Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Обзор работ по вариантам плитно-структурных конструкций и методам их расчета 11
1.1 Краткий очерк развития плитно-структурных конструкций 11
1.2 Классификация плоских структурных конструкций 20
1.3 Обзор экспериментальных исследований 32
1.4 Методы расчета: 39
1.4.1 Точные методы расчета структурных конструкций 39
1.4.2 Приближенные методы расчета структурных конструкций 40
1.5 Выводы по главе 44
Глава 2: Разработка конструктивных вариантов плитно-структурных конструкций и методики их расчета 46
2.1. Исходные положения 46
2.2 Варианты покрытий плитно-структурных конструкций 47
2.2.1 Разрезка шпггаого настила 47
2.2.2 Конструкции панелей 50
2.3 Варианты узловых соединений плитно-структурных конструкций 61
2.3.1 Стыковые соединения панелей между собой 67
2.3.2 Узловые соединения неразрезного плитного настила со стержнями структурной конструкции 76
2.4 Предлагаемая теоретическая модель расчета схемы плитно-структурной конструкции треугольной формы 84
2.4.1 Определение жестаостных характеристик 84
2.4.2 Расчет тонкой треугольной пластинки со свободными краями на точечных опорах 89
2.5 Исходные дифференциальные уравнения 91
2.6 Решение исходных дифференциальных уравнений изгиба сплошной пластины 93
2.7 Последовательность и алгоритм расчета 95
2.8 Возможности предлагаемой методики расчета пластин 100
2.9 Разработка блок-схемы для ПК 101
2.10 Выводы по главе 103
Глава 3: Экспериментальные исследования гоіитно- структурных конструкций на модели 104
3.1. Описание конструкции модели 104
3.2 Оснастка и система загружения 110
3.3 Приборы и методика загружения 111
3.4 Обработка и анализ результатов 116
3.5 Выводы но главе 124
Глава 4: Результаты исследования предложенной модели плитно-структурной конструкции 125
4.1 Рекомендации по конструированию и расчету плитно-структурных конструкций треугольной формы с произвольным расположением опор 125
4.2 Экономическая эффективность конструкции 127
4.3 Выводы по главе 129
Заключение 130
Список литературы 133
Приложения 146
- Классификация плоских структурных конструкций
- Варианты узловых соединений плитно-структурных конструкций
- Решение исходных дифференциальных уравнений изгиба сплошной пластины
- Рекомендации по конструированию и расчету плитно-структурных конструкций треугольной формы с произвольным расположением опор
Введение к работе
Современная рыночная экономика с неизбежностью стимулирует внедрение в строительство передовых технологий. Вектор развития здесь явственно направлен в сторону рационализации конструктивных решений, способствующих снижению веса и трудоемкости возведения объектов различного назначения. Наибольшим потенциалом в этом отношении обладают конструкции из легких сплавов, полимерных и композитных материалов, а также из модифицированной и клееной древесины. Применение именно этих материалов позволяет рационализировать активно развивающуюся сферу современного строительства - большепролетные структурные покрытия,, обеспечивающие создание свободных трансформирующихся внутренних, пространств, не подверженных моральному старению.
Пространственными структурами в строительстве называют системы-стержней,, сходящихся в узлах и расположенных в пространстве в строгом геометрическом порядке. Эту систему можно представить в виде множества ячеек - элементарных многогранников (тетраэдр, куб, пирамида и др.).
В семействе пространственных конструкций отдельную нишу занимают структурные конструкции- из клеефанерных труб с включением: в работу неразрезного плитного настила кровли. Как правило, плиты покрытия не участвуют в работе структурной конструкции, as лишь нагружают ее собственным весом. В этой связи, представляется целесообразным включить материал ограждающих конструкций в работу структуры. Это позволит частично разгрузить элементы структуры, обеспечивать их большую устойчивость, рационализировать разрежение решетки.
Структуры из клеефанерных труб отвечают требованиям индустриализации; строительства. При соответствующей обработке современными средствами защиты обеспечивается необходимая био- и. огнестойкость конструкций. Возведение покрытий из клеефанерных труб не
6 требует сложного оборудования. Благодаря малой массе они просто и быстро монтируются и транспортируются на значительные расстояния без существенного удорожания строительства. Само производство элементов конструкций отличается простотой.
