемещения и усилия в оболочке при комбинированном нагружении 137
4.4.4. Исследование совместной работы обшивки с рёбрами, определение «приведённой ширины» обшивки 140
4.5. Предельное состояние сборной ребристой цилиндрической оболочки 145
4.5.1. Разрушение оболочки с податливым контуром 145
4.5.2. Предельное состояние оболочки с жестким контуром 152
4.5.3. Исследование работы обшивки приконтурной зоны оболочки на сдвиг 152
4.5.4. Оценка длительной несущей способности конструкции по результатам кратковременных испытаний 167
4.5.5. Исследование податливости стыков оболочки 173
4.5.6. Нелинейный расчет модели транспортерной галереи 177
Выводы по главе 4 192
Глава 5. Экспериментальные и теоретические исследования натурных пространственных конструкций 195
5. 1. Экспериментально-теоретический анализ длительного силового сопротивления цилиндрических оболочек покрытия с использованием результатов натурных испытаний 195
5.2. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек покрытия из древесины при длительных ступенчато-возрастающих нагрузках 207
5.3. Натурные экспериментальные исследования сборной оболочки двоякой кривизны из клееной древесины 221
5.4. Короткие цилиндрические оболочки пролетом 42 м 232
5.5. Исследования прочности и деформативности контейнерных мобильных зданий из древесины 249
5.6. Разработка и исследование конструкций хранилища для семенного зерна 245
5.6.1. Описание экспериментального образца бункера 250
5.6.2. Основные положения методики испытаний 254
5.6.3. Анализ результатов испытаний распределение нормальных давлений на стенки бункера 255
5.6.4. Деформированное состояние бункера при кратковременном загружении 258
5.6.5. Напряженное состояние бункера при кратковременном загружении 258
5.6.6. Анализ статической работы бункера при длительном загружении 261
5.6.7. Расчет модели бункера на длительное действие нагрузки в соответствии с экспериментом 264
Выводы по главе 5 271
Глава 6. Исследования панелей с дощатыми обшивками 273
6.1. Цель и задачи исследований 273
6.2. Конструкция опытных образцов 273
6.3. Методика проведения испытаний. Схема загружения панелей и конструкция испытательной установки. Измерительные приборы 275
6.4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 278
6.4.1. Напряженно-деформированное состояние панели без усиления и с усилением металлическими полосами при кратковременных испытаниях 278
6.4.2. Результаты испытаний панели без усиления и панели с усилением при длительных сдвиговых воздействиях 290
6.4.3. Оценка длительного силового сопротивления испытанных деревянных панелей для пространственных конструкций 293
Выводы по главе 6 296
Глава 7. Рекомендации по проектированию 298
7.1. Принципы проектирования характерных соединений и узлов элементов в пространственных конструкциях 302
Общие выводы 304
Список литературы 306
- Обоснование зависимостей между напряжениями и деформациями. Аппроксимация экспериментальных кривых
- Анализ деформированного состояния покрытия в режиме длительного ступенчатого нагружения
- Экспериментальные исследования модели пролётного строения галереи
- Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек покрытия из древесины при длительных ступенчато-возрастающих нагрузках
Введение к работе
Актуальность темы. Современное строительство, ведущееся в широких масштабах, является одной из наиболее материалоемких отраслей промышленности. Необходимо использовать все имеющиеся резервы снижения материалоемкости, уменьшения трудовых и энергетических затрат на изготовление и возведение конструкций.
В связи с этим актуализируется задача более широкого применения легких материалов, в частности из древесины, развития методов расчета и конструирования пространственных систем.
Специфика деревянных конструкций обусловливает своеобразную сферу их применения зачастую там, где другие материалы не отвечают предъявляемым требованиям, а именно, легкость материала целесообразно использовать для большепролетных покрытий, потребность в которых в XXI веке все более возрастает. Это особенно актуально для лесоизбыточных районов Сибири и средней полосы Европейской части России. Стойкость против коррозии, особенно химической, по сравнению с другими материалами обусловливает целесообразность применения древесины для зданий и сооружений химической промышленности, в частности, складов калийных солей и других минеральных удобрений.
