Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по конструкциям и методам расчета плитно-структурных покрытий 8
1.1 Классификация структурных и плитно-структурных (ПСК) покрытий 8
1.2 Обзор существующих металлодеревянных ПСК 14
1.3 Методьтрасчета ПСК, основанные на дискретной расчетной схеме 31
1.4 Методы расчета ПСК, основанные на континуальной расчетной схеме 32
1.5 Экспериментальные методы исследования напряженно-деформированного состояния ПСК 33
1.6 Актуальность регулирования напряжений в несущих строительных конструкциях 35
Выводы 38
Глава 2. Исследование конструктивных вариантов и методов расчета плитно-структурных конструкций с регулированием напряжений 39
2.1 Расчет ПСК с помощью континуальной расчетной схемы 39
2.2 Расчет ПСК по дискретной расчетной схеме 58
2.3 Основные принципы образования новых конструктивных вариантов ПСК с предварительным напряжением 75
2.4 Конструкции соединительных узлов для включения новых дополнительных связей 78
2.5 Учет влияния температуры 80
2.6 Влияние влажности 82
2.7 Учет податливости узловых соединений 83
2.8 Учет реологических свойств древесины 89
Выводы 91
Глава 3. Экспериментальные исследования плитно-структурной конструкции на модели 93
3.1 Цели и задачи экспериментального исследования. Выбор испытываемой модели 93
3.2 Описание опытной конструкции 95
3.3 Конструкция оснастки и системы нагружения экспериментальной конструкции 99
3.4 Проведение испытаний опытной ПСК 101
3.5 Анализ результатов испытаний опытной ПСК 113
Выводы 115
Глава 4. Результаты анализа данных расчета и экспериментальных данных на основе их сравнительного анализа. разработка рекомендаций по практическому применению - 116
4.1 Алгоритм расчета ПСК 116
4.2 Практическое применение ПСК с регулированием напряжений 117
4.3 Технико-экономическая оценка эффективности ПСК 125
4.4 Рекомендации по практическому применению ПСК с регулируемыми усилиями в затяжках 129
Заключение 130
Библиографический список: 132
Приложение
- Методьтрасчета ПСК, основанные на дискретной расчетной схеме
- Основные принципы образования новых конструктивных вариантов ПСК с предварительным напряжением
- Конструкция оснастки и системы нагружения экспериментальной конструкции
- Практическое применение ПСК с регулированием напряжений
Введение к работе
Актуальность темы. Плитно-структурные металлодеревянные конструкции (ПСК) обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими. Это позволяет их использовать при перекрытии больших и средних пролетов. Однако в настоящее время применение таких комбинированных конструкций ограничено и обусловлено недостаточной изученностью новых материалов, узлов и схем.
Одним из направлений совершенствования плитно-структурных конструкций является создание конструкций с регулируемым напряженно-деформированным состоянием (НДС), требующее специальных исследований по управлению напряженно-деформированным состоянием металлодеревянных ПСК, проведение которых является актуальной задачей.
Цель исследования: Совершенствование металлодеревянных плитно-структурных конструкций с регулированием напряженно-деформированного состояния в процессе проектирования, создания и эксплуатации.
Для достижения поставленной цели определены задачи: выполнить системный анализ существующих металлодеревянных конструкций в контексте проблемы повышения эффективности использования древесины и металла; разработать методику инженерного расчета металлодеревянных конструкций с регулируемыми напряжениями; усовершенствовать узловые соединения элементов ПСК, обеспечивающие минимальную податливость стыков поясов и решетки; выполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния конструкции с учетом регулирования усилий; оценить влияние влажности, температуры, податливости узлов на напряженно-деформированное состояние металлодеревянных конструкций; провести экспериментальные исследования и оценить несущую способность и деформативность металлодеревянных ПСК с регулируемыми усилиями в затяжках; разработать рекомендации по использованию большепролетных ПСК для трансформируемых крыш (покрытий).
Научную новизну составляют и выносятся на защиту:
результаты исследования влияния регулирования усилий в затяжках для уменьшения материалоемкости металлодеревянной ПСК;
конструкция безмоментного узлового соединения нижнего пояса ПСК с раскосами (заявка № 2011105728 от 15.02.2011);
выбор рационального расположения затяжек в металлодеревянных ПСК в зависимости от условий их опирання;
методика определения напряженно-деформированного состояния металлодеревянной ПСК при регулировании усилий;
результаты экспериментальных исследований НДС в ПСК при регулировании усилий в затяжках;
результаты исследования влияния влажности, температуры и податливости узлов на предельное состояние металлодеревянных конструкций;
Объектом исследования являются металлодеревянные плитно-структурные конструкции с регулированием усилий в затяжках.