Применение клеефанерных конструкций дает возможность экономить: на 1 кв.м, покрытия 30 кг стали по сравнению с металлическими конструкциями или 15 кг стали и 50 кг цемента по сравнению с железобетонными конструкциями.
Благодаря высокой степени статической неопределимости структурные конструкции надежны при внезапных частичных разрушениях. Образуемая структурами поверхность не требует, как правило, прогонов, связей и других вспомогательных элементов. Кровельный настил может укладываться непосредственно по плитам структуры, а легкая и ажурная пространственная стержневая решетка обладает эстетическим своеобразием, активно влияющим на интерьер здания. Пространственные стержневые структуры могут опираться или подвешиваться по всему контуру или в отдельных точках, они хорошо работают как консольные конструкции. Возможность опирать структуру в любых узловых точках позволяет на стадии проектирования гибко учитывать будущие: технологические процессы в здании. Так как вес конструкции из клеефанерных труб значительно меньше металлических (на 30-50%)} то в качестве опорных точек могут быть использованы не только конструктивные опоры, но и стационарное оборудование.
Резервы производства фанеры в России практически безграничны. Даже без увеличения объема лесозаготовок, но при более рациональной переработке древесины на современном оборудовании возможно увеличение объема производства фанеры в 5-6 раз.
В настоящее время усиливается интерес к развитию отечественных прогрессивных технологий в производстве строительных материалов и изделий на основе древесины- Этот интерес стимулируется тем, что в России за счет
более дешевой рабочей силы трудозатраты ниже, чем, например, в странах Западной Европы, поэтому продукция отечественных предприятий; освоивших выпуск новых изделий, конкурентоспособна не только на внутреннем рынке, но и за рубежом.
Основными достоинствами фанеры» является высокая і прочность, незначительная анизотропия, стойкость к воздействию химически агрессивных сред, высокая водостойкость, малая объемная масса, низкий коэффициент линейного расширения, повышенная; стойкость к трещинообразованию. Расположение слоев шпона в листах фанеры с взаимно перпендикулярным направлением волокон снижает ее деформации усадки-набухания при изменении влажности. Влияние пороков древесины на прочностные свойства фанеры значительно меньше, чем цельной древесины.
В качестве, конструкционного материала применяется фанера^ повышенной- водостойкости, при изготовлении которой слои шпона соединяются фенолоформальдегидными клеями- Для ответственных конструктивных элементов небольших размеров используется, бакелизированная фанера, прочность которой в 2-3 раза выше обычной.
Значительный интерес представляет использование клеефанерных труб как несущих элементов. Они состоят из склеенных меящу собой: на конус отдельных звеньев длиной 1,4 - 1;5 м. Выпускаются такие трубы диаметром 50 -300 мм, длиной 5,0 - 7,0 м.
Клеефанерные трубы можно применять в строительстве в качестве элементов * ферм покрытия, вертикальных несущих опор и мачт различного назначения.
Включение неразрезного покрытия в совместную с несущей конструкцией работу еще больше повышает экономическую эффективность пространственных конструкций из клеефанерішіх труб. Несмотря на. явную эффективность совмещенных конструкций, внедрение их в практику строительства идет медленными темпами. Одной: из причин является
s отсутствие нормативной и рекомендательной литературы по расчету пространственных конструкций из клеефанерных труб, работающих совместно с неразрезным покрытием- Это обстоятельство определяет актуальность настоящего исследования-Исследования структурных конструкций проводились и проводятся отечественными и зарубежными учеными. В нашей стране структуры получили распространение благодаря усилиям специалистов ряда проектных, научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений, таких как ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, ЛИСИ, МАрхИ, ЛенЗНИИЭП, ЦНЙИЭП им. Мезенцева, МИСИ, КИСИ и других. Значительный вклад в исследования и развитие структурных конструкций внесли Г.Б.Бегун, МЛХринберг, Н.Н.Демидов, ЕШ.Диденко, О.И.Ефимов? Н.В.Канчели? Л.ИХКилимник, Л.Н.Лубо, Б.А.Миронков, БІСМихайлов, А.П.Морозов, В.И.Трофимов, АХ.Трущев, МС.Туполев, В.К.Файбишенко, Р.И,Хисамов, Ю.АЛернов, В.НЛПимановский и многие другие. Зарубежные ученые С.Дю Шато, Ж.Суансон и И.Шаперот (Франция), КЗаксман, Ф.Отто, КХНаттерер (Германия), Б.Фуллер (США), Е.Сузуки, МЛСавагучи, К.Ито (Япония), Х,Излер (Швейцария) способствовали расширению типологии структурных строительных конструкций- Исследования конструкций из клеефанерных труб проводили ученые ЛИСИ (СПбГАСУ) Э.Н,Байда, СА.Душечкин.
