ПОДБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕШЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КУПОЛЬНОЙ ОБОЛОЧКИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 692.444

ПОДБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕШЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КУПОЛЬНОЙ ОБОЛОЧКИ

Ю.В. Литвинова, О.А. Капленко

Северо-Кавказский филиал Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета, Лермонтов, Россия

Аннотация.

В данной статье приведено оптимальное соотношение стрелы подъёма металлического купола к диаметру конструкции. Решение принято путём сравнения модели 3-х куполов с использованием программного обеспечения ПК SCAD, каждый с уникальной стрелой подъёма. Меняя параметры стрелы подъема, меняется эффективность купольных систем по отношению к другим конструкциям. При проектировании купольной конструкции D=48 м. по результатам вариативного расчета и анализу различных критериев был выбран купол с вылетом стрелы h=24 м. Такая конструкция наиболее экономически эффективна, хорошо воспринимает неравномерные нагрузки. Цель работы — исследование напряженно-деформированного состоянии решетчатых однослойных куполов с учетом их жёсткости и прочности; разработка эффективного решения купольного покрытия.

Ключевые слова:

совершенствования пространственных конструкций, параметры купольных покрытий, металлический купол, перекрытие больших пролётов, пространственные конструкции, специализируемые программы. История статьи: Дата поступления в редакцию: 11.09.20

Дата принятия к печати: 13.09.20

ВВЕДЕНИЕ

Купола были построены сначала микенцами, а затем римлянами и византийцами; купола были практически заброшены в Средние века, позже вновь обнаружены в ренессансной и барочной архитектуре [1]. Определение оболочки наводит на мысль о видении тонкой непрерывной поверхности, охватывающей объект. Поверхность морской раковины или яйца являются очевидными примерами [2]. Эти конструкции представляют особый интерес для инженеров, так как они охватывают большие пространства с малыми поверхностями и оказались очень экономичными с точки зрения потребления конструкционных материалов [3].

Развитие современного строительства возможно только на основе экономически эффективных, надёжных, технологичных конструкций с применением прогрессивных направлений проектирования и строительства, обеспечивающих универсальность планировки и многофункциональность помещений, располагаемых в задании [4]. Однако, даже когда геометрия исторически хорошо известна, как это имеет место в случае куполов, трудности могут вытекать из технологии[2]. В условиях российского климата строительные площадки одновременно являются и монтажными площадками, где производится сборка подготовленных на заводе несущих и ограждающих конструкций. Одним из перспективных направлений повышения эффективности в строительстве является применение легких пространственных конструкций, которые обладают соответствующими расчетными технологическими характеристиками, обеспечивающие достаточную жёсткость, прочность, изно-

соустойчивость. Исходя из технико-экономических показателей, применение металла в таких строительных конструкциях является наиболее эффективным, и конструктивно оправданным. Пространственные конструкции получили широкое применение в гражданском, промышленном и сельскохозяйственном строительстве. Изучение куполов позволяет выявить механизм образования и процесс, которые важны для развития теорий [5]

Купола, занимают значимое место в пространственных большепролетных конструкциях, и можно сказать, что их можно выделить в отдельную самостоятельную архитектурно-строительную область, в связи с тем, что проектные строительные организации и архитектурные бюро, при планирование современных зданий и сооружений все больше предпочтение уделяют именно этим конструкциям, так как они являются наиболее подходящими исходя из композиции зданий и сооружений. Здания с купольными покрытиями наиболее эффективно используют принцип свободной планировки, что отличает их от других конструкций высокими эстетическими качествами внешнего и внутреннего вида. Благодаря своей конструктивной форме купола способны перекрывать значительные пролеты, до 250 м, и наиболее экономичны по сравнению с любыми другими жесткими конструкциями, именно в диапазоне больших пролетов [6,7] .

Конструктивные возможности куполов и оболочек далеко не исчерпаны и представляется возможным повысить, эффективность этих конструкций искусственным регулированием усилий и деформаций, то есть предварительным напряжением [7] . Предварительным напряжением возможно создать разгружающее напряженное состояние и тем самым расширить область упругой работы, уменьшить расчетные усилия и, в конечном счете, снизить массу и стоимость оболочки [7]. Возможно регулирование усилий и деформаций в процессе эксплуатации конструкции, в этом случае [7] конструкцию купола можно рассматривать как механизм и трансформируемую пространственную структуру [8].