Научная гипотеза: регулирование напряженно-деформируемого состояния в металлодеревянных ПСК позволит уменьшить величину усилий в элементах и снизить материалоёмкость при сохранении эксплуатационной надежности конструкции.
Практическое значение работы: металлодеревянные ПСК с регулированием (управлением) НДС могут быть использованы в конструкциях трансформируемых покрытий зданий и сооружений.
Достоверность результатов обеспечивается использованием классических гипотез и допущений в строительной механике; методикой экспериментальных исследований; численных экспериментов с использованием стандартных программ; приемлемой сходимостью результатов эксперимента и теоретических исследований.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на 65-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (СПбГАСУ, 2008 год), на 61-й Международной научно-технической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2008 год), на международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство)» (Брест, 2009 год), на 63-й Международной научно-технической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 201 Огод), на «67-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета» (СПбГАСУ, 2010 год), на «68-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета» (СПбГАСУ, 2011 год), на III и IV съездах-конгрессах Ассоциации деревянного домостроения (СПбГАСУ, 2010-2011 г.г.).
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 11 Наименований и приложения. Общий объем 147 страниц текста, 74 рисунка, 12 таблиц.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах, в том числе 2 в журналах, входящих в перечень ВАК.
Методьтрасчета ПСК, основанные на дискретной расчетной схеме
Существует множество методов расчета ПСК. Всех их можно разделить на два вида: — методы, основанные на дискретной расчетной схеме; — методы основанные на континуальной расчетной схеме.
К методам, основанным на дискретной расчетной схеме, относятся метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей (МКР).
Из этих методов наибольшее применение на практике получил МКЭ. На нем основан целый ряд расчетных комплексов для ПК, например Lira, Scad, An-sys, АРМ, SoFIStik и другие [36, 50]. Данный метод предполагает деление конструкции на ряд отдельных конечных элементов. Затем составляется система уравнений, которая учитывает жесткость каждого элемента и в дальнейшем решается матричными методами.
Так как число уравнений в полученной системе может составлять 100 000 и более, то для расчетов как правило используется ПК.
Для ПСК наиболее правильным будет разбиение на отдельные стержни, при этом каждый стержень будет составлять один конечный элемент. Для большей детализации расчета возможно, в свою очередь деление стержней на отдельные элементы. При достаточно мелком разбиении на конечные элементы МКЭ дает достаточно точный результат.
Благодаря МКЭ можно определить НДС конструкции, а также учитывать различные материалы, из которых выполнен верхний и нижний пояс структуры, при помощи задания соответствующих характеристик материала конечных элементов. Предварительные усилия в элементах могут задаваться разными способами: как через специальные конечные элементы, так и путем задания усилий в узлах.
Методы расчета, основанные на континуальной расчетной схеме, представляют структуру как плиту с приведенной жесткостью. Применяем приближенный инженерный метод расчета, основанный на представлении шарнирно-стержневой системы как континуальной расчетной модели, в виде сплошной плиты (теория тонких плит). При этом граничные условия, нагрузка и упругие характеристики (степень работы на кручение, коэффициент Пуассона и др.) должны быть эквивалентными. Ошибка в усилиях по сравнению с точным расчетом структуры как шарнирно-стержневой системы обычно не превышает 15-20 % и может быть доведена до 5-10 % при учете работы плиты на сдвиг.
Расчет на изгиб структурных плит с малой относительной высотой h/L (1/20-1/17) можно производить в соответствии с классической теорией изгиба плит без учета влияния сдвига на прогибы (гипотезы прямой нормали). Расчет сводится к интегрированию дифференциального уравнения с учетом граничных условий на каждой кромке плиты.
По характеру работы структуры разделяются, на две группы: - не работающие на кручение и не воспринимающие крутящих моментов (ортогональные системы, = 0), например структуры, обе поясные сетки которых имеют квадратную ячейку без диагоналей в них; - структуры, у которых хотя бы в одной из поясных сеток стержни образуют геометрически неизменяемые системы. Расчет сводится к расчету пластин с соответствующими граничными условиями.
Все расчетные показатели НДС в конструкциях обязательно должны обеспечивать сходимость результатов с экспериментальными данными. Окончательное подтверждение или опровержение теории может дать только эксперимент. Для\ уточнения НДС экспериментальным путем делается модель ПСК либо в натуральную величину, либо с применением масштабирования (1/10-1/70).
