Совершенствование плитно-структурных металлодеревянных конструкций

Одними из наиболее широко распространенных строительных конструкций, являются структурные конструкции, которые при ограниченном расходе материала позволяют перекрывать значительные пролеты.

В настоящее время при проектировании и строительстве нормируют и ограничивают напряжения в конструкциях. При этом напряженно-деформированное состояние (НДС) в процессе эксплуатации практически не контролируют. И лишь совсем недавно стало развиваться направление, непосредственно связанное с регулированием НДС конструкций в процессе эксплуатации. Переход к управлению деформированием конструкций открывает новые возможности для инженерного конструирования.

В 60−70-х гг. XX в были разработаны управляемые конструкции, представляющие собой деформируемые системы с переменными управляемыми параметрами. Управляемые конструкции, по сравнению с традиционными, позволяют достичь качественно новых характеристик [13]:

— снижения материалоемкости за счет рационального изменения напряженного и деформированного состояния при переменных во времени внешних воздействиях и параметрах конструкции;

— более полного использования ресурсов конструкции, повышения их эффективности особенно в тех случаях, когда традиционные способы конструирования становятся малоэффективными или технически нереализуемыми;

— предотвращения аварийных ситуаций;

— управления конструкцией в трудно доступных для человека местах;

На данный момент существует значительное количество литературы о конструкциях с регулируемым распределением усилий [11] [13] [3] [7], за границей издается специальный журнал по данной тематике, однако практически нет работ, посвященных автоматическому управлению металлодеревянными структурными конструкциями. Настоящая диссертационная работа направлена на восполнение данного пробела в научных исследованиях.

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 металларазработать методику инженерного расчета металлодеревянных конструкций с регулируемыми напряжениямиусовершенствовать узловые соединения элементов ПСК, обеспечивающие минимальную податливость стыков поясов и решеткивыполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния конструкции с учетом регулирования усилийоценить влияние влажности, температуры, податливости узлов на напряженно-деформированное состояние металлодеревянных конструкцийпровести экспериментальные исследования и оценить несущую способность и деформативность металлодеревянных ПСК с регулируемыми усилиями в затяжкахразработать рекомендации по использованию большепролетных ПСК для трансформируемых крыш (покрытий).

Научную новизну составляют и выносятся на защиту:

• результаты исследования влияния регулировать усилий в затяжках для уменьшения материалоемкости металлодеревянной ПСК;

• конструкция безмоментного узлового соединения нижнего пояса ПСК с раскосами (заявка № 2 011 105 728 от 15.02.2011);

• выбор рационального расположения затяжек в металлодеревянных ПСК в зависимости от условий их опирания;

• 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 механикеметодикой экспериментальных исследованийчисленных экспериментов с использованием стандартных программприемлемой 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, 2010 год), 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 119 наименований и 2 приложений. Общий объем 147 страниц, 74 рисунка, 12 таблиц.

Выводы.

1. Изготовленная экспериментальная установка и физическая модель ПСК соответствуют принятой для испытания расчетной схеме, а работа затяжек при испытаниях соответствовала их работе в ПСК.

2. Максимальные напряжения в экспериментальной конструкции уменьшаются под влиянием усилий в затяжках.

3. При испытании экспериментальной конструкции наблюдается удовлетворительное совпадение экспериментальных результатов исследования влияния усилий в затяжках на НДС в ПСК с данными дискретной и континуальной теории. Максимальное расхождение результатов составляет 20%.

ГЛАВА 4: РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ ИХ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ.

4. Г Алгоритм расчета ПСК.

Расчет усилий в ПСК можно вести с помощью программ Lira, АРМ. усилия в характерных точках могут быть проверены с помощью аналитического метода. Для этого решаем дифференциальное уравнение, находим усилия в л л поясах ПСК. Получаем М— aqa, О ~ (32^/2- N= Piqa, где q — расчетная нагрузка: а, (3, и (32 — коэффициенты, зависящие от формы, упругих постоянных, размеров панели ПСК.

Расставляем затяжки в соответствии с указаниями п. 2.3, с. 75. При расстановке затяжек по схеме (рис. 2.23) выбираем коэффициент, на который мы хотим уменьшить усилия в элементе при помощи затяжек. По опыту проектирования этот коэффициент принимается в пределах от 1,2 до 1,7. По формуле (2.26) находим требуемое усилие в затяжке. Алгоритм этого расчета представлен на рис. 2.35.

В случае расстановки затяжек по схеме рис. 2.23 дальнейший расчет ведем на ПК при помощи МКЭ.

При этом в программных комплексах сначала строится конечно-элементная модель из стержневых элементов. Каждый элемент структуры представляет собой один стержневой конечный элемент. Затем задаются точки опирания. Обычно в одной из точек опирания запрещается перемещение по осям х, у, х, и поворот вокруг всех них, а в остальных точках опирания запрещается только перемещение по оси z.

Далее задаем жесткости элементов и статическую нагрузку на структуру. Расставляем затяжки в соответствии с указаниями п. 2.3. Затем к узлам структуры, в которых планируется установка дополнительных связей для регулировки напряжений, прикладываем нагрузку, эквивалентную этим дополнительным усилиям. Выполняем расчет ПСК в соответствии с алгоритмом на рис. 2.34.

