CC BY
22
УДК 69.024.4
В.А. Яров, А.А. Иовенко, Д.А. Рихтер
ИСИ ФГАОУВПО «СФУ»
ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НДС ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОКРЫТИЯ
Выполнены численные исследования нового конструктивного решения монолитного пространственного покрытия строений. Получены теоретические данные о НДС пространственного покрытия.
Ключевые слова: монолитное пространственное покрытие, новое конструктивное решение, численные исследования.
Решение актуальной задачи строительства зданий и сооружений с минимальными затратами возможно при внедрении новых конструкций пространственных железобетонных покрытий, позволяющих наиболее полно использовать конструктивные свойства железобетона и в наибольшей степени реализовать эффект пространственной работы несущих элементов. Разработка пространственных конструкций в настоящее время осуществляется преимущественно по двум основным направлениям: поиск качественно новых конструктивных форм и создание пространственных конструкций на основе существующей индустриальной базы.
Проанализировав конструктивные решения строений из монолитного железобетона, наиболее часто встречающихся в строительной практике и относящихся к исследуемой тематике, можно сделать вывод, что покрытия возводятся преимущественно в форме простых оболочек, либо оболочек с ребрами постоянного сечения по внутреннему контуру [1, 2]. Авторами статьи предложено новое эффективное конструктивное решение покрытия, разработанное согласно требованиям действующих нормативных документов, обладающее высокой несущей способностью и жесткостью [3, 4].
Предлагаемое пространственное железобетонное покрытие выполнено монолитным с размерами в плане 36x36 м, с сеткой колонн 12x12 м и состоит из девяти основных элементов (рис. 1). Основной элемент покрытия размером 12x12 м представляется в виде пологой оболочки положительной Гауссовой кривизны, сопрягающейся с контурными ребрами по их верхней стороне и усиленной продольными и поперечными внутренними ребрами переменной жесткости с шагом 1,5 м, образующими нижнюю кессонную криволинейную поверхность покрытия. Нижняя сторона внутренних ребер с большей стрелой выгиба, чем верхняя, т.е. внутренние ребра имеют переменную высоту, в месте сопряжения с наиболее выпуклой центральной зоной оболочки равную 100мм, увеличивает значение по мере приближения к контуру и совпадет с контурным ребром в месте сопряжения. Оболочка принята толщиной to6 = 100 мм со стрелой подъема /о6 = 1,2 м, /об = 1/10 от размера стороны оболочки в плане. Контурные ребра толщиной tK = 400 мм, внутренние ребра толщиной 4=160 мм. Вся конструкция выполнена из монолитного бетона В20 с армированием стержневой арматурой класса A-III. Все элементы пространственного покрытия имеют жесткое сопряжение между собой.
Рис. 1. Оребренное пространственное покрытие, вид снизу
© Яров В.А., Иовенко А.А., Рихтер Д.А., 2011 37
ВЕСТНИК МГСУ
1/2012
Исследование напряженно-деформированного состояния рассматриваемой конструкции производилось с помощью программного комплекса Lira Soft с учетом физической нелинейности работы материала, с применением трех- и четырехугольных обо-лочечных конечных элементов. Исследуемое пространственное покрытие загружалось поэтапно равномерно распределенной нагрузкой с шагом 50 до 500 кг/м2. Опирание контурных ребер оболочек на колонны выполнено шарнирным.
Также для сравнения и выявления влияния ребер переменной жесткости на работу исследуемой конструкции было произведено численное исследование монолитного пространственного покрытия размерами 36x36 м в плане, с основным элементом положительной Гауссовой кривизны 12x12 м в плане, сопрягающимся с контурными ребрами по их верхней стороне. Конструктивное решение аналогично вышеуказанному, но в нем отсутствуют продольные и поперечные внутренние ребра переменной жесткости.
Анализ результатов численных исследований данных конструктивных решений покрытия производился при расчетной комбинации нагрузок. Анализировались изопо-ля изгибающих моментов Ы^, поперечных сил Qx, перемещений по вертикальной оси Z, главных напряжений N1 и N3 (рис. 2, 3, 4, 5 и 6 соответственно). Максимальные значения М^ наблюдаются в опорных зонах контурных ребер оребренного пространственного покрытия, минимальные значения — в наиболее выпуклой верхней зоне оболочки. Наблюдается равномерное распределение моментов по всему телу покрытия, при этом моменты постепенно возрастают по направлению от наиболее выпуклой верхней зоны оболочки к опорным зонам покрытия.
Рис. 2. Оребренное пространственное покрытие, изополя М^
Рис. 3. Оребренное пространственное покрытие, изополя Qx
Рис. 4. Оребренное пространственное покрытие, изополя перемещений по оси Z
В пространственном покрытии без внутренних ребер максимальные значения моментов возникают также в опорных зонах контурных ребер, минимальные — в наиболее выпуклой верхней зоне оболочки, значения больше на 30 %.
Анализируя изополя поперечных сил Qx, следует отметить их сравнительно равномерное распределение по всему телу покрытия с внутренними ребрами и возрастание в опорных зонах. В опорных зонах покрытия без внутренних ребер проявляются скачки поперечных сил, превышающие значения первого рассматриваемого варианта
до 40 %. Минимальные значения поперечных сил Qx наблюдается в середине пролетов контурных ребер и в центральных зонах оболочек.