Цель диссертации - повышение эффективности структурных конструкций из клеефанерных труб.
Достижение этой цели обеспечивается решением следующих задач: 1: Применить конструктивную схему структурпых конструкций из клеефанерных труб, работающих совместно с неразрезными плитными настилами; 2. Предложить некоторые конструктивные решения узлов и деталей покрытия;
Зі Экспериментально оценить влияние па пространственную работу структурной конструкции включения в нее неразрезного плитного настила кровли;
Экспериментально выяснить влияние натяжения металлических тяжей^ пропущенных внутри клеефанерных труб, на общую деформативность конструкции пространственной фермы и устойчивость ее элементов;
Уточнить методику, составить алгоритм программы для ПК по расчету структурных конструкций как топких пластин с произвольным' расположением точечных опор в плане.
Няучная новизна исследования:
Применена и уточнена методика расчета тонких пластин треугольной формы с произвольным расположением точечных опор;
Экспериментально подтверждена степень влияния, натяжения металлических тяжей внутри клеефанерных труб на общую устойчивость структуры;
Предложены варианты конструктивных решений узлов структурных конструкций, в работу которых включены неразрезные плитные настилы. Практическое значение результатов исследования состоит в расчетно-конструкционном обеспечении внедрения в строительство структурных покрытий треугольной формы на произвольно расположенных точечных опорах с включением в работу неразрезпых плитных настилов.
На защиту выносятся:
Уточненная методика расчета тонких пластин треугольной формы с произвольным расположением точечных опор;
Качественная характеристика влияния натяжения металлических тяжей внутри клеефанерных труб на общую устойчивость структуры;
Вариант конструктивного решения узла структуры совместно с неразрезной плитой настила.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения. Объем основного текста - 147 страниц.
Апробация работы. Результаты выполненного исследования докладывались на 60-й, 61-й научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (2003, 2004гл\), на 56-й и 57-й международных научно-технических конференциях молодых ученых СПбГАСУ (2003, 2004 г.г.)э на II международной научно-технической конференции Пензенского ГУАС (2003г.), на 2-й Всероссийской научно-технической конференции Мордовского государственного университета им, Н. Огарева (2003г.)7 на международном Форуме Академии наук о Земле (2003г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей.
Классификация плоских структурных конструкций
В настоящее время преобладающая часть конструкций проектируется с четким разделением несущих и ограждающих функций, однако все больше появляется совмещенных конструкций, а также покрытий, в которых панели ограждения участвуют в совместной работе с несущими конструкциями.