Часто материалом для изготовления моделей используют оргстекло, полистирол, которые просто обрабатывать и сопрягать в узлах диффузионной сваркой, что определяет относительно небольшую трудоемкость изготовления малых моделей. Методика испытания подобных моделей изложена в работах [88, 112, 113]. Подобные испытания проводились и проводятся во многих лабораториях, в том числе в МИСИ им. В.В. Куйбышева [105], в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, в МАрхИ [110].
Данный метод позволяет прежде всего составить качественную картину распределения напряжений, а также оценить величину деформаций, однако он плохо учитывает особенности материалов, а также несовершенства изготовления конструкций. Только испытанием натурной модели, или соответствующим образом выполненной модели с учетом геометрического и физического подобия, можно оценить более точно НДС конструкции или влияние центровки узлов. Для ряда структурных стержневых покрытий ведутся натурные испытания на стадии строительства.
За рубежом довольно распространены испытания структурных систем на больших моделях. Подобные испытания хорошо описаны в работах [4, 6, 46]. В нашей стране подобные испытания на больших моделях проводились и проводятся Ростовским Промстройпроектом [112] ЛенЗНИЭП [75]. Большая серия экспериментальных исследования на натурных конструкциях была проведена в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко под руководством В.И. Трофимова. Испытуемые структуры состояли из труб, а также из прокатных профилей [106].
Также довольно много было осуществлено экспериментальных исследований структур с применением древесины, в частности [44]. Довольно значительный объем испытаний структурных конструкций из фанеры и древесины был выполнен на кафедре конструкций из дерева и пластмасс СПбГАСУ.
Сложность изготовления точных моделей в уменьшенном виде из дерева или фанеры заключается в том, что при уменьшении размера происходит уменьшение узловых элементов, которые в уменьшенном виде довольно сложно изготовить. Кроме того, для изготовления моделей крайне трудно применить поточный способ производства, что также является одним из факторов, ограничивающих экспериментальные исследования.
Основные принципы образования новых конструктивных вариантов ПСК с предварительным напряжением
В структурной конструкции при опираний по углам на 4 точки максимальные усилия в поясах возникают по контуру между угловыми точками, (см. рис. 2.5 и 2.15), а в раскосах - в опорной зоне.
При опираний структуры по контуру максимальные усилия в поясах образуются в середине структуры, максимальные усилия в раскосах остаются там же. Основной задачей регулирования НДС является снижение максимальных напряжений в ПСК, поэтому затяжки необходимо ставить там, где усилия в структуре максимальны. В случае опирання структуры на 4 точки затяжки необходимо расставить по контуру (рис. 2.23), а в случае опирання структуры по контуру затяжки необходимо поставить вдоль и поперек неё.
Распределение дополнительных усилий в структуре от действия затяжек по контуру представлено на рис. 2.23. Распределение усилий от действия затяжек через всю структуру показано на рис. 2.24.
В узлах металлодеревянной ПСК образуются довольно значительные моменты, которые приводят к обмятию древесины. Древесина хорошо работает на осевые усилия и плохо работает на усилия, направленные поперек к волокнам. В частности, прочность древесины на сжатие вдоль и поперек волокон различается в 8 раз [97]. На практике, известно довольно много случаев, когда неправильная конструкция соединительного узла приводила к трещинам в соединяемых элементах. В металлодеревянных ПСК возможно возникновение значительных напряжений поперек волокон древесины, из-за которых происходит «обмятие» древесины в узлах. Для того чтобы избежать подобного обмятия, возможно применение шарнирных узловых соединений.
Шарнирные узлы давно применяются в строительных конструкциях. Одним из примеров применения шарнирного узла является собор Николая Чудотворца в г. Кронштадте, построенный в начале XX века (рис. 2.25). Такие узлы использовались там только для металлических конструкций.
Автором предложен новый шарнирный узел для соединения деревянных и металлических элементов взамен существующих жестких узлов металлодере-вянных ПСК, который по своей статической схеме является «идеальным шарниром», что исключает обмятие деревянных элементов (рис. 2.26).
Данный узел состоит из полусферы, на её внутреннюю и наружную поверхность опираются ползунки, в которые упираются элементы раскосов. Ползунки имеют возможность некоторого скольжения вдоль поверхности сферы. Элементы нижнего пояса непосредственно прикрепляются к полусфере при помощи сварки или концевых элементов по типу узла «Мархи» (см. рис. 1.5). Прочность узлового соединения обеспечивается сферической формой узлового элемента, так как шар хорошо работает на сжатие. Соединение ползунков с элементами раскосов осуществляется при помощи концевых элементов также по типу «Мархи». Если в качестве раскосов применяются фанерные трубы, то соединение с ползунками осуществляется при помощи резьбы, на которую навинчиваются трубы.