Отечественный и зарубежный опыт строительства подтверждает целесообразность применения большепролетных покрытий в виде оболочек производственных, общественных и спортивных зданий, а также конструкций инженерных сооружений, где за счет обеспечения совместной работы несущих и ограждающих элементов достигается экономия материалов 10-25% по сравнению с имеющимися проектными решениями. При этом за счет многократной статической неопределимости конструкций значительно увеличивается живучесть и конструктивная безопасность сооружений.
8 Большие резервы силового сопротивления деревянных конструкций могут быть выявлены при учете специфических свойств древесины: ползучести, физической нелинейности, использования возможности восприятия нагрузок тонкими обшивками после местной потери устойчивости в пространственных конструкциях. Учет перечисленных факторов изучен недостаточно.
Целью работы является создание методов расчета пространственных конструкций из клееной древесины и связанных с ним различных обшивок или панелей, при длительно действующих нагрузках с учетом физической нелинейности.
Экспериментально-теоретическое выявление резервов силового сопротивления пространственных конструкций из древесины при неблагоприятных длительно действующих нагрузках, в том числе запроектных, проверка полученных результатов на экспериментальном строительстве и испытаниях опытных образцов.
Научную новизну работы составляют:
1. Пространственная система покрытий и сооружений в виде составной конструкции из клееной цельной древесины, основу которой составляют каркас ребер из клееных элементов массового заводского изготовления, панели или настилы, совмещающие несущие и ограждающие функции; соединительные элементы, обеспечивающие совместную работу конструкций.
2. Возможность снижения затрат материалов на конструкции с учетом длительного действия нагрузок от 10 до 25%, выявленная в результате экспериментальных исследований на моделях и натурных конструкциях.
Расчет пространственных конструкций на длительные нагрузки, в том числе запроектные, на основе модели силового сопротивления, включающей метод интегрального модуля деформаций и использование критериев длительной прочности анизотропных материалов.
Предложения по расчету несущей способности соединений оболочки с контурными элементами на основе сдвиговой формы разрушения.
Практическая ценность и внедрение результатов
1. Разработанные конструктивные решения пространственных конструкций покрытий и инженерных сооружений приводят к снижению материалоемкости деревянных конструкций от 10 до 25%, снижению сметной стоимости и трудовых затрат с учетом затрат на изготовление конструкций.
2. Разработаны предложения по нелинейному расчету пространственных деревянных конструкций с каркасом из клееной или цельной древесины и настилом из досок или панелей, в том числе с тонкими обшивками. Расчет позволяет оценить работу конструкций при запроектных кратковременных и длительных нагрузках и, тем самым, повысить безопасность и живучесть сооружений с пространственными конструкциями.
3. Автором при участии сотрудников отдела деревянных конст рукций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко С.Б.Турковского, Д.К. Арленинова, Г.В.Кривцовой, О.Г.Черных, И.Н.Соловьева, Г.М.Башаева, Х.С.Хунагова, Е.Н.Щепеткиной, А.М.Пономаренко, сотрудника НИИЖБ им. А.А.Гвоздева к.т.н. Б.С.Соколова разработаны и исследованы пространственные конструкции в виде куполов и шатровых оболочек, оболочек двоякой положительной кривизны на прямоугольном плане, коротких и длинных цилиндрических оболочек. Опытные образцы этих конструкций построены в
10 Москве (покрытие Дворца Спорта размерами 42x79 м на стадионе "Локомотив") и в Московской области (производственное здание размерами 20x66 м, рынок диаметром 30 м в Волоколамске, рынок диаметром 72 м в п. Салтыковка Балашихинского р-на - строительство не осуществлено). Для создания перечисленных конструкций использованы криволинейные и прямолинейные клееные элементы, массовое производство которых освоено действующими заводами, в частности, Волоколамским ЭЗСК. Исследованы разные виды обшивок, их крепление к каркасу и соединения элементов конструкций между собой.
4. Исследованы конструкции блок-контейнеров на деревянном каркасе для мобильных жилых зданий системы "Энергетик". Производство блок-контейнеров освоено предприятиями Минэнерго СССР с ежегодным объемом выпуска до 10 тыс. штук. Блок-контейнер испытывает воздействия горизонтальных транспортировочных нагрузок, которые в ряде случаев оказываются более опасными, чем эксплуатационные (симметричные) нагрузки. Выявлено существенное влияние включения элементов каркаса и обшивок стен блоков в пространственную работу на обеспечение прочности конструкций при транспортировочных нагрузках. Получен экономический эффект 40 руб. на блок или 400 тыс. руб. в год (здесь и далее в ценах 1986 года).