Исходя из опыта эксплуатации и проектирования купольных конструкций, можно сделать ввод о том, что из наиболее эффективных конструктивных форм, они наилучшим образом отвечают решению важных народно-хозяйственных задач, связанной с экономией основных материальных ресурсов строительства [ 9].

Целью данной статьи стояла задача определить наиболее материалоемкое и экономически рациональное решение купольной конструкции. Для этого необходимо проанализировать при каком конструктивном решении и стреле вылета купола при заданном пролете и нагрузках наиболее эффективно решается данная задача.

В проекте рассматривалось 3 основных типа решения — металлический ребристо-кольцевой купол со стрелой вылета f= 12,18 и 24 м соответственно. Ниже на (рис. 1) представлена разбивка стрелы купола относительно формы круга — по 3 шага 6 метра вниз и вверх относительно стрелы вылета, равной радиусу круга.

Задача данного вариативного подхода — определить на примере металлического исполнения оптимальный вылет конструкции, далее, по результату расчета и сравнению усилий определить оптимальное решение.

03

г

м О

-I

м

Э СО

^ ;

гс о

И

0

Ю О

а *

1 ¡я ш £

>5 I

<и 3 <и а

и о а

н

щ

ГС

5 а

^ £ са х

< <

о <

са О

са н

Проект любого реального купола требует расчета на следующие виды нагрузок: постоянные, снеговые, ветровые, сейсмические и др. При проектировании большепролетных купольных покрытий должны быть рассмотрены, по крайней мере, четыре сочетания нагрузок:

(а) постоянные нагрузки;

(б) постоянные и снеговые нагрузки;

(в) постоянные и ветровые нагрузки;

(г) постоянные, снеговые и ветровые нагрузки.

Собственный вес купола зависит от пролета, распорных устройств, интенсивности внешней нагрузки, действующей на купол, количества узловых соединений, отношения высоты к пролету, типа покрытия и: материалов, из которых изготовлен купол. Некоторые купола предназначены для восприятия больших нагрузок с переменной интенсивностью, некоторые — только равномерно распределенной нагрузки.

Расчет и проектирование оболочки с использованием вычислительных программ включают в себя следующие этапы:

1 — создание или изменение модели, которая определяется геометрическим формообразованием, свойствами, загружениями и расчетными параметрами системы;

2 — расчет модели;

3 — анализ результатов расчета;

4 — проверка проектных параметров системы.

Статический расчет выполнен методом конечных элементов средствами ПК SCAD. Расчетная схема характеризуется следующими параметрами: количество узлов-127,количество элементов-350, Количество комбинаций загруженний -3, количество загружений -7 [10].

К.Э. в каждом узле имеет 5 степеней свободы и воспринимает следующие виды усилий и напряжений:

Nx — нормальное напряжение вдоль местной оси X элемента (кН/м2);

Ny — нормальное напряжение вдоль местной оси Y элемента (кН/м2);

Mx, My, Mxy — моменты действующие в сечении элемента(кН*м);

Qx и Qy — перерезывающие силы в сечении (кН/м);

Конструкция купола выполняется с использованием стали С245 по ГОСТ 27772-2015. Опорное кольцо проектируется в виде двутавра, основные конструкции из трубы круглого сечения по ГОСТ Р 54157-2010.

Принимаем для первого приближенного расчета одинаковую жесткость элементов:

Рис. 2. Жесткостные параметры элементов оболочки

Геометрическая схема конструкции повторяет реальный облик конструкции. Элементы соединены в единую пространственную систему рис.3.

О

Z ы

О

-I

ы Э CD

Рис. 3. Деформированная модель купола от собственного веса, выполненная в ПК SCAD,

со стрелой подъёма 12 метров

Рис. 4. Деформированная модель купола от действия ветровой нагрузки, выполненная в ПК SCAD,

со стрелой подъёма 18 метров

.D :

(0 о

X х

§§

«I

а > а *

ю о а *

I S

S i

I |S

Ш щ

^ Z

S S * X

< Э О д

С s

СО m

0 О

1 ^

5 ® Е z

I- re S а

q ¡S

QQ X

S2i

Рис. 5. Изополя напряжений по оси Z,от действия ветровой нагрузки слева, выполненная в ПК SCAD, со стрелой подъёма 24 метров

Таблица 1.