Применение аналогичного узла (см. рис 2.26) также рационально при соединении деревянных элементов верхнего пояса и деревянных элементов решетки раскосов металлодеревянных ПСК.
Опорный узел металлодеревянной ПСК, в котором к ней прикрепляются затяжки, показан на рис. 2.27. Этот узел, основанный на системе «Кисловодск», выполнен с некоторыми изменениями. Оси раскосов и затяжек сходятся в одной точке. Узловой элемент представляет собой усеченный многогранник.
Конструкция оснастки и системы нагружения экспериментальной конструкции
Для имитации регулируемого напряжения в нижнем поясе структуры к каждому ребру (кроме крайних) при помощи болтового соединения прикрепляется два усиленных уголка 120x180 мм, работающих на разгиб (рис 3.4,рис 3.5). Уголки из стали толщиной 5 мм, усиление выполнено из стального листа толщиной 2 мм. Всего устанавливалось 16 уголков, по четыре с каждой стороны. Уголки с каждой стороны объединялись вместе при помощи траверс из прямоугольных стальных труб и загружались при помощи двух стопок гирь. Благодаря тому, что уголки имеют длину, большую, чем высота сечения конструкции, в ней создается довольно значительный момент, обратный изгибающему моменту и равный 20 % от изгибающего момента, вызванного приложением равномерно распределенной нагрузки.
Снеговое воздействие на ПСК моделируется при помощи 36 гирь по 10 кг, которые ставятся сверху на модель. Данное усилие соответствует весу снегового покрова характерного для Санкт-Петербурга.
Плита опирается по углам на 4 стойки из металлических труб квадратного сечения 100x100 мм. Относительные деформации измерялись в 3 трех установленных точках при помощи тензорезисторов и прогибомеров. Всего наклеивалось 20 активных датчиков, имеющих базу 20 мм, сопротивление R = 100 Ом и тензочувствительность S = 2,12. Датчики наклеивались согласно рекомендациям [34]. Одновременно с установкой датчиков наклеивались монтажные колодки, служащие для предохранения от обрывов проволочных контактов.
Для снятия показаний с тензорезисторов использовались два прибора ЦТМ-5. При испытании опытной ПСК вертикальные и горизонтальные перемещения измерялись 12 прогибомерами 6 ПАО, имеющими цену деления 0,01 мм.
Испытание опытной ПСК проводились в две стадии. На первой стадии ПСК была подвергнута воздействию нормативной снеговой нагрузки в 180 кг/м на примере Санкт-Петербурга. На второй стадии было изучено; влияние дополнительных напряжений в нижнем поясе на НДС конструкции. При этом создание дополнительных напряжений осуществлялось в 10 ступеней.
При этом были поставлены следующие задачи: - выявить и оценить напряженно-деформированное состояние пек при действии нагрузок; - исследовать и оценить влияние дополнительных напряжений по нижнему поясу на ндс конструкции; - оценить эффект дополнительного напряжения и определить наиболее эффективную его величину, для дальнейшей разработки методики регулирования напряжений в конструкции.
При проведении испытаний температура воздуха в лаборатории СПбГА-СУ была около (20 ± 5)С, относительная влажность воздуха - (60 ± 5)%.
Нагружение экспериментальной конструкции нагрузкой, моделирующей снеговое воздействие, производилось 36 гирями, каждая весом 10 кг. При данных испытаниях не ставилась задача довести модель до разрушения, так как предполагалось дальнейшее нагружение опытной ПСК регулируемыми напряжениями (рис. 3.6-3.8). Поэтому для данного примера максимальная нагрузка на опытной конструкции принималась в соответствии с [97] для того, чтобы максимально приблизить испытываемую конструкцию к реальной.
После приложения нагрузки сверху, моделирующей снеговое воздействие, к опытной ПСК была приложена дополнительная нагрузка посредством тяжей (рис. 3.9-3.10).
Усилие в тяжах создавалось при помощи гирь, подвешенных через блоки. Всего использовалось 8 блоков. Усилие натяжения прикладывалось пошагово с измерением параметров НДС на каждом этапе нагружения, что соответствует математической модели расчета. Величина ступеней приложения нагрузки на тяжи составляла около 10 кг. При этом изучалось влияние натяжения тяжей на НДС фанерной плиты, подкрепленной ребрами.
Регулирование НДС при помощи усилий в тяжах было осуществлено дважды, для уточнения влияния фактора времени на возможность древесины релаксировать напряжения. Второй раз регулировка НДС была осуществлена спустя 35 дней.
После каждой ступени снимались показания прогибомеров (рис. 3.12) и тензорезисторов. Каждая ступень приложения нагрузки занимала 10 мин, из которых 2 мин отводилось непосредственно на приложение нагрузки, и 8 мин на снятие показаний приборов.
Конструкция фанерной плиты, усиленная ребрами, не доводилась до разрушения. Характер НДС в процессе второго нагружения тяжей не изменялся
В процессе испытаний исследовано влияние усилий в затяжках на НДС элементов ПСК на рис. 3.13 -рис. 3.15. Приведены графики изменения напряжений в различных точках опытной ПСК.
Практическое применение ПСК с регулированием напряжений
На данный момент в мире существует тенденция строительства стадионов с покрытиями, которые могут открываться и закрываться в зависимости от времени года и погодных условий. Эта тенденция обусловлена двумя дополнительными требованиями, которые все чаще и чаще применяются к современным футбольным стадионам. Во-первых, стадион должен обеспечивать защиту зрителей и игроков от неблагоприятных погодных условий (дождя, снега и т д.), а во-вторых должен обеспечить свободный доступ солнечного света. Солнечный свет необходим как для прорастания травы на футбольном поле, так и по эстетическим соображениям. Для удовлетворения этих двух дополнительных требований строятся и проектируются стадионы с трансформируемыми покрытиями. На рис. 4.1.-4.5 показаны некоторые стадионы мира с открывающимися крышами.
Список основных стадионов мира с раздвигающимися крышами приведен в приложении (с. 146-147).
Итак, представленные конструкции трансформируемых крыш стадионов можно разделить на раздвижные и тентовые. Раздвижные крыши имеют недостаток в необходимости устройства дорогостоящего рельсового пути. Такая конструкция становится тяжелой и громоздкой.
Недостатком тентовых покрытий является возможность их применения только в южных районах, т.е. в местах с относительно небольшой величиной снеговой нагрузки.
В данной работе предлагается новый вариант открывающейся крыши, которая позволяит избежать этих недостатков рис. 4.6.
Крыша состоит из отдельных отсеков, каждый из которых представляет собой металлодеревянную структуру, опирающуюся одним концом на шарнир, другим - на оттяжки. По нижнему поясу предусмотрены металлические тяжи с возможностью регулирования внутренних усилий. Размер каждого блока составляет 32x32 м, но возможно применение блоков и большего размера.
В опущенном положении в тяжах создается разгружающее усилие, которое уменьшает усилия в элементах структуры. В вертикальном положении, когда вся структура работает на сжатие, металлические тяжи полностью разгружаются и структура работает только под действием собственного веса.
Растянутые элементы выполнены из металла, сжатые - из дерева. Таким образом в данной конструкции достигается наиболее полное использование свойств обоих конструкционных материалов: металла и дерева.
В предлагаемой конструкции подъем покрытия осуществляется при помощи вант. Разрез конструкции крыши в закрытом и открытом состояниях с углом наклона крыши 30 и 60 представлен на рис. 4.7 и 4.8 соответственно.
Структурный блок конструкции крыши стадиона одним концом шарнирно опирается на стойки, а другим - закреплен при помощи вант. Ванты перекинуты через вертикальные стойки, закрепленные оттяжками. Металлические тяжи представляют собой канаты, свитые из стальных проволочек со стяжной муфтой. Для удобства регулирования напряжений стяжную муфту необходимо расположить ближе к стойке. В вертикальном положении блок крыши представляет собой двухветвевую колонну, в которой наиболее актуальна потеря местной устойчивости стальных элементов. Конструкция крыши получается более легкой благодаря отсутствию рельсового пути, рациональному сочетанию металла и дерева, а также регулированию усилий [13].
Для определения несущей способности предложенной конструкции выполнен численный эксперимент методом конечных элементов в программном комплексе Lira 9.6. Конструкция представлена как стержневая система, стержневые элементы смоделированы универсальным пространственным стержневым КЭ. Опирание задано по углам на четыре точки. Затяжки поставлены в уровне нижнего пояса- Усилие в затяжках задавалось ступенчато: 16 и 32 т.
Выполненный расчет показал уменьшение максимальных усилий в элементах конструкции кровли при создании дополнительных усилий в затяжках. В частности, максимальное усилие в элементах нижнего пояса структуры уменьшилось с 66 до 23 т (при усилиях в затяжках 32 т). Эти результаты могут быть использованы для дальнейшего совершенствования конструкции.