5. Разработаны механизированные модульные хранилища из древесины для семян зерновых культур с четырьмя деревянными бункерами вместимостью по 40 т. Внедрение одного хранилища обеспечивает экономический эффект 13.0 тыс. руб. по сравнению с хранилищем согласно типовому проекту с металлическими бункерами, стоимость которого равна 29,2 тыс. руб.
6. Материалы работы использованы в отчете о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы по теме: «Исследование энерго-, ресурсоэффективных конструктивных систем с высоким уровнем конструктивной безопасности и живучести (промежуточный этап №5. Наименование этапа: «Подготовка результатов исследования к внедрению». Государственный контракт от 15 июня 2009г. № 02.740.11.0151. Шифр «2009-1.1 -232 - 031 - 011», Орел 2011.Рук. НИР акад. РААСН, д.т.н., проф. В.И.Колчунов. Автор защищает: а) Предложения по созданию новых пространственных конструкций из клееной и цельной древесины. б) Результаты экспериментальных исследований на моделях и натурных конструкциях, позволяющие решить задачу сопряжения клееных и цельных элементов для создания единой пространственной системы; выявляющие характер перераспределения усилий в элементах конструкций при нагрузках, вызывающих появление пластических деформаций в конструкции в результате ползучести древесины. в) Методы расчета пространственных деревянных конструкций с учетом физической нелинейности, результаты исследований несущей способности конструкций с использованием сдвиговой формы разрушения, характерной для деревянных конструкций. г) Принципы конструирования, включающие в себя рекомендации по проектированию деревянных пространственных конструкций раз личных типов и основные положения по расчетным схемам, применяе мым при расчете с использованием ЭВМ.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы модификации древесины, перспективы развития ее производства и применения в народном хозяйстве». г.Гродно, 1979; на международном конгрессе ИАСС «Теория и экспериментальные исследования пространственных конструкций. Применение оболочек в инженерных сооружениях». Москва, 1985; на семинаре «Опыт и проблемы разработки, изготовления и внедрения в строительстве мобильных зданий». МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского. Москва, 1989; на Всесоюзном научно-практическом семинаре «Расчет и компьютерное проектирование деревянных конструкций». Владимир, Суздаль, 1991; на Международном конгрессе МКПК-98. Москва, 1998; на Международной научно-технической конференции «Вычислительная механика деформируемого твердого тела». Москва, МИИТ, 2006; на научной сессии МОО «Взаимосвязь проектирования пространственных конструкций с вопросами безопасности, эксплуатационной надежности и долговечности». Москва,2007; на научных сессиях МОО «Пространственные конструкции. Москва, 2019 и Москва, 2010; на XXIII Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов». Санкт-Петербург, 2009; на международной конференции «Актуальные проблемы исследований по теории сооружений». Москва, ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, 2009.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в двух монографиях, четырех брошюрах и 54 статьях (из общего количества более ПО).
Объем работы. Диссертация состоит из семи глав, общих выводов и списка литературы из наименований. Общий объем работы с рисунками и таблицами.
Обоснование зависимостей между напряжениями и деформациями. Аппроксимация экспериментальных кривых
Известно, что сжатые и сжато-изгибаемые элементы из древесины деформируются нелинейно (рис. 2.1) [88, 106]. Диаграммы деформирования древесины, полученные из многих экспериментальных работ, возможно аппроксимировать рядом уравнений. Для того, чтобы полученное уравнение достаточно хорошо совпадало с экспериментальными кривыми необходимо за основные (базовые) параметры, определяющие кривую, принимать те величины, которые наиболее устойчивы и имеют наименьший разброс. За базовые характеристики в данном случае принят начальный модуль деформаций и кратковременный предел прочности. Для воздушно-сухой древесины ели приняты апп =55,0МПа и Е0 =1,48-104МПа. В качестве аппроксимирующих функций рекомендуются следующие зависимости: 1. Кубическая парабола Значения Аі и А3 находим из условий: равенство нулю касательного модуля деформаций при є = єг єпп - предельная относительная деформация, соответствующая кратковременному пределу прочности (сгпп). Решая совместно (2.2.3) и (2.2.1), получим значение А3 Таким образом формула (2.2.1) приобретает вид где а, є - текущие значения напряжений и деформаций; Эта зависимость хорошо аппроксимирует диаграмму при малых є (при напряжениях до расчетных сопротивлений), но не очень точно при больших деформациях. Кроме того, эта зависимость симметрична для сжатия и растяжения, что не соответствует характеру деформирования древесины (особенно при изгибе).
