CC BY
10Список использованных источников
1. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. Российский Морской Регистр Судоходства, СПб.: 2008.
2. Прокат толстолистовой свариваемый из стали марок 10ХН4МД (АБ2Р) и 10ХН5МДФ (АБ2ПКМ). Технические условия ТУ 5.961-11579-95/ ЦНИИ КМ «Прометей» - 1995 - 21 с.
3. Г.Шпете. Надежность несущих строительных конструкций/ Пер. с нем. О.О.Андреева. - М.Стройиздат, 1994 - 288
4. Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании:- М.: Изд-во АСВ, 1998.-304 с.
5. СНиП II-23-81 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» М.: 1982. УДК 624.014.25
КОМБИНИРОВАННЫЕ НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ ИЗ ХОЛОДНОГНУТЫХ СВАРНЫХ ТРУБ И МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ
ДРЕВЕСИНЫ И ПЛАСТМАСС
Сребняк В.М. , к.т.н., доц., Жигна В.В. , к.т. н., доц., Жигна М.В., инж.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Приведен опыт проектирования конструкций покрытия спортивного зала, выполненного в виде комбинированного металлодеревянного цилиндрического свода-оболочки шириной 19,4 м. Показана эффективность и даны рекомендации по назначению основных размеров поперечных сечений арочных опорных конструкций цилиндрического свода-оболочки.
Здание, сооружения, арка, свод-оболочка, диафрагмы, бортовые элементы
Введение.
Появление новых эффективных строительных материалов, таких как профилированный стальной и алюминиевый лист, изделий из стеклопластиков, материалов на основе древесины и пластмасс, холодногнутых сварных труб и других позволяет применять эти материалы не только для ограждающих конструкций, но и для несущих конструкций промышленных и гражданских зданий.
Механические свойства новых материалов и их ассортимент значительно повысились. Стало возможным выполнять комбинированные несущие конструкции из материалов с разными физическими свойствами, а также выполнять конструкции, в которых совмещены несущие и ограждающие функции, технологически проще стало выполнять пространственные конструкции.
Уменьшение нагрузок от собственного веса несущих и ограждающих конструкций покрытия зданий любых пролетов является основной задачей при проектировании объектов строительства. Особенно это становится актуальным для зданий, эксплуатируемых в условиях повышенной сейсмической активности. Основные пути снижения веса конструкций: применение легких ограждающих конструкций; использование высокопрочных сталей и эффективных профилей в несущих конструкциях; включение ограждающих конструкций в совместную работу с несущими; применение пространственных покрытий, которые обычно экономичнее плоскостных.
Цель работы
определить эффективность применения холодногнутых сварных труб для конструкций покрытий зданий пролетом 18.. .24 м при использовании их в плоских арках и в арочных диафрагмах пространственных цилиндрических комбинированных сводах-оболочках. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- определить расчетные значения усилий, напряжений, деформаций и перемещений в опорных конструкциях покрытий здания на основе компьютерного моделирования с использованием ПК «Лира»;
- на основе полученных данных выполнить сравнительный анализ результатов;
- дать рекомендации по назначению основных размеров арочных конструкций комбинированных сводов-оболочек;
-произвести оценку преимуществ и недостатков использования холодногнутых сварных труб в арочных плоскостных и цилиндрических сводчатых конструкциях покрытий зданий.
Результаты исследования и их анализ.
Опыт проектирования конструкций с применением эффективных материалов для покрытий зданий имеется в инвестиционно-строительной компании «ЮгИнвестСтройСервис». Авторы статьи совместно с сотрудниками этой компании разработали проект теплого покрытия спортивного зала Киевского национального экономического университета в г. Симферополе.
Спортивный зал расположен на последнем этаже здания размерами в плане 19,4х30 м. Конструкция покрытия разработана в виде комбинированного металлодеревянного цилиндрического свода-оболочки, опорами которого являются торцевые стены и промежуточные поперечные диафрагмы, выполненные в виде сегментных арок с шагом 6 м. Оболочка принята из древесно-стружечной плиты ОББ толщиной 30 мм, пролет оболочки -6,0 м, длина волны - 19,4 м.
Оболочка подкреплена металлическими продольными неразрезными рёбрами с шагом 0,5 м (трубы сечением 100х50х3 мм) и поперечными ребрами с шагом 3 м (трубы сечением 40х50х4 мм). Промежуточными опорами оболочки являются сегментные арки: пояса -квадратные трубы сечением 100х100х3,5 мм и 100х100х4 мм. Высота поперечного сечения арок в осях - 0,7 м. Арки жестко сопряжены с железобетонным каркасом здания. Бортовыми элементами оболочки являются стропильные конструкции карнизов здания, шаг стропильных конструкций карниза - 1,0 м.