Максимальные значения перемещений по оси 2 отмечены в наиболее выпуклой зоне оболочек покрытия с ребрами — 1,5 мм. В пространственном покрытии без ребер максимальные перемещения — 3,6 мм.
Рис. 5. Главные напряжения Л1 в пространственном покрытии с оребрением, вид снизу
Рис. 6. Главные напряжения Л3 в пространственном покрытии с оребрением, вид снизу
Распределение главных напряжений Л1 разработанного пространственного покрытия происходит следующим образом. Сжимающие значения в верхней центральной зоне тела оболочки ближе к угловым опорным и приконтурным зонам на 1/ 4 пролета от края основного элемента меняют свой знак и увеличивают свое значение в 2,5 раза. Максимальные растягивающие значения возникают в нижней части контурных ребер. Следует отметить равномерное распределение сжимающих значений во внутреннем оребрении покрытия. Главные напряжения Л3 довольно равномерно распределены по телу оболочки, но значения возрастают в 3 раза в угловых зонах, ближе к опорам конструкции. Наблюдается однородность распределения напряжений Л3 во внутреннем оребрении. Максимальные значения наблюдаются в опорных зонах контурных ребер. Значения главных напряжений в покрытии без внутренних ребер увеличиваются до 30 %.
Выводы. Проведенные численные исследования разработанного пространственного покрытия показали, что за счет внутренних ребер переменной жесткости по всему покрытию происходит сравнительно равномерное распределение напряжений, изгибающих моментов и поперечных сил, значения которых значительно ниже, чем у сравниваемого покрытия без ребер. Применение продольных и поперечных внутренних ребер позволяет уменьшать стрелу выгиба оболочки и ее толщину.
Картины деформирования (рис. 7) и изополя перемещений показывают положительное влияние внутренних ребер на несущую способность и жесткость покрытия, происходит усиление всей конструкции, угловых и приконтурных зон в частности. Основные перемещения наблюдаются в верхней зоне оболочки, они более чем в два раза меньше, чем у аналога без внутренних ребер.
Рис. 7. Картина деформирования пространственного покрытия с оребрением
Design and construction of structural building systems. Applied structural mechanics challenged in civil engineering field 39
ВЕСТНИК 1/2012
Библиографический список
1. Руффелъ H.A. Части гражданских и промышленных зданий. М. : Высш. шк., 1971.
2. Рюле Г. Пространственные покрытия. Т. 1. М. : Стройиздат, 1973.
3. Авторское свидетельство. Патент на изобретение РФ, заявка № 2010118827.
4. Авторское свидетельство. Патент на изобретение РФ, заявка № 2009124195.
Поступила в редакцию в декабре 2011 г.
Об авторах: ¡Яров Вячеслав Алексеевич| — кандидат технических наук, профессор, Инженерно-строительный институт Сибирского Федерального университета;
Иовенко Артем Александрович — аспирант, Инженерно-строительный институт Сибирского Федерального университета, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82, 8-(391)-244-58-60, 8-950-427-95-67, aaiovenko@mail.ru;
Рихтер Денис Андреевич — аспирант, Инженерно-строительный институт Сибирского Федерального университета, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82, 8-(391)-244-58-60, 8983-269-22-25, richter.85@mail.ru
Для цитирования: Яров В.А., Иовенко A.A., Рихтер Д. А. Численные исследования НДС пространственного покрытия / Вестник МГСУ. 2011. № 1. С. 37—40.
V.A. Jarov, A.A. Iovenko, D.A. Rihter
COMPUTATIONAL INVESTIGATIONS OF DEFORMATED STRESS STATE OF THE SHELL ROOF
Computational investigations of the new design concept of monolithic shell roof of the construction were made. Theoretical data of deformated stress state of the shell roof is found.
Key words: monolithic shell roof, new design concept, computational investigations.
Reference
1. Ruffel N.A. Chasti grazhdanskih i promyshlennyh zdanij [Part of civil and industrial buildings]. Moscow, High school, 1971.
2. Rule G. Prostranstvennye pokrytija [Spatial coverage]. Tom 1. Moscow, Strojizdat, 1973.
3. Avtorskoe svidetel'stvo. Patent na izobretenie RF, zajavka Ns 2010118827 [Inventor's certificate. The patent for the invention of the RF application №2010118827].
4. Avtorskoe svidetel'stvo. Patent na izobretenie RF, zajavka Ns 2009124195 [Inventor's certificate. The patent for the invention of the RF application №2009124195].
A b o u t a u t h o r s: |Yarov Vaycheslav Alekseevich| — Candidate of Technical Sciences, Professor, the Professor of Department the Building constructions, Construction institute of the Siberian Federal University;
Iovenko Artem Aleksandrovich — post graduate student of department the Building constructions, Construction institute of the Siberian Federal University, 82, Svobodny Prospect, Krasnoyarsk, 660041, +7-(391 )-244-58-60, aaiovenko@mail.ru;
Rikhter Denis Andreivich — post graduate student of department the Building constructions, Construction institute of the Siberian Federal University, 82, Svobodny Prospect, Krasnoyarsk, 660041, +7-(391 )-244-58-60, richter.85@mail.ru.
F o r c i t a t i o n: Jarov V.A., Iovenko A.A., Rihter D.A. Chislennye issledovanija NDS prostranstvennogo pokrytija [Computational investigations of deformated stress state of the shell roof]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 37—40.