Параболическая зависимость Ф.И. Герстнера [106]: Константы Аі и А2 определяем из условий: б) предел прочности экспериментальной и аппроксимирующих кривых совпадает в) равенство нулю касательного модуля деформаций в точке, соответствующей пределу прочности: Решая совместно (2.2.8) и (2.2.9), получаем значение Аг В этом уравнении выполнены сразу три требования: равенство пределов прочности, равенство производных в точке максимума экспериментальной и аппроксимирующих кривых, равенство начальных модулей деформации для растянутой и сжатой зон. Если принять за (+) относительные деформации сжатия, эта зависимость значительно более удачно аппроксимирует диаграмму в зоне предельных напряжений и, особенно, диаграмму изгибаемого элемента (рис. 2.1), поскольку по-разному описывает сжатую и растянутую зоны, что соответствует экспериментальным данным. Учитывая преимущества (2.2.6) по сравнению с (2.2.1), в качестве рабочей аппроксимирующей функции принимаем Уравнения механического состояния древесины Для древесины при достаточно высоких уровнях напряжений характерна сложная нелинейная ползучесть.
В связи с этим к древесине применим метод, разработанный А.Р. Ржаницыным, позволяющий учитывать сложность процесса деформирования древесины во времени с помощью разбиения процессов деформирования на три стадии и замены сложной нелинейной связи между напряжениями и деформациями кусочно линейными зависимостями, удовлетворяющими условию неразрывности деформаций, напряжений и скоростей деформирования при переходе от одной стадии деформирования к другой [189, 192, 193]. Для древесины эти стадии характеризуются следующими особенностями: а) в первой стадии деформирования ползучесть является обратимой, подчиняется основным положениям линейной теории ползучести; б) во второй стадии - установившейся ползучести - деформирование идет с постоянной скоростью нарастания деформаций ползучести (при постоянных нагрузках), деформации здесь большей частью необратимы; в) в третьей стадии имеет место критическое нарастание необратимых деформаций во времени. На рис. 2.1,в изображены кривые ползучести при разных уровнях напряжений. Уравнения для описания кусочно-линейной ползучести приведены в работе [192]. Чтобы описать процесс деформирования на этих стадиях приняты уравнения: Первая стадия - стадия линейной ползучести описывается основным упрощенным законом линейной ползучести (здесь сохранены обозначения автора)
Анализ деформированного состояния покрытия в режиме длительного ступенчатого нагружения
После усиления загрузочных устройств испытания были продолжены при повышенных односторонних нагрузках указанных с таблице 3.1.
В ходе эксперимента измерялись прогибы оболочки на каждом этапе нагружения и во времени. Деформированное состояние оболочки носит несимметричный характер. Наибольшие прогибы и наибольшие выгибы наблюдаются в центральном сечении оболочки 1-7.
На рис. 3.7 приведены прогибы модели по центральному сечению 1-7 при нагрузках 12,50кПа, 15,00кПа, 16,50Кпа, 17,50кПа соответственно в начале и в конце (кривые 1,2,3,4,5,6,7) в соответствии с принятым режимом испытаний.
На рис.3.86 и 3.8а приведены графики прогибов оболочки при нагрузках 16,50Кпа, 17,50кПа. Из этих графиков видно, что при нагружении оболочки односторонней нагрузкой линия прогибов носит плавный характер и во времени ее максимум имеет тенденцию смещаться в сторону незагруженной половины. При этом величины выгибов незагруженной половины не уменьшаются.
На рис. 3.76 и 3.7в показаны соответственно прогибы ребер 6 и 5 в режиме, соответствующем испытаниям.
При кратковременном догружении конструкции ступенчатой нагрузкой увеличение прогибов её в разных участках неодинаково. Так, кратковременное приращение прогибов наиболее напряженного ребра 7 (в различных точках) в среднем при ступенчатом изменении нагрузки от 12,50 до 17,50кПа (на 40%) составило 75%.