При вариантном проектировании было рассмотрено три варианта конструктивных схем покрытия здания. По первому и второму вариантам были рассмотрены конструктивные схемы с плоскими арками кругового очертания и прогонами с шарнирным и жестким опиранием на арки. В третьем варианте была принята конструктивная схема покрытия в виде пространственного цилиндрического короткого комбинированного свода-оболочки из труб с прямоугольными ячейками. Крепление плит ОББ к элементам ячеек выполнено на податливых связях.
Расчет плоских несущих конструкций покрытия зала, рассматриваемых в первом и втором вариантах, выполняли согласно [1,2,3] по несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации конструкций. Для пологих арок (отношение стрелы подъема арки к её пролёту не более 1/8...1/6) сквозного сечения при поясах из труб и треугольной решеткой с дополнительными стойками высоту сечения арок рекомендуется принимать в пределах 1/30.1/45 пролета арки [4].
Устойчивость в плоскости арок при небольших изгибающих моментах оценивается критической силой
лг к2 Е1 ...
Кет (1)
12 V
2
где I - момент инерции сечения арки, для сквозной арки I = (0,35...0,4)А ■ И ;
А - площадь пояса, И - высота сечения арки; 1е/ = / ■ £ - расчетная длина арки;
£ - полная длина дуги арки; / - коэффициент, зависящий от отношения стрелы подъема арки к её пролету. Для бесшарнирных арок / =0,35.
При расчете на устойчивость Ысг должна быть больше максимальной продольной силы на 20.. .30%.
Расчет прогонов и настила производят как для балочных конструкций, работающих на поперечный изгиб.
При расчете и конструировании пространственных комбинированных конструкций, приведенных в третьем варианте, должны соблюдаться требования, суть которых состоит в следующем.
Однопоясные сетчатые оболочки цилиндрических сводов покрытия должны быть неопределимыми стержневыми системами.
Для образования цилиндрических оболочек приемлемы сетки сводов только с геометрически неизменяемой ячейкой - треугольной или квадратной с раскосами. Устойчивость таких систем обеспечивают жестким соединением стержней в направлении нормали к поверхности оболочки и соблюдают условие
«2 п
-< 9, (2)
Я • I
где а - длина стержня; Я - радиус кривизны оболочки; г - радиус инерции поперечного сечения стержня.
Кроме жестких узлов торцы оболочки должны иметь жесткую конструкцию, а для обеспечения устойчивости оболочек используют промежуточные поперечные диафрагмы и продольные ребра жесткости.
В разработанном цилиндрическом сетчатом своде все вышеперечисленные требования выполнены и только сетка свода принята из прямоугольных ячеек без раскосов. Для обеспечения геометрической неизменяемости прямоугольной ячейки на неё накладывали дополнительные связи. В качестве дополнительных связей использовали листы из фанеры или древесно-волокнистые плиты ОББ, которые закрепляли на стальных стержнях прямоугольной ячейки с помощью самонарезных болтов либо использовали болтоклеевые соединения. Такую конструкцию свода можно рассматривать как оболочку, подкрепленную металлическими продольными неразрезными ребрами и поперечными подкрепляющими ребрами. Опорами оболочки являются торцевые стены, а промежуточными опорами оболочки являются сегментные арки. Функцию бортовых элементов оболочки выполняют конструкции карнизов здания.
Расчет основных несущих конструкций рассматриваемых покрытий спортивного зала выполнен с использованием программного комплекса «Лира». При создании расчетной модели покрытия были использованы реальные жесткостные и геометрические характеристики, принятые на стадии предварительного проектирования. При назначении прочностных и деформативных характеристик прокатного металла и древесно-стружечных плит учитывали данные, приведенные в сертификационных документах. Элементы арок, прогонов, продольных и поперечных ребер жесткости свода-оболочки моделировали стержневыми элементами, древесно-стружечные плиты - пластинчатыми элементами типа плита-оболочка, при этом учитывали совместную работу плиты с элементами продольных и поперечных ребер жесткости.
Конечно-элементная модель опорных конструкций покрытия спортивного зала приведена на рис. 1, а геометрическая схема арки на рис. 2.
При расчете учитывали нагрузку от собственного веса опорных конструкций покрытия, постоянную нагрузку от кровли (0,8 кН/м2), кратковременные снеговые (2 схемы загружения в соответствии с Приложением Ж [1]) и ветровую нагрузку.
