Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, обоснование задач исследований
1.1. Общие сведения 12
1.2. Обзор предварительно напряженных конструкций 14
1.3. Способы преднапряжения в конструкциях из различных материалов 28
1.4. Цели и задачи исследований 33
2. Опытно-конструкторские разработки управляемых блок-секций с предварительно напряженными деревянными элементами
2.1. Общие положения, принятые при разработке опытной конструкции 35
2.2. Блок-секция с управляемыми перемещениями ригеля в коньке 40
2.3. Блок-секции с управляемым напряженно-деформированным состоянием 46
2.3.1. Блок-секция раскосного типа с жестким коньковым узлом марки ПБС-12-Ж 46
2.3.2. Блок-секция раскосного типа с горизонтальными затяжками в уровне ригеля марки ПБС-12-3 50
2.3.3. Блок-секция с жестким коньковым узлом и деревянными раскосами марки ПБС-12-Р 53
2.4. Область применения 56
2.5. Выводы 58
3. Численные исследования напряженно-деформированного состояния блок-секции
3.1. Цели численных исследований 60
3.2. Численные исследования напряженно-деформированного з состояния блок-секций 61
3.3. Управление перемещениями 73
3.3.1. Управление перемещениями во внешне статически определимой блок-секции марки ПБС-12 72
3.3.2. Управление перемещениями во внешне статически неопределимой блок-секции марки ПБС-12-Ж 77
3.3.3. Управление перемещениями во внешне статически неопределимой блок-секции марки ПБС-12-3 83
3.4. Управление усилиями во внешне статически неопределимой блок-секции марки ПБС-12-Р 89
3.5.Выводы 100
4. Методика физических экспериментов с крупномасштабными моделями управляемых блок-секций
4.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 101
4.2. Общие положения 101
4.3. Методика проведения физических экспериментов 104
4.3.1. Блок-секция марки ПБС-12 105
4.3.2. Блок-секция марки ПБС-12-Ж 110
4.3.3. Блок-секция марки ПБС-12-3 114
4.3.4. Блок-секция марки ПБС-12-Р 116
5. Анализ результатов физических экспериментов 121
5.1. Блок-секция марки ПБС-12 123
5.2. Блок-секция марки ПБС-12-Ж с жестким коньковым узлом 126
5.2.1. Испытание блок-секции без предварительного напряжения 127
5.2.2. Испытание блок-секции с созданием предварительного напряжения 130
5.3. Блок-секция с деревянными затяжками, размещенными в уровне ригеля, марки ПБС-12-3 133
5.3.1. Испытание блок-секции без предварительного напряжения 134
5.3.2. Испытание блок-секции с созданием предварительного напряжения 137
5.4. Блок-секция марки ПБС-12-Р с деревянными раскосами 140
5.4.1. Испытание блок-секции без предварительного напряжения 141
5.4.2. Испытание блок-секции с созданием предварительного напряжения 143
5.5. Выводы 146
6. Рекомендации по расчету, конструированию и изготовлению управляемых блок-секций с предварительно напряженными деревянными элементами и их технико-экономическая эффективность
6.1. Общие положения 148
6.2. Материалы 148
6.3. Конструирование и расчет 150
6.4. Изготовление блок-секций 157
6.5. Меры защиты 161
6.6. Технико-экономическая эффективность конструкций 162
Основные выводы 166
Список литературы 167
Приложение
- Способы преднапряжения в конструкциях из различных материалов
- Блок-секция раскосного типа с горизонтальными затяжками в уровне ригеля марки ПБС-12-3
- Управление перемещениями во внешне статически определимой блок-секции марки ПБС-12
- Испытание блок-секции с созданием предварительного напряжения
Способы преднапряжения в конструкциях из различных материалов
Оценивая результаты проведенных за рубежом и в России опытно-конструкторских разработок и экспериментально-теоретических исследований предварительно напряженных деревянных конструкций, можно сделать следующие выводы: 1. Малочисленны конструктивные решения предварительно напряженных деревянных конструкций, в том числе и снабженных дерелаксаци-онными устройствами. 2. Мало изучены потери предварительного напряжения деревянных элементов. 3. Отсутствуют в научно-технической литературе сведения по управлению напряженно-деформированным состоянием блок-секций с предварительно напряженными деревянными элементами и оценке потерь пред-напряжения; 4. Отсутствуют нормативные документы и рекомендации по расчету, конструированию и изготовлению такого типа конструкций. С учетом вышеизложенного, целью работы являлось создание управляемых блок-секций с предварительно напряженными деревянными элементами, экспериментально-теоретическая оценка потерь преднапря-жения и составление рекомендаций по их учету при проектировании. При выполнении опытно-конструкторских разработок и экспериментально-теоретических исследований по теме диссертации были поставлены следующие основные задачи: - обобщить и проанализировать