Для рёбер 6 и 5 эти цифры соответственно равны 51% и 56%. Например, при кратковременном переходе от нагрузки 16,50 до 17,50кПа (увеличение нагрузки на 6%) приращения прогибов для рёбер 7 и 6 составили соответственно 22% и 19%).
Приведённые результаты говорят о значительной нелинейности деформирования всей конструкции. Особенно это проявляется в наиболее напряжённых участках оболочки, где резко снижается жесткость элементов конструкции за счёт снижения модуля деформаций.
При длительном действии нагрузки характер приращений прогибов резко меняется. В результате ползучести древесины в первые несколько дней (5-7) оболочка продолжает интенсивно и неравновесно деформироваться. При этом увеличение прогибов в участках оболочки неравномерно. Более интенсивно во времени начинают деформироваться менее напряженные, чем ребро 7, ребра 6 и 5. Так, при нагрузке 15,0кПа за 12 дней прогибы ребра 7 увеличились на 6%, а рёбер 6 и 5 соответственно на 18%) и 17%. При нагрузке 16,50кПа прогибы ребра 7 в течение 12 дней увеличились на 4%, а рёбер 6 и 5 - соответственно на 9% и 8%. Аналогичным образом деформируется оболочка во времени при других уровнях нагрузки.
Характер изменения прогибов конструкции во времени даёт основание судить о неравновесности напряженного состояния конструкции, о наличии процесса перераспределения усилий между элементами конструкции. Причиной перераспределения усилий является ползучесть материала, физическая нелинейность и местная потеря устойчивости обшивки.
Прогибы оболочки меняются плавно от максимального значения вдоль ребра 7 до максимального выгиба ребра 1.
Величины максимальных прогибов рёбер 7, 6 соответственно равны 17,0 и 16,1мм, что составляет 1/353 и 1/372 пролёта. Такое выравнивание прогибов рёбер 6 и 7 при ползучести за счёт перераспределения усилий в элементах конструкции является одним из проявлений приспособляемости конструкции к внешним воздействиям.
Максимальные выгибы ребра 1 составляют 3,9мм, что значительно меньше ребер 7 и 6. Приведенный результат измерений прогибов конструкции в режиме испытаний во времени говорят о значительной жесткости конструкции( что вообще характерно для пространственных конструкций) и что определяющим при расчете конструкций подобного типа являются условия 1-го предельного состояния, а не П-го.
Экспериментальные исследования модели пролётного строения галереи
Экспериментальная проверка работы пролётного строения транспортерной галереи в виде замкнутой цилиндрической оболочки из клеёной древесины и фанеры проводилась в рамках кратковременных статических испытаний конструкции, на крупномасштабной модели (рис. 4.6).
Применение крупномасштабных моделей для изучения работы тонкостенных конструкций позволяет оценить достоверность методов расчёта, разработать рекомендации по проектированию, проверить особенности технологии изготовления и монтажа сборной конструкции [162].
При проведении испытаний крупномасштабной модели галереи ставились следующие задачи: 1. Исследовать влияние конструктивных особенностей (наличие стыков поперечной разрезки, тонкой обшивки, рёбер в двух направлениях) и совместной работы различных элементов сборной цилиндрической оболочки на её напряжённо-деформированное состояние при загружении различными вариантами эксплуатационных нагрузок. 2. Исследовать степень совместной работы обшивки с элементами силового набора оболочки. 3. Исследовать напряженное состояние обшивки с целью определения возможных форм потери устойчивости и величины критической нагрузки. 4. С целью оценки длительной несущей способности и установления границы области упругой работы конструкции под нагрузкой исследовать предельное состояние модели в режиме периодической разгрузки. 5. проверить принятую методику расчета путем сравнения экспериментальных данных с теоретическими результатами. Основой моделирования послужил расчет и конструирование модели на прочность как самостоятельной малоразмерной конструкции с сохранением по отношению к натурной конструкции геометрического подобия ее размеров [128, 216]. Для геометрического масштаба принято соотношение 1:4, масштаб интенсивности распределенной линейной нагрузки составил 1:4, сосредоточенных сил 1:16. В целом, модель геометрически подобна натурной конструкции и выполнена из тех же материалов. Исключение составила обшивка, для которой обеспечение в модели заданного масштаба толщины оказалось невозможным из-за отсутствия фанеры толщиной 2,5 мм. В практике моделирования тонкостенных пространственных конструкций собственно оболочку моделируют с некоторым допустимым приближением [216]. Было принято решение изготовить модель с одной верхней обшивкой, таким образом, по сравнению с натурной конструкцией модель исследовалась в более жестких условиях.