Рассмотрим немногочисленные примеры пространственных конструкций, работающих совместно с плитами: ограждения- На анализе приведенных примеров отметим трудности конструктивного характера при проектировании и в области расчета. В Красноярской архитектурно-строительной академии проведена работа, посвященная расчету и конструированию металлодеревянных трехгранных блок-ферм покрытий /18/. Целью работы являлась разработка трехгранных блок-ферм с дощатой; обшивкой и исследование их напряженно-деформированного состояния, в том числе при действии ветровых нагрузок и неравномерных осадок опор. Были разработаны конструкции трехгранных блок-ферм с различными техническими решениями верхних поясов и узловых соединений для пролетов от 12 до 30 м. Конструкции включали верхний пояс из двух или четырех плит П-образного сечения, раскосы из брусьев, размещенных с определенным шагомг в продольном направлении, а также нижний пояс из стального проката круглого сечения. Плита верхнего пояса включает каркас из основных деревянных ребер, расположенных в нижней части поперечного сечения и раскрепленных по торцам; диафрагмами, а также прикрепленную к ним сверху обшивку. Последняя склеена из деревянных щитов, в которых продольные оси досок ориентированы под углом 45 к оси: пролета. В верхней части сечения плит обшивка подкреплена вспомогательными дощатыми поперечными ребрами; Диафрагмы установлены между основными ребрами в сечениях, совпадающих с узлами сопряжений верхнего пояса и раскосов. Узлы нижнего пояса расположены по параболической кривой, благодаря чему обеспечено рациональное плавное распределение усилий по длине поясов конструкции. Стержни нижнего пояса і имеют по концам V-образные разветвления для удобства их сопряжения с основными ребрами верхнего пояса, В процессе экспериментов были определены: 1. напряженно-деформированное: состояние элементов конструкции и проведено сравнение с теоретическими данными; работа узловых соединений; 2. деформативность конструкции; 3- степень участия обшивки: и вспомогательных ребер в работе верхних поясов конструкции. При. экспериментальном исследовании клеедощатой плиты размерами 3,0 х 7,7 м было определено, что фактический прогиб основных ребер составил 12,68 мм (относительное значение 1/607 пролета). Расхождения в расчетных и экспериментальных данных — около 3% В лаборатории несущих деревянных конструкций ЦНИИСК им. Кучеренко разработана и исследована конструкция купольного- покрытия из клееной древесины и фанеры в форме правильной усеченной многогранной пирамиды 34 При разработке конструкции, были поставлены условия, чтобы сборные элементы изготавливались на существующем заводском оборудование без кардинальной перестройки технологии, а монтаж, осуществлялся без монтажных лесов с минимальным количеством временных опор. Требовалось также включить ограждающие конструкции в статическую работу совместно с несущими-. Этим условиям соответствовал купол, представляющий собой систему меридиональных и кольцевых ребер, нижнего и верхнего опорных колец; элементов заполнения между ребрами покрытия, состоящих из верхней и нижней фанерных обшивок и деревянной решетки между ними. Принятое проектное решение позволяет купольные покрытия пролетом до 30 м собирать из ребристых панелей заводского изготовления одного типоразмера- Размеры панелей назначались из соображений транспортировки; При больших пролетах был рекомендован сборный вариант покрытия. Модель конструкции была испытана. Эксперимент показал, что между кольцевыми ребрами верхняя обшивка включается в совместную работу с ребром на расстоянии 0,2. пролета, нижняя= обшивка - на расстоянии 0,32 пролета с каждой стороны от ребер- В: меридиональном направлении по оси симметрии панели обшивки работают по схеме неразрезной многопролетной балки, Включение панелей покрытия в работу конструкции значительно повысило жесткость и разгрузило ребра. Для иллюстрации эффекта был просчитан;купол диаметром 24 м с учетом панелей покрытия и без них. Анализ позволил придти к выводу» что учет фанерной обшивки уменьшает максимальный изгибающий момент в меридиональных ребрах в .1,4 раза, продольные силы в 