накопленный опыт конструкторских разработок, проведенных в направлении предпринятых автором исследований; - разработать конструкции управляемых блок-секций с предварительно напряженными деревянными элементами, в которых регулирование напряженно-деформированного состояния (НДС) осуществляется с помощью дерелаксационных устройств; - провести численные исследования НДС управляемых блок-секций с различными техническими решениями, сделать оценку суммарных потерь предварительного напряжения без дифференциации их по виду с использованием новейших программных комплексов «SCAD» и «ЛИРА»; - провести экспериментальные исследования ряда крупноразмерных моделей блок-секций на основе древесины, снабженных дерелаксацион-ными устройствами в опорных узлах, с целью проверки достоверности численных исследований и изучения действительного характера их работы; - проверить технологичность конструкций путем изготовления их элементов и соединений, а также сборки опытных блок-секций в масштабе 1:2; - дать оценку технико-экономической эффективности предлагаемых конструкций; - разработать рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению управляемых блок-секций с предварительно напряженными деревянными элементами; - предпринять усилия по внедрению результатов исследований в практику строительного проектирования и производства. Опытно-конструкторские разработки управляемых блок-секций на основе древесины с предварительно напряженными элементами проведены в соответствии с требованиями [129-132,142-146, 157-159]. В качестве основных материалов использованы пиломатериалы хвойных пород с влажностью 10+2% по ГОСТ 8486-86 [40], прокатная и листовая сталь. Для склеивания элементов приняты водостойкие клеи, рекомендуемые действующими нормативными документами. В качестве утеплителей предусмотрено использовать заливочные пенопласты марок ФРП, ФПБ, пенополистирольные плиты по ГОСТ 9573-96 [41]. Опытные конструкции разработаны для отапливаемых и неотапливаемых зданий с температурно-влажностными режимами эксплуатации А1, А2, Б1, Б2 [158]; снеговая расчетная нагрузка принята по [154] для IV района равной 2,4 кПа, а ветровая нормативная нагрузка для III района -0,38 кПа. Разработка блок-секций, проведенная автором, базируется на работах по управлению конструкциями [6-8] и созданию конструктивных решений деревянных рамнопанельных блок-секций зданий [62,177]. При разработке опытной конструкции исходили из целесообразности и необходимости: - эффективно использовать свойства применяемых в конструкциях мате риалов; - руководствоваться принципом упрощения конструктивной формы при одновременном уменьшении общей массы конструкции (в сравнении с из вестными аналогами); - использованть в блок-секции дерелаксационные устройства, обеспечивающие «слежение сил преднапряжения за изменением деформаций» и снижающие потери преднапряжения; - конструировать узлы, соединения и элементы с учетом требований скоростного монтажа и демонтажа, многократного использования, транспортабельности конструкций, мобильности и современного крупноблочного монтажа. Пространственная работа конструкции блок-секции обеспечивалась путем включения элементов ограждений (обшивок, второстепенных ребер, обрамлений и т. п.) и связей в общую работу системы и, главным образом, благодаря проектированию и использованию в блок-секциях крупноразмерных ребристых плит и панелей. Их конструировали с П-образным поперечным сечением, что определило сравнительно небольшую трудоемкость изготовления и сборки конструкции. Такое решение обеспечивает простоту выполнения узловых соединений конструкций, повышает долговечность покрытий. В этом случае все основные несущие элементы конструкций находятся внутри помещения в одинаковых температурно-влажностных условиях, что исключает возможность их конденсационного увлажнения, обеспечивает хорошее проветривание без устройства специальных продухов, делает эти элементы доступными для осмотра, ремонта, периодической окраски и пропитки, в том числе и огнезащитными составами.
Блок-секция раскосного типа с горизонтальными затяжками в уровне ригеля марки ПБС-12-3
Предварительно напряженная блок-секция, с точки зрения строительной механики, - пластинчато-стержневая система, подлежащая моделированию на расчетной схеме пространственной системой. Однако при принятии известных упрощающих гипотез оказывается вполне допустимым расчет по плоской стержневой схеме. Для исследуемых конструкций различие между пространственной и плоской схемами должно быть учтено главным образом при анализе напряженного состояния ригеля, выполненного в реальной конструкции в виде крупноразмерных плит.