Модель, как и натурная конструкция имела поперечную разрезку и монтировалась сборной из отдельных кольцевых секций (рис. 4.7), шести рядовых и двух опорных, снабженных выпусками петлевой арматуры.
Монтажный стык между секциями при укрупненной сборке модели устраивался путем перепуска петель смежных секций с последующим омоноличиванием полимерраствором. Длина модели в осях 6,0 м, внешний диаметр - 1,98 м (рис. 4.6, 4.7). Элементы оболочки (диафрагмы, ребра) были изготовлены из древесины сосны, в качестве обшивки использовали трехслойную березовую фанеру. В смонтированном состоянии поперечный силовой набор оболочки состоял из семи кольцевых ребер-шпангоутов составного сечения (25+60+25) 48 мм, расположенных с шагом 750 мм и двух торцевых шпангоутов переменного сечения, на участке опирання с центральным углом ф = 148 симметрично относительно вертикального диаметра сечением 5 250 мм, на остальных участках 75 150 мм.
Запрессовку кольцевых ребер и сборку каркаса оболочки производили с специальном сборно-разборном кондукторе.
Шпангоуты запроектированы и изготовлены в виде неразрезного клееного деревянного кольца, на внешней боковой поверхности которого, для увеличения сцепления с полимерраствором устроены прямоугольные шпоночные пазы, а внутренняя поверхность выполнена гладкой. С этой целью пакет формировали из слоев разной ширины 19 и 25 мм, толщиной 6,5 мм с горизонтальным расположением клееных прослоек, при этом отношение толщины слоя к радиусу кривизны элемента составило 1/143. Толщину слоев назначали из соображений сохранения необходимой прочности конструкции, которая снижается с увеличением толщины слоев [93,129,162,183].
Обшивка модели выполнена из трехслойной березовой фанеры марки ФК/ВС толщиной 4 мм. Листы фанеры перед сборкой сращивали по длине на «ус». Зарезку шипов производили на фрезерном станке в специальном шаблоне.
Собранное пролетное строение модели транспортерной галереи было установлено на специальные опоры (рис. 4.6).
Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек покрытия из древесины при длительных ступенчато-возрастающих нагрузках
Рассчитывается конструкция покрытия рынка из цилиндрических оболочек, рассмотренных в пункте 5.1. на ступенчато-возрастающие нагрузки в режиме испытания натурных образцов [171].
Анализируется напряженно-деформированное состояние деревянной конструкции с каркасом из древесины и настилом из досок при эксплуатационных и запроектных нагрузках. Изменение нагрузки и время выдержки оболочек под нагрузкой до момента разрушения учитываются с использованием интегрального модуля деформаций. Методика расчета изложена в главе 2. Кратко методика расчетов заключается в последовательном уменьшении модуля деформаций в зависимости от уровня деформаций на отдельных этапах нагружения. Расчет выполняется программным комплексом MicroFe, реализующим МКЭ, путем последовательных приближений:
На рис. 5.4 и 5.5 показаны расчетные схемы исследуемых конструкций согласно [170, 171].
За исходные данные принимаются сочетания нагрузок, их величины и длительность этапов нагружения согласно табл. 5.1, 5.2. В таблицах в расчете суммарной нагрузки этапа первое слагаемое - приведенная нагрузка собственного веса оболочки и веса распредустройства.
Предварительные расчеты показали, что максимальные напряжения в поле оболочки №1 даже в стадии, близкой к разрушению, не превышали 7,70 МПа, что значительно меньше расчетного сопротивления 13 МПа древесины на сжатие вдоль волокон. Поэтому выполнение критериев прочности анизотропного материала при сложном напряженном состоянии в процессе расчетов не контролировали. Для оболочки №2 вследствие большей пологости нормальные напряжения в поле оболочки на этапе, предшествующем разру шению, достигли 8,8 МПа, что также значительно меньше расчетных и, тем более, нормативных - 24 МПа.