1,35 раза, нормальные напряжения в 1,2 — 1,4 раза, усилия в кольцевых ребрах купола уменьшились в 2 - 3 раза, максимальный прогиб уменьшился в 1,5 раза,. Важным результатом работы был с вывод, что включение панелей в работу позволяет уменьшить сечение основных несущих элементов и, следовательно, снизить материалоемкость покрытия на 10—15%. При расчете купола реальная конструкция была заменена плитно-стержневой моделью, где верхняя и нижняя обшивки с решеткой1 заменялись изотропной фиктивной пластиной. Приведенные характеристики в этом случае определялись исходя из условия равенства жесткостсй на изгиб и растяжение фиктивной изотропной пластины и реальной конструкции панели. Для определения коэффициента Пуассона фиктивной пластины был рассчитан, участок из двух фанерных обшивок и деревянной решетки в форме квадрата со стороной, равной шагу ребер,1 на равномерно распределенную нагрузку по двум его противоположным кромкам. Коэффициент Пуассона получили из отношения найденных осредненных линейных деформаций по двум взаимно перпендикулярным направлениям. В: 1980-х годах разрабатывалось пространственное покрытие структурного типа (рис. 1.7) с применением фанеры и древесины, у которого верхний пояс выполнен из клеефанерных панелей на деревянном каркасе, а нижний пояс и раскосы выполнены из арматурной стали /34/, При расчете структуры коробчатые клеефанерные панели заменяли изотропной пластиной. Плитно-стержневая модель струетуры рассчитывалась МКЭ по методу перемещений. Метод континуализации или «размазывания», примененный в этих работах, не отличается универсальностью усложняет проведение инженерных расчетов, затрудняет учет реальных свойств материала и особенности конструкции панели. В 1980-х годах впервые экспериментально было исследовано структурное покрытие на фрагменте строительных размеров (рис. 1.9), где узловые соединения выполнены в натуральную величину, что позволило проверить технологичность изготовления и сборки. Особое внимание уделялось панелям (рис. 1.8)/32/. Таким образом, на основании анализа приведенных примеров можно сделать следующие выводы: конструирование пространственных покрытий с включением настила в совместную работу с ребрамн или каркасом конструкции существенно повышает жесткость покрытия, учет включения обшивки в расчетах позволяет значительно экономить материал.
Варианты узловых соединений плитно-структурных конструкций
При выборе узловых соединений были поставлены следующие задачи: узловые соединения структурных конструкций должны исключать сварку в монтажных условиях и позволять собирать структуры из стержней па болтах или других сборных приспособлениях.
Конструкция узловых соединений отдельных стержней зависит от профиля, расчетных усилий, конфигурации решетки,.а также примыкающих к узлам элементов кровли или подвесок. Для стержней замкнутого профиля: рекомендуется узловые сопряжения осуществлять с помощью коннекторов /67, 102 и др./.
Один из предложенных узлов основан на базе узла «МАрхИ». Узел относится к группе комбинированных соединений (вместо сварки выполняется соединение на болтах). Ответственным моментом является соединение между собой фанеры и металла. Узловые соединения фанерных труб с металлическими узлами решаются посредством металлических оголовков заводского изготовления, закрепленных на торцах стоек. Металлический оголовок представляет собой сварной стакан, снабженный косынками. Характерным для выбранного узла является расчленение узлового соединения на две подгруппы деталей: детали первой подгруппы присоединяются к концам соединяемых стержней (болтовые наконечники, листовые фасонки, и т.д.), а детали второй подгруппы в виде шайб, болтов, коннекторов объединяют концы стержней в узел. Соединение стержней по этой схеме требует обеспечения прочности узла структурной конструкции в трех сечениях.
Основным элементом является сферическое или полусферическое тело с резьбовыми отверстиями, в которое ввинчиваются вращающиеся на концах стержней болты. В системе «МАрхИ» - плоских цилиндрических шайб, приваренных к концам трубчатьтх стержней, а также поводковых втулок и штифтовых фиксаторов (рис, 2.13а, 2Л4).