В результате расчета получены все компоненты напряженно-деформированного состояния от расчетных сочетаний нагрузок по трем вариантам конструктивного решения покрытия спортивного зала.
По результатам расчета сформировано 4 варианта расчетных сочетаний усилий (РСН):
РСН1 - нагрузка от собственного веса опорных элементов покрытия и постоянная нагрузка от кровли;
РСН2 - нагрузка от собственного веса опорных элементов покрытия, постоянная нагрузка от кровли, снеговая нагрузка схеме 1;
РСН3 - нагрузка от собственного веса опорных элементов покрытия, постоянная нагрузка от кровли, снеговая нагрузка схеме 2;
РСН4 - нагрузка от собственного веса опорных элементов покрытия, постоянная нагрузка от кровли, ветровая нагрузка;
Наибольшие усилия в элементах арок возникают при расчетном сочетании нагрузок РСН2. При этом усилия от постоянных нагрузок составляют примерно половину от полных нагрузок. Ветровые нагрузки
уменьшают усилия в элементах арки, уменьшение составляет около 1/3 от усилий, возникающих от постоянных нагрузок. Аварийное сочетание нагрузок также не рассматривали, так как усилия от расчетных сочетаний нагрузок, включающих сейсмическое воздействие, значительно меньше чем, в сочетании РСН2.
Рис. 1. Общий вид расчетной схемы конечно-элементной модели
Рис. 2. Геометрическая схема арки
Максимальные усилия в поясах арочных конструкций при сочетании РСН2 по всем вариантам покрытия приведены на рис. 3, 4.
Наибольшие усилия возникают в поясах плоскостных арок (вариант I и II), при этом усилия по длине арок изменяются, а отношение максимальных усилий к минимальным достигает 3,5.4.
Продольные силы в верхнем поясе, работающим совместно с плитой оболочки (вариант III), практически не изменяются по длине арки и по значению в 2.2,5 раза меньше, чем максимальные продольные силы в плоских арках. Усилия в нижнем поясе арок распределяются аналогично усилиям в плоских арках, а их максимальные значения на 25% меньше по сравнению с плоскими арками. Узловые изгибающие моменты незначительны (рис. 4) и изменение высоты сечения арок практически не влияет на их значения. В элементах решетки арок продольные силы минимальны.
Рис. 3. Максимальные продольные Рис. 4. Максимальные узловые
усилия (кН) в поясах арочных изгибающие моменты (кН-м) в поясах
конструкций покрытия арочных конструкций покрытия
Относительный прогиб в середине пролета для плоских арок составил 1/1700.. .1/1800 пролета арки, для арок цилиндрического свода (вариант III) вертикальные перемещения вдвое меньше. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно большой изгибной жесткости арок и есть резервы для уменьшения высоты сечения арок.
Выводы
1. Применение холодногнутых сварных труб в плоскостных арочных конструкциях покрытий зданий пролетом до 24 м менее эффективно по сравнению с применением их в пространственных конструкциях типа цилиндрических сводов-оболочек.
2. Высоту сечения бесшарнирных арок для цилиндрических коротких сводов-оболочек рекомендуется принимать переменной. На длине 1/8 пролета арки от опор высоту сечения арок следует принимать, как и для плоских арок (1/30.1/45 пролета арки), среднюю часть арок - постоянной высоты в пределах 1/50.1/60 пролета арки. Высоту сечение труб верхних поясов можно принимать постоянной по всей длине пояса.
3. Решетка арок рекомендуется треугольная с дополнительными стойками. Допускается внецентренное соединение элементов решетки к поясам, сечение элементов решетки назначать конструктивно. Рекомендуются трубы сечением 30х30х3, 50х50х3 мм.
4. Необходимы дальнейшие исследования и анализ напряженно-деформированного состояния других элементов комбинированного свода-оболочки (продольных, поперечных ребер жесткости и связывающих их плоских плит-оболочек) для разработки рекомендации по их расчету и конструированию.
Список использованных источников
1. ДБН В.1.2-2:2006. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. Минстрой
Украины.- Киев, 2006, -60 с.
2. ДСТУ Б В.1.2-3:2006. Прогибы и перемещения. Требования проектирования.
Минстрой Украины.- Киев, 2006, -10 с.
3. СНиП 11-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования.- М: ЦИТП Госстроя
СССР, 1981.-120 с.
4. Металлические конструкции. Справочник проектировщика./Под ред. Н. П.
Мельникова. -М: Стройиздат, 1980. -776 с.