Приведем в табл. 5.3 и 5.4 для примера наиболее характерные результаты корректировки жесткостных характеристик для оболочек, соответст-вующие этапам нагружения. В графах 4- 6 приведены результаты корректировки модуля деформаций настила оболочек в продольном направлении (вдоль волокон досок). В графе 4 - абсолютные значения модуля деформаций, в графе 5 - величины их уменьшения с возрастанием напряжений в процентном отношении. В графе 6 - отношения каждого из последующих изменений к предыдущим. Последнее значение здесь показывает отношение наибольшего изменения к начальному. В графах 7 -е- 9 приведены соответствующие результаты корректировки модуля деформаций центральной распорки между арками-ребрами. Эта распорка воспринимает сжимающие усилия в оболочке совместно с настилом из досок. Видим, что доля участия распорки в работе оболочки вполне сопоставима с долей участия настила (собственно оболочки), а именно даже превышает долю оболочки.
В графах 10 ч- 12 даются результаты корректировки модуля деформаций бортовых элементов, работающих в растянутой зоне оболочки и воспринимающих также значительные усилия изгиба.
Сопоставляя значения, приведенные в графах 5, 8 и 11 и условно складывая значения в графах 5 и 8, видим, что доля изменений модулей деформаций тела оболочки всюду превышает долю изменений модулей и, следовательно, увеличение напряжений в бортовых элементах. Из этого следует вывод о перераспределении усилий между бортовыми элементами и оболочкой с передачей значительной нагрузки на оболочку. Это обеспечивает повышенное силовое сопротивление оболочки по сравнению с плоскостными конструкциями.
Рассмотрим теперь поведение исследуемых конструкций во времени при ступенчато-возрастающих нагрузках.
На рис. 5.6 показаны графики изменения нормальных усилий, нормальных и сдвигающих напряжений и прогибов для основных элементов оболочки №1. Эта оболочка была испытана при характерных нагрузках с разгрузками, позволяющих судить о ее пригодности к длительной эксплуатации.
Затем конструкция была доведена до разрушения при сравнительно кратковременных нагрузках. Здесь, однако, было решено выполнить расчет в режиме непрерывного эксперимента с реальными выдержками конструкции под нагрузкой. Этапы нагрузки и время выдержки оболочки под ними указаны на оси абсцисс. На оси ординат нанесены условные деления, а показатели напряженно-деформированного состояния указаны на соответствующих графиках.
Общий вид графиков позволяет составить мнение о характерных стадиях работы конструкции, а именно на первых двух этапах (нагрузка не превыша-ет расчетной 2,2 кН/м ) наблюдается нелинейный рост усилий, напряжений и прогибов с тенденцией к затуханию. Это соответствует стадии линейной ползучести, когда перемещения и деформации являются обратимыми. Вто рой участок между этапами 3 и 4 соответствует стадии установившейся ползучести. Нагрузка здесь равна 2,7/2,2 = 1,23 расчетной величины. Эти деформации также в основном обратимы. Наконец, третий участок его части соответствует третьей стадии - критического нарастания деформаций, когда эти деформации становятся необратимыми, хотя конструкция сохраняет силовое сопротивление в течение 7 суток с увеличением прогиба всего на 7,5 мм - до 1/1644 пролета. Нагрузка здесь составляет 3,15/2,2 = 1,43 расчетной величи-ны. После дополнительной пригрузки оболочки до 3,85 кН/м (1,75 расчетной) начинается интенсивный рост деформаций и перемещений, который приводит к разрушению бортового элемента оболочки через 40 минут после увеличения нагрузки до 4,6 кН/м , т.е. 2,1 по отношению к расчетной величине.
Прогиб оболочки в центре составил 40,3 мм - 1/305 длины оболочки. Эти результаты довольно близко совпадают с экспериментальными, показанными на этапах нагружения точками квадратной формы.
Здесь уместно привести данные эксперимента о пластическом характере разрушения, которое произошло в результате обрыва досок бортового элемента в месте концентрации пороков и зубчатых соединений досок на клею. После этого оболочка была способна продолжать нести расчетную нагрузку. Это типичное свойство деревянных пространственных конструкций, которое обеспечивает необходимую безопасность людей в случае возникновения за-проектных воздействий.