Развитие направления по созданию пространственных конструкций с предварительно напряженными элементами затрудняет реономный характер свойств древесины: с одной стороны, он определяет существенную податливость в узловых соединениях, связанную с ползучестью, а с другой стороны, релаксацию напряжений в древесине элементов.
Исследованием ползучести материала занимались Л.М. Качанов, Е.Н. Квасников, Н.Н. Малинин, Ю.Н. Работнов, А.Р. Ржаницин и др. Ивановым Ю.М. были исследованы процессы пластического течения (ползучести), его последствия и влияние пластического течения на структуру древесины.
Использование в конструкциях «автоматической» дерелаксации во времени и обеспечение «слежения сил преднапряжения за изменением деформаций» позволяют сохранять долговременный эффект предварительного напряжения в деревянных элементах. Однако до настоящего времени потери преднапряжения в деревянных элементах не изучены. В связи с изложенным выше, автор преследовал в численных исследованиях цель сделать количественную оценку величин потерь преднапряжения без дифференциации их по виду в предлагаемых конструкциях. В рамках диссертационного исследования предполагалось решить следующие задачи: - изучить с использованием программного комплекса «SCAD», «Лира» напряженно-деформированное состояние управляемых блок-секций с предварительно напряженными деревянными элементами; - оценить суммарные потери предварительного напряжения без дифференциации их по виду при кратковременных и длительных нагрузках; - проанализировать влияние различных конструктивных решений на потери преднапряжения. При изучении влияния потерь предварительного напряжения с учетом податливости в узловых соединениях и длительного модуля упругости на напряженно-деформированное состояние блок-секций автором проведен ряд численных исследований по программным комплексам SCAD и ЛИРА, реализующих метод конечных элементов [102, 184], с использованием методик [83]. Напряженно-деформированное состояние блок-секций пролетом 12 м изучалось, по плоской и пространственной схемам от действия равномерно-распределенных кратковременных и длительных нагрузок собственного веса и веса снегового покрова, приложенных к ригелю. Расчет выполнялся для двух схем загружения. В первой схеме равномерно распределенную вертикальную нагрузку интенсивностью 3 кПа, состоящую из постоянной (вес утеплителя и кровли) и кратковременной (снеговая) нагрузок, прикладывали к ребрам по всему пролету конструкции (рис. 3.1); во второй - постоянную интенсивностью 0,6 кПа прикладывали по всему пролету, а временную (снеговую для IV района) - на половину пролета. Нагрузка от собственного веса прикладывалась автоматически программой с учетом объемного веса материала и размеров поперечного сечения элементов. В работе [83] деформации в узловых соединениях комбинированных конструкций на основе древесины проводили по деформируемой схеме с использованием условного модуля деформативности Еу. Условный модуль деформативности вычисляли по формуле где Е- исходный модуль упругости деревянных элементов блока (=10000 МПа); 5 - расчетное предельное значение деформаций податливости, принимаемое в зависимости от предельной деформации узлового соединения (на лобовых врубках и торец в торец - 1,5 мм; на нагелях всех видов - 2,0 мм; в примыканиях поперек волокон - 3,0 мм) и степени использования не-сущей способности; F - площадь сечения стержня, м ; N - усилие, действующее в стержне, кН; / - длина стержня, м. Автором проведено дальнейшее преобразование формулы для расчета по деформируемой схеме с учетом деформаций податливости узловых соединений. Величины линейных деформаций податливого соединения д при полном использовании несущей способности регламентируются данными табл. 15 по [158] при действии осевых усилий. В расчет необходимо вводить не предельные деформации, а расчетные, скорректированные с учетом действующих напряжений (или иначе - степени использования несущей способности) узлового соединения.
Управление перемещениями во внешне статически определимой блок-секции марки ПБС-12
Расчетом на первой стадии блок-секции установлено: вертикальное перемещение конька при нормативной нагрузке оказалось равным 21,14 мм (что составляет 1/560 пролета конструкции и меньше предельного значения - 1/250 пролета). При расчетной нагрузке максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в месте опирання на стойку ас = 7,15 МПа; максимальное напряжение в растянутых волокнах os = 5,76 МПа.
На второй стадии (по деформированной схеме) численных исследований установлено: перемещение конька при нормативной нагрузке оказалось равным 23,15 мм (составило 1/517 пролета конструкции), разница с перемещением конька на первой стадии составила 9 %.
При расчетной нагрузке максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в месте опирання на стойку ас = 7 МПа, разница со значением напряжения, найденным расчетом на первой стадии, составила 2 %; максимальное напряжение в растянутых волокнах ст8 = 5,65 МПа, разница составила 2 %. Третья стадия - расчет по деформированной схеме с учетом длительного модуля упругости (без предварительного напряжения блок-секции). Длительный модуль упругости Ед, = 8890 МПа.