Максимальные усилия (растягивающие) в элементах ребристо-кольцевого купола

Стрела подъёма £,м 12 18 24

Опорное кольцо Nmax (кг) - - -

Min. площадь поперечного сечения( см2) - - -

Ребра купола Nmax (кг) -67280 -56000 -48600

Min. площадь поперечного сечения (см2) 21.97 18.29 15.87

Кольца купола Nmax (кг) -32030 -28000 -28000

Min. площадь поперечного сечения (см2) 10.46 9.14 9.14

Перемещения 17.11 16.8 11.48

Рис. 6. График зависимости веса металлического купола от стрелы вылета после расчета по 1 группе предельных состояний

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам сравнительного анализа был сделан вывод, что из всех вышеперечисленных куполов при одинаковых условиях выгодным является купол, высота стрелы которого равна радиуса. Применение купола со стрелой подъёма f=12 м, не рационально, так как усилия, возникающие в ребрах и кольцах купола выше, чем у куполов с вылетом стрелы 18 и 24 метра. C повышением высоты купола до высоты, наблюдается выравнивание напряжений (сравнение по усилиям N и уменьшение перемещений. Дальнейшее повышение высоты купола не рационально.

В тоже время купол со стрелой вылета 24 метра показал себя гораздо лучше при неравномерных нагрузках, что является немаловажным фактором при строительстве пространственных конструкций в районах с высокой снеговой

нагрузкой. Для привлечения большего количество инвесторов и интереса к данным оболочкам, необходимо разработать и применять метод анализа экономичности применяемых конструктивных решений на ранних стадиях проектирования и назначения рациональных проектировочных параметров. Купола встречаются в архитектуре общественных зданий не только в виде несущих, но и в виде декоративных конструкций. Говоря о возможностях купольных конструкций, в первую очередь следует отметить их способность перекрывать большие пролёты без промежуточных опор. Это часто требуется при проектировании общественных зданий, например зрительных или концертных залов, где складчатость покрытия одновременно с ограждающей функцией формирует акустические свойства помещений. Статическим расчётом обоснована реальная возможность выполнения конструкции. Выявлен метод сравнения купольных конструкций и продемонстрированы усилия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Como М. Statics of Historic Masonry Constructions // Springer International Publishing. 2017.Issue 3. Pp. 649. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-54738-1

2. Melaragno М. An Introduction to Shell Structures // Springer-Verlag US.1991.Vol 1. Pp. 89-111. DOI: https://doi. org/10.1007/978-1-4757-0223-1

3. Kaveh A., Ilchi Ghazaan M. Optimal Design of Dome-Shaped Trusses // Springer International Publishing AG. 2018. Pp. 101-122. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-78780-0_7

4. Талызина В.С. Освоение и моделирование интерьерного пространства архитектурных объектов с криволинейными конструкциями // Вестник Шадринского государственного педагогического института. 2013. № 3(19). Ст. 90-96. URL: http://shgpi.edu.ru/files/nauka/vestnik/2013/2013-3-18.pdf

5. Chen A., Ng Y., Zhang E., Tian M. Dictionary of Geotourism // Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2019. Pp. 144. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-13-2538-0_533

6. Ундалов А.М. Исследование напряженно-деформированного состояния радиально-балочного купола с мембранной кровлей // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного универси-тета.2015. №3 (33). Ст. 70-77. URL: https://izvestija.kgasu.ru/files/3_2015/3_2015.pdf

7. Тур В.И. Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие — М.: Издательство ЛСВ. 2004. Ст. 96. ISBN 5-93093-249-2.

8. Солодовникова М.И., Аксёнова С.М. Пространственные конструкции экспериментальное испытание // Сборник трудов конференции Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ). / 2019. Ст. 393-398.

9. Молев И.В. Конструктивные разработки, экспериментально-теоретические исследования и внедрение стольных куполов: дисс. доктор. техн. наук. Нижний Новгород, 