Для приспособления узлового элемента МАрхИ под структуру треугольную в плане необходимо отверстия для поясных элементов располагать под углом 60 (рис. 2Л36). Интересен узел «ТОМОЕ Unirass» (Япония) (рис. 2Л5). Основным элементом является, также как у узла «МАрхИ», сферическое тело с резьбовыми отверстиями. Болты к стержням присоединяются с помощью конических наконечников. Кроме того, для крепления клеефанерных труб с пропущенными внутри металлическими стержнями, рационально узловое соединение «Система NS» (Япония) на полых шарах, в которых соединительные болты через отверстие в шаре: завинчиваются с внутренней его стороны. Металлический стержень внутри трубы позволяет регулировать усилия в элементах конструкции с целью их уравнивания, что позволяет существенно уменьшить количество типов стержней и улучшить показатели массы конструкции. Большое количество рациональных и широко применяемых на практике стыковых соединений стержней позволило в настоящей диссертации сосредоточиться на разработке стыковых соединений панелей и узле опирания панелей на структуру. Для достижения неразрезности плитного настила в стыках панелей соединения должны быть равнопрочные материалу панелей или близкие к ним. С этой целью необходимо обеспечить надежное соединение соответствующих ребер отдельных панелей между собой, т.к. они являются наиболее ответственными элементами. Соединение же обшивок обычно рекомендуется производить с помощью накладок на клею с клеевинтовой запрессовкой /91/, либо при помощи сварки для свариваемых материалов. Оба эти решения позволяют ведение работ непосредственно при монтаже панелей; -Клеевые соединения. Наиболее простым видом стыка ребер является их соединение при помощи фанерных накладок на клею с клеевинтовой запрессовкой и вклеенных стержней (стальных и стеклогашстиковых) (рис. 2Л6). Однако такие соединения, выполняемые на строительной площадке, нетехнологичны и не удовлетворяют требованиям индустриальности конструкций, -Соединения с помощью сварки. На рис, 2Л7 представлен узел соединения ребер панелей с помощью сварки выпусков вклеенных арматурных стержней- Другой вариант сварного узла представлен на рис, 2Л8. Для осуществления этого узла на обрамляющих ребрах по направлению перпендикулярных им. внутриконтурных ребер ставятся оголовки в виде швеллеров, которые и свариваются на строительной площадке между собой. Крепление оголовков к ребрам с помощью вклеенных стержней показано на рис. 2Л9а, крепление оголовков с помощью стальных листовых накладок, заводимых в пазы ребер и закрепляемых там при помощи дюбелей /81/, показано на рис. 2 Л 96- Наиболее существенными недостатками применения сварки в предлагаемых узловых соединениях является высокая пожароопасноегь, в связи с чем при производстве работ необходимо предусматривать меры по защите элементов конструкции от возгорания. Необходимо также предусматривать теплоотводы с целью предотвращения перегрева и, как следствие, деструкции клеевого состава. -Соединения на нагелях. При проектировании стыков ребер отдельных панелей между собой возможно широкое применение нагельных и болтовых соединений. Один из вариантов тагаїх узлов представлен на рис, 2,20, Оголовок в данном узле выполнен в виде разомкнутого коробчатого профиля. Крепление оголовков к ребрам осуществляется так же, как и в предыдущем случае (рис. 2Л9). Основным недостатком применения нагелей в стыках ребер панелей является податливость соединений, что существенно снижает эффект неразрезности плитного настила.
Решение исходных дифференциальных уравнений изгиба сплошной пластины
Разработанная основная схема структурной конструкции, в пространственную работу которой включен неразрезной плитный настил, кровли, наиболее полно отражает действительную работу структуры.
Предложенные варианты разрезки плитного настила на отдельные панели являются наиболее рациональными для структур с квадратными и треугольными ячейками. Анализ существующих конструкций панелей и узлов соединения стержней структуры позволил произвести выбор соответствующих панелей и узлов, подходящих для структурных конструкций с треугольными ячейками из клеефанерных труб, в пространственную работу которой включен неразрезной плитный настил кровли. 4. Разработанный авторский узел крепления неразрезного плитного настила к структурной конструкции обладает всеми признаками высокотехнологичного и индустриального соединения. 