Перемещение конька при нормативной нагрузке увеличилось и оказалось равным 25,3 мм (1/474 пролета конструкции), разница с перемещением на первой стадии составила 16 %. При расчетной нагрузке максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в месте опирання на стойку уменьшилось ас = 6,89 МПа, разница с напряжением на первой стадии составила 4 %. Максимальное напряжение в растянутых волокнах as = 5,6 МПа, разница составила 3 %. По полученным данным видно, что перемещение конька здесь заметно больше, а напряжения изменяются в меньшей степени. Расчетом конструкции на четвертой стадии, с созданием предварительного напряжения стальных раскосов, при приложении только нагрузки от собственного веса перемещение конька вверх оказалось равным 76,83 мм, максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в месте опирання на стойку ас = 5,6 МПа; максимальное напряжение в растянутых волокнах as = 4,51 МПа. После приложения нормативной снеговой нагрузки перемещение конька вверх уменьшилось и составило 58,27 мм. При расчетной нагрузке максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в месте опирання на стойку стс = 12,1 МПа; максимальное напряжение в растянутых волокнах as = 9,73 МПа. Из значений видно, что за счет создания предварительного напряжения конек перемещается вверх и после приложения нормативной нагрузки значение перемещения конька уменьшается на 18,56 мм (разница составляет 24 %); напряжения в ригеле над стойкой возрастают в 2 раза. При решении задачи на пятой стадии, а именно, по деформированной схеме с предварительным напряжением раскосов получили следующие данные. При нормативной нагрузке перемещение конька вверх оказалось равным 54,79 мм, за счет деформации в узловых соединениях заданное перемещение вверх уменьшилось на 6 %. В расчетном сечении основного ребра в месте опирання на стойку при расчетной нагрузке напряжения оказались равны: нормальное напряжение в сжатых волокнах уменьшилось в сравнении со значением, установленным на четвертой стадии, стс = 11,58 МПа, разница составила 4 %; максимальное напряжение в растянутых волокнах уменьшилось, CTS = 9,56 МПа, разница составила 2 %. Шестая стадия - расчет предварительно напряженной блок-секции по деформированной схеме с учетом длительного модуля упругости. При нормативной нагрузке перемещение конька вверх уменьшилось и оказалось равным 47,42 мм. Потери заданного перемещения конька вверх, заданного с помощью предварительного напряжения, в сравнении с четвертой стадией составили 19 %. При расчетной нагрузке максимальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в месте опирання на стойку ас = 10,78 МПа, потери напряжения составили 11 %; максимальное напряжение в растянутых волокнах as = 8,69 МПа, потери составили 11 %. На рис. 3.12 показаны эпюры нормальных напряжений в основном ребре, а на рис. 3.13 - эпюры изгибающих моментов в ригеле, установленные на шести стадиях расчета. На рис. 3.14 показана гистограмма перемещений конька, а на рис. 3.15, 3.16 - гистограммы нормальных напряжений в сжатом и растянутом волокнах расчетного сечения ригеля блок-секции ПБС-12-Ж.
Для оценки возможности регулирования напряженного состояния блок-секции, в частности нормальными напряжениями в ригеле, с помощью дерелаксационных устройств необходимо знать максимальное значение контролируемого напряжения, в частности - напряжение в сжатых и растянутых волокнах в ригеле над стойкой, соответствующее максимальному вертикальному перемещению торца опорного швеллера (см. рис. 2.18). Как и в предыдущей конструкции, максимальное перемещение торца швеллера АСтах = 25 мм. Ему соответствует напряжение в сжатых волокнах астк = 1,22 МПа, в растянутых - ст х = 0,98 МПа.
Одна из задач управления напряженным состоянием блок-секции во время эксплуатации может быть связана с уменьшением и контролем потерь предварительного напряжения в ригеле. Решение этой задачи определяет необходимость периодического поддержания уровня предварительных напряжений с целью компенсации релаксации. Для этого нужно знать взаимосвязь между перемещением торца опорного швеллера и изменением напряженного состояния в ригеле. Для исследуемой конструктивной схемы выявлено, что при повороте швеллера, обусловливающем перемещение его торца вниз на / = 1 мм, изменение напряжения в сжатых волокнах ригеля А гС = - - = 0,049 МПа, в растянутых - Ас? = - - = 0,039 МПа.
Испытание блок-секции с созданием предварительного напряжения
Замена стальных раскосов на деревянные раскосы и создание в них усилия сжатия при помощи раскручивания муфт позволяет создать момент в ригеле над стойкой обратного знака по отношению к эксплуатационному.