После выполнения расчета анализируем получившуюся мозаику напряжений.

4.2 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.

Рис. 4.2. Строящийся стадион Зенита в Санкт-Петербурге. Вместимость 62 ООО.

Крыша открыта.

Рис. 4.4. Кобе Винг Стэдиум, или Хоумс Стэдиум Кобе, или Мисаки Парк Стэдиум (г. Кобе, Япония). Построен в 2001 г. Крыша открыта.

Рис. 4.5. Фукуока Доум (г. Фукуока, Япония). Вместимость 35 695, год построен в.

1993 г. Крыша открыта.

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 32×32 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].

Ванты.

Стойки.

Рис 4.6. Схема поднимающейся крыши стадиона.

Рис 4.7. Разрез 1−1 крыши стадиона в закрытом положении.

Рис 4.8. Разрез 1−1 крыши стадиона в открытом положении.

87,62 л OQ о = смА I 33,2.

Рис. 4.9. Общий вид отдельного блока 32><32 м. Синим обозначены металлические элементы диаметром 65 мм, зеленым — элементы из сосны сечением 250×250 мм.

Рассчитаем на местную устойчивость стальной стержень между элементами решетки.

Inp= 7tD4/64 = 87,62 см4 А = тгСг/Л = 33,2 см2- Л.

10= 160 см;

А = — = 100 [97].

Для стали: ф=0,542. [96];

N 2873 т < Rvyc —— = 160 < 2400−0,95 = 2280 кг! см2 <рА у 0,542−33,2.

Как мы видим, местная устойчивость обеспечена, коэффициент запаса составляет 2280/160 = 14,25.

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.

4.3 Технико-экономическая оценка эффективности ПСК.

Подсчитаем влияние регулирования напряжений на технико-экономические показатели ПСК. Для примера возьмем структуру размером 32×32 м, рассчитанную по методике, описанной в п. 4.1. Если выполнить данную ПСК без затяжек с регулируемыми усилиями, то потребуются элементы следующего сечения:

— верхний пояс: бруски 250×250 мм и фанерные трубы наружным диаметром 320 мм, и толщиной стенки 13 мм;

— раскосы — из фанерных труб наружным диаметром 320 мм, и толщиной стенки 13 мм;

— нижний пояс — из металлические прутки круглого сечения диаметром 70 мм.

В соответствии с результатами расчета, представленными в п. 2.2 корректируем сечения элементов структуры с управляемым НДС. Получаем элементы следующего сечения:

— верхний пояс: бруски 200×225 мм и фанерные трубы наружным диаметром 320 мм, толщиной стенки 13 мм;

— раскосы — из фанерных труб наружным диаметром 276 мм, и толщиной стенки 13 мм;

— нижний пояс — из металлических прутков круглого сечения диаметром 55 мм.

Технико-экономические показатели обоих вариантов приведены в табл.

4.1 -4.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложены научно обоснованные технические решения по совершенствованию металлодеревянных ПСК путем регулирования напряженно-деформированного состояния в процессе проектирования, создания и эксплуатации конструкции. Регулирование и равномерное распределение усилий в элементах ПСК позволяет уменьшить размеры поперечного сечения элементов ПСК на 2030%, материалоемкость на 20−25%.

2. Теоретически и экспериментально определены количественные значения напряжений в элементах металлодеревянных ПСК с регулируемыми усилиями в затяжках. Установлено, что наибольшее влияние усилий в затяжках происходит в нижнем поясе с уменьшением напряжений до 30−35%, напряжения в верхнем поясе уменьшаются до 20−25%^.

3. Разработаны схемы расположения затяжек в ПСК. Рекомендуется располагать затяжки по контуру при опирании структуры в углах на 4 точки, при опирании структуры по контуру — в плоскости нижнего пояса.

4. Разработана новая конструкция трансформируемой крыши стадиона, снижена материалоемкость конструкции покрытия за счет рационального сочетания древесины и металла, регулирования напряженно-деформированного состояния в зависимости от нагрузок.

5. Уточнено решение дифференциального уравнения для структурной конструкции введением приведенной жесткости ПСК. Получены простые и удобные математические зависимости статико-геометрических параметров конструкции ПСК для применения в инженерной практике, создана методика регулирования НДС в структурной-конструкции в процессе проектирования и эксплуатации.

6. Предложены технические решения узловых элементов, позволяющие осуществлять их поворот относительно друг друга, избегать работу поперек волокон и «обмятие» древесины.

7. Выполнена оценка влияния меняющихся эксплуатационных значений влажности, температуры, податливости узлов и реологических параметров древесины на напряженно-деформированное состояние металлодеревянных конструкций с регулируемыми усилиями. Для учета реологических свойств древесины и деформативности упруго-податливых соединений разработан алгоритм регулирования усилий.

8. Результаты экспериментальных и теоретических исследований подтвердили эффективность применения затяжек в элементах ПСК. Расхождение результатов экспериментальных и теоретических исследованийсоставляетЮ-15%.

9. Разработаны рекомендации по проектированию металлодеревянных конструкций с регулируемыми усилиями в покрытиях трансформируемых большепролетных сооружений. Результаты исследований могут быть использованы в проектных организациях и НИИ при проектировании плитно-структурных металлодеревянных конструкций.