5. Предложенный инженерный способ расчета и алгоритм для программы ПК могут быть непосредственно использованы проектными организациями, а также инженерными и научными работниками для проектирования и исследования аналогичных структурных конструкций с консольными свесами и произвольным расположением точечных опор в плане. Аналитические методы расчета могут быть существенно дополнены, а отчасти и заменены исследованием моделей конструкций. Подготовка к эксперименту велась в двух направлениях с учетом целей и задач проводимого исследования настоящей работы. Первое направление — методика исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) структурной конструкции из клеефанерных труб при ее совместной работе с плитными настилами кровли. Второе направление — учет влияния напряжения металлических тяжей, установленных внутри клеефанерных труб на НДС конструкции. Испытания опытной конструкции модели проводились с целью исследовать: 1. напряженное состояние и деформативность отдельных элементов конструкции и соответствие их расчетным данным; 2. эффективность влияния на НДС пространственной конструкции неразрезности (разрезости) плитных настилов кровли, включенных в совместную работу; 3; оценить влияние на НДС конструкции податливости соединений плитных настилов с узловыми сопряжениями стержней структуры. Испытания фермы проводились при консультации преподавателей Кафедры мостов и тоннелей СПбГАСУ проф. В.А.Быстрова и доц; А.М.Димова. Модель испытывалась как элемент структурной конструкции, и как мостовая модульная ферма. В ходе испытаний при исследовании деформативности использовались разные способы загрузки фермы. В качестве испытываемой модели принята сборно-разборная пространственная, ферма - как элемент структурной конструкции - из клеефанерных труб с поясами из объединенных металлических уголков 20 20 4 каждый, совмещающая несущие и ограждающие функции. На рис: 3.1, 3.2 и 3.7 показано конструктивное решение фермы. Конструкция имеет следующие размеры: пролет 3,0 м, высота 0,6 м, ширина 0,38 м. Экспериментальная модель состояла из двух стержневых систем, объединенных в одном поясе (нижнем), имеющих одинаковый угол наклона относительно вертикальной оси симметрии поперечного сечения. Верхний пояс двухветвевой. Ветви верхнего пояса соединены между собой системой связей из металлических уголков 50 50 5, образуя треугольную решетку. Пояса фермы параллельны. Решетка — треугольная. Каждая ферма была жестко закреплена с помощью, приваренных к узлам нижнего пояса, швеллеров и подпорками из арматуры (рис. 3.9). Данное крепление исключало опрокидывание фермы во время испытания и обеспечивало безопасность проведения работ. Узлы крепления раскосов к ветвям верхнего и нижнего поясов смещены относительно друг друга на величину, равную половине шага раскосов (рис. 3:7). Шаг раскосов - 1,0 м: Узловые соединения - на болтах нормальной точности и металлических деталей из листовой стали (рис. 3.3,3.4). Предварительный расчет фермы выполнен по специальной программе. Расчетная модель- шарнирно-стержневая система. Согласно выполненному расчету было определено значение расчетных нагрузок для смоделированной конструкции. Для повышения- прочности - торцевых сечений трубчатые раскосы снабжены по концам упорами в виде металлических подушек для распределения напряжения смятия торцов трубчатых раскосов (рис; 3.11). В процессе эксперимента использовались трехслойные панели с внутрешшми ребрами двух видов:
Рекомендации по конструированию и расчету плитно-структурных конструкций треугольной формы с произвольным расположением опор
Струиурные конструкции из клеефанерных труб, работающие совместно с неразрезными плитными настилами кровли из конструктивных, технологических и экономических соображений являются наиболее целесообразными, так как сочетают в себе несущие и ограждающие функции. Они найдут весьма широкое применение, в том числе на производствах с агрессивной средой.
Такие конструкции способны перекрывать здания значительных площадей и различных очертаний в плане без промежуточных опор, но при этом следует учитывать строение решетки. Так, при прямоугольном плане возможно применение схем струетур, как с квадратной ячейкой, так и с треугольной (в зависимости от количества опор и их расположения). Структуры треугольные, полигональные, либо круглые в плане следует проектировать с треугольной ячейкой, как более жесткие.
Опирание конструкций может быть произвольное, но при этом следует стремиться к образованию консольных свесов, что приводит к разгружению наиболее напряженной центральной области.
