Введение к работе
Актуальность работы. Арочные конструкции находят широкое применение при строительстве спортивных, общественных и промышленных сооружений, а также в сводчатых и купольных покрытиях, благодаря своей эстетичности и возможности перекрывать значительные пролёты.
Многослойная арка из гнутых досок является одной из прогрессивных форм деревянных конструкций. Клеёные деревянные арки достаточно полно удовлетворяют требованиям современного индустриального производства конструкций. Простота изготовления, высокая степень заводской готовности, удобство транспортирования и монтажа, возможность придания геометрической оси арки наиболее рационального очертания, архитектурная выразительность и достаточная огнестойкость, наличие обширной сырьевой базы – вот основные достоинства, обеспечивающие их широкое применение. Об эффективности клеёных деревянных конструкций (КДК) можно судить еще и по тому, что их использование при строительстве объектов различного назначения позволяет уменьшить общую массу сооружения в 2,5-3 раза по сравнению с железобетонными вариантами, снизить трудоёмкость возведения на 40-50% и транспортные расходы в 2 раза. Весьма эффективно применять клееные деревянные конструкции в химически агрессивных средах. Срок эксплуатации деревянных конструкций (в том числе и клееных) в условиях солевой агрессии превышает 40-50 лет без дополнительных затрат на защиту от коррозии, в то время как железобетонные и стальные конструкции подвергаются интенсивному разрушению через 10-15 лет и требуют систематического проведения дорогостоящих антикоррозионных мероприятий.
Несмотря на широкое применение КДК в современном строительстве, проблема устойчивости большепролетных арок до сих пор изучена недостаточно полно, что сдерживает совершенствование нормативной базы и разработку практических рекомендаций по проектированию и расчету арочных конструкций. В действующей нормативной литературе отсутствуют рекомендации по обеспечению пространственной жесткости криволинейных стержней имеющих отношение высоты h к ширине b сечения арки k = h/b > 5. Высокая деформативность арок, имеющих достаточно большую гибкость как в плоскости, так и из плоскости действия нагрузок при недостаточной жесткости связей, приводит к потере устойчивости плоской формы деформирования полуарок со сжатой внутренней кромкой и к потере пространственной устойчивости сооружения в целом. Для более точного определения несущей способности арок необходимо учитывать пространственную работу всего сооружения в целом, включая связевые блоки и дискретные подкрепления кромок распорками. При этом конструкции и элементы должны быть прочно и надежно соединены между собой.
Цель работы – создание на основе экспериментальных и численных методов научно-обоснованных расчетных моделей и методики оценки устойчивости большепролетных деревянных арочных конструкций, адекватно отражающих работу реальных пространственных сооружений, для надежного и рационального проектирования.
Исходя из поставленной цели работы, решались следующие задачи:
-
Анализ существующих подходов к решению проблемы устойчивости большепролетных деревянных арок.
-
Выявление характера и причин разрушения большепролетных конструкций с увеличенным соотношением высоты сечения к ширине (параметра k = h/b) в экспериментальных испытаниях моделей арок из клееной древесины.
-
Разработка расчетной модели большепролетной деревянной арки на основе экспериментальных испытаний моделей арок из клееной древесины и вычислительных экспериментов в ПК ANSYS по исследованию влияния на критическую нагрузку и характер потери устойчивости арочной конструкции:
разных видов загружения;
расчетной конечно-элементной модели;
увеличения соотношения высоты сечения арки к ширине (k);
разных вариантов закреплений арки в пространстве;
жесткости накладываемых связей и расстановки соединительных элементов в пространстве;
учета анизотропии свойств древесины;
типа анализа устойчивости (линейного, нелинейного).
-
Разработка методики расчета устойчивости пространственной арочной конструкции, алгоритма и программных модулей.
-
Применение разработанной методики к расчету реального арочного сооружения.
-
Сравнительный анализ результатов расчета по предлагаемой методике и по методикам, рекомендуемым СНиП.
Научная новизна результатов исследования.
Автором разработана компьютерная модель и создан программный модуль (на языке APDL), реализующие методику расчета устойчивости большепролетной арочной конструкции с учетом анизотропных свойств древесины, в линейной и геометрически нелинейной постановках.