Определим необходимое усилие преднапряжения, при котором моменты в ригеле на опоре (в месте опирання ригеля на стойку) и в коньке будут равны. Предварительное напряжение будем задавать при помощи температурной нагрузки. Момент над опорой Мо = 33 кН-м, момент в коньке Мк = 16,5 кН-м. Необходимый момент М = Мо- (Мо + Мк)/2 = 8,25 кН-м. Усилие в результате единичного температурного воздействия в затяжке Гц = - 0,0042 кН. Требуемое усилие для создания М = 8,25 кН-м находим из уравнения N = М/а, где а = 1,03 м - плечо. Продольное усилие N = 8,25/1,03 = 8,0 кН. Значение температурной нагрузки xl = N/гц = 8,0/0,0042 = 1900 С. В результате расчета с заданным значением преднапряжения происходит выравнивание моментов до М= 25 кН. При этом перемещение конька не превышает предельного прогиба.
В результате расчета конструкции на четвертой стадии, с созданием предварительного напряжения деревянных раскосов, перемещение конька вниз только от собственного веса конструкции оказалось равным 28,58 мм (что составляет 1/420 пролета конструкции, меньше предельного - 1/250 пролета). При создании предварительного напряжения в раскосах, в верхних растянутых волокнах ригеля над стойкой возникают сжимающие напряжения, а в нижних сжатых - напряжения растяжения. Максимальное напряжение сжатия в верхних волокнах основного ребра в месте опирання на стойку стс = 0,99 МПа; максимальное напряжение в нижних волокнах as = 0,8 МПа. Максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в коньковом узле стс = 2,12 МПа; в растянутых волокнах as = 2,64 МПа. После приложения нормативной нагрузки перемещение конька увеличилось и оказалось равным 47,6 мм (что составляет 1/252 пролета конструкции), в верхних растянутых волокнах ригеля над стойкой возникают напряжения растяжения, а в нижних сжатых - сжимающие напряжения.
При расчетной нагрузке максимальное сжимающее напряжение в сжатых волокнах основного ребра в месте опирання на стойку тс = 5,76 МПа; максимальное напряжение в растянутых волокнах CTS = 4,64 МПа. Максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в коньковом узле ас = 4,64 МПа; в растянутых волокнах as = 5,76 МПа.
Сравнивая полученные на четвертой стадии данные с данными, установленными на первой стадии, видим, что за счет создания предварительного напряжения конек перемещается вниз, но перемещение не превышает предельного прогиба, разница составляет 54 % (25,94 мм); значения максимальных напряжений в ригеле над стойкой уменьшаются (разница составляет 23 %), а в коньке увеличиваются (разница составляет 35 %). Краевые напряжения в ригеле на опоре и в коньке между собой выравниваются вследствие предварительного напряжения ригелей.
При решении задачи на пятой стадии, а именно, по деформированной схеме с предварительным напряжением раскосов получили: при нормативной нагрузке перемещение конька оказалось равным 48,86 мм, за счет деформации в узловых соединениях перемещение конька увеличилось на 3 %. В расчетном сечении основного ребра, в месте опирання на стойку, при расчетной нагрузке максимальное сжимающее напряжение уменьшилось, ас = 5,66 МПа, разница составила 2 %; максимальное напряжение в растянутых волокнах as = 4,56 МПа, разница составила 2 %. Максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в коньковом узле увеличилось, ас = 4,7 МПа, разница составила 1 %; в растянутых волокнах CTS = 5,8 МПа, разница составила 1 %. Шестая стадия - расчет предварительно напряженной блок-секции по деформированной схеме, с учетом длительного модуля упругости. При нормативной нагрузке перемещение конька оказалось равным 50,34 мм. Перемещение конька после предварительного напряжения (на четвертой стадии) с учетом Едл и деформаций в узловых соединениях увеличилось, разница составила 6 %. При расчетной нагрузке максимальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в месте опирання на стойку уменьшилось, ас = 5,58 МПа, потери преднапряжения составили 3 %; максимальное напряжение в растянутых волокнах cs = 4,5 МПа, потери составили 3 %. Максимальное нормальное напряжение в сжатых волокнах основного ребра в коньковом узле увеличилось, ас = 4,87 МПа, разница составила 4 %; в растянутых волокнах, as = 6,0 МПа, разница составила 4 %. На рис. 3.24 показаны эпюры нормальных напряжений в основном ребре, а на рис. 3.25 - эпюры изгибающих моментов, установленные расчетом на шести стадиях.