Конструктивные особенности каждого струюурного покрытия (нагрузка, характер опирання, геометрия ячеек и конструкция узлов) позволяют назначать строительную высоту в пределах от 1/10 до 1/25 пролета Столь малое значение второго предела обеспечивается эффектом включения в пространственную работу неразрезных плитных настилов кровли. В структурах из клеефанерных труб могут быть использованы различные типы соединений: с неразъемными узлами (сварные) и сборно-разборные (болтовые). Каждый тип соединений имеет свои преимущества: при использовании сварных соединений практически отсутствует податливость узлов; при использовании болтовых соединений появляется возможность мобильности конструкции и отсутствие огнеопасного процесса сварки. Обшивку панелей настилов (п. 2.2,2) следует выбирать исходя из степени химической агрессии внутренней среды, влажности; температурного режима и т.д., а также в зависимости от напряженно-деформированного состояния- Как правило, используются панели с деревянными, либо фанерными ребрами. Неразрезной плитный настил создается с помощью узлов, описанных во второй главе. Рекомендации по соединению панелей изложены в п. 2.3.1. Узлы крепления неразрезного плитного настила к стержням структурного покрытия предложены в п. 2,3,2, При выборе конструкции узла необходимо провести соответствующие теоретические и экспериментальные проверки. Статический расчет структурных конструкций производится в два этапа. На стадии вариантного проектирования - приближенно, как континуальной системы, на основе аналитического решения для пластин; окончательного, как дискретной системы с использованием ПК по стандартным или специально разработанным программам. На стадии вариантного проектирования расчет производится в следующем порядке: 1. определение жесткостных характеристик для перехода от дискретной схемы к континуальной; 2. расчет пластин с соответствующими действительной схеме граничными условиями; 3. определение усилий и моментов в стержневой системе на основе континуальной модели. Переход от дискретной схемы к пластине следует производить по методике, описанной в п. 2.4.1, Для этого необходимо знаггь отношение 1 4, получаемое из расчета или из экспериментального исследования выбранного узлового соединения. Кроме того, необходимо определить жесткость на кручение и коэффициент Пуассона-Расчет пластины по предложенному алгоритму можно вести как с применением ПК, так и по инженерной методике. Инженерный расчет, в связи с трудоемкость процесса, рекомендуется применять для пластин с симметрично расположенными опорами, либо при малом их количестве. В других случаях следует применять ПК. Обратный переход от пластины к структурной конструкции производится по балочной схеме с применением теории составных балок на податливых связях. Подбор сечения стержней структурной конструкции при найденных в них усилиях осуществляется известными методами сопротивления материалов. При конструктивном расчете панелей неразрезного настила следует иметь ввиду, что решается задача в линейпой постановке, следовательно, имеет место закон независимости действия сил. Сложное напряженное состояние панелей состоит из изгибного и плоского. Изгибное напряженное состояние панелей обусловлено действием поперечной нагрузки, плоское возникает от передачи усилий с узлов структуры на панель при общем изгибе конструкции. Эффективность применения структурной конструкции определяется системой технико-экономических показателей. На стадии вариантного проектирования рекомендуется /21/ использовать методику оценки экономической эффективности с учетом конкретных компоновочных схем и узловых соединений Чтобы показать эффективность использования клеефанерных труб для структурных конструкций с включением в работу неразрезного плитного настила в даішом разделе приводится сравнительный анализ технико-экономических показателей трех структурных конструкций: 1-е включением в работу неразрезного покрытия; П - с включением в работу разрезного покрытия; Ш - без включения покрытия в работу конструкции. В качестве примера выполнен расчет покрытия размером в плане 1830 18,0 18,0м с ячейками 3,0 3,0 3,0м. 1- При включении в пространственную работу структурной конструкции из клеефанерных труб неразрезного плитного настила кровли экономия затрат на материалы достигает 15%. 2. Стоимость материалов, как правило, имеет весьма малую тенденцию к снижению, тогда как затраты на изготовление конструкции и на ее монтаж могут меняться в весьма широких пределах, что подвигает ученых и конструкторов к совершенствованию узлов и элементов. 3. Включение плитного настила в совместную работу со структурой дает возможность снизить материалоемкость конструкции и, следовательно, снизить стоимость. 4. Расчет пластин на точечных опорах с применением ПК наиболее целесообразно вести при количестве неизвестных более десяти. В остальных случаях возможно использовать предложенный инженерный расчет. Структурные конструкции из клеефанерных труб с включением в совместную работу неразрезного плитного настала кровли представляют собой такой тин конструкций, в которых гармонично сочетаются архитектурная выразительность, технологичность изготовления, простота монтажа и экономическая эффективность. Удачное использование механических свойств фанеры и формы структур делают конструкции высокоэффективными и рациональными для целого ряда зданий и сооружений различного назначения. В представленной диссертационной работе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований структурной конструкции из клеефанерных труб с включением в совместную работу неразрезного плитного настила кровли на статические нагрузки, В результате исследований получен материал, который может быть использован при проектировании и эксплуатации таких конструкций.