Экспериментально установлено и теоретически доказано, что для стрельчатых арок при соотношении высоты сечения h к ширине b больше 5 характерна пространственная форма деформаций, связанная с потерей устойчивости плоской формы деформирования сжатой грани полуарки, и эффект от введения дополнительных связей возрастает при увеличении этого соотношения.
Вычислительные эксперименты показали, что на величину расчетной критической нагрузки и характер деформаций существенно влияет учет анизотропных свойств материала. Без учета анизотропии расчетные значения критической нагрузки существенно превышают экспериментальные значения.
Верификация экспериментальных и теоретических исследований позволила выявить и обосновать необходимость учета при расчете арочных конструкций жесткости связей, обеспечивающих пространственную устойчивость конструкции.
Выявлен эффект действия дополнительных связей на нижних гранях арок в пространственной конструкции, препятствующих боковым перемещениям, состоящий в том, что арки без дополнительных связей теряют несущую способность при меньших нагрузках от потери устойчивости; арки с дополнительными связями теряют несущую способность при больших нагрузках в результате разрыва волокон материала.
На основании сравнения результатов натурных и вычислительных экспериментов показано, что для арок без дополнительных связей на нижних гранях более близкие к экспериментальным значениям критические нагрузки дает линейный расчет устойчивости равновесия, а для арок с дополнительными связями – нелинейный расчет.
Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований позволяют внести корректировку в методику СНиП по изменению коэффициентов, учитывающих пространственную жесткость конструкции при проведении проектировочных расчетов.
Основные разделы работы выполнялись в рамках тематического плана госбюджетных НИР по заданию Министерства образования РФ по направлению «Совершенствование методов проектирования зданий, конструкций, оснований и фундаментов, санитарно-технических систем, дорожно-транспортных комплексов с учетом энергосбережения и экологии».
Внедрение результатов исследования: Методика численного моделирования пространственной работы деревянных клееных арочных систем с учетом ортотропных свойств клееной древесины использована в ОАО «Галлургия» г. Перми при разработке конструкций большепролетных арок для складов калийных солей, получен акт о внедрении.
Результаты исследования используются в учебном процессе Пермского национального исследовательского политехнического университета при выполнении научно-исследовательских работ студентов и магистрантов, а также в курсовом и дипломном проектировании.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной математической постановкой задач, использованием известных предпосылок и допущений, базирующихся на принципах и методах строительной механики, и подтверждена данными экспериментальных исследований.
На защиту выносятся
-
Аналитический обзор существующих подходов к решению проблемы устойчивости большепролетных деревянных арочных сооружений.
-
Результаты экспериментального исследования моделей арок с увеличенным соотношением размеров сечения и условиями закрепления при симметричном и несимметричном нагружении.
-
Расчетные модели, отражающие работу большепролетных арочных сооружений, и исследование влияния различных факторов на устойчивость их равновесия. Результаты вычислительных экспериментов.
-
Методика расчета устойчивости большепролетной арочной конструкции в линейной и нелинейной постановках с учетом анизотропии свойств древесины и геометрической нелинейности.
-
Верификация результатов вычислительных и натурных экспериментов по устойчивости моделей большепролетной арки.
-
Результаты численного моделирования и расчета реального арочного сооружения (склада) и сравнение с методикой, рекомендуемой СНиП.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной зимний школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009); 3-ей всероссийской конференции «Винеровские чтения» (Иркутск, 2009); II, III, IV Международных симпозиумах «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Пермь, 2008, Новочеркасск, 2010, Челябинск, 2012); Х Международной конференции Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах (Пермь, 2010); научной сессии «Проблемы нелинейного расчета большепролетных пространственных конструкций» (Москва, 2010); научной сессии «Актуальные вопросы исследований и проектирования пространственных конструкций с применением физического и компьютерного моделирования» (Москва, 2011); 7-а международна научна практична конференция «Ключови въпроси в съвременната наука» (София, 2011); XXIV Международной конференции Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов BEM&FEM (Санкт-Петербург , 2011).
Публикации. По тематике диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 работы в изданиях, включенных ВАК в перечень рекомендуемых.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав (с выводами по каждой главе), заключения, списка литературы (111 наименования, в том числе – 12 на иностранных языках), 65 рисунков и 5 таблиц. Общий объём диссертации – 112 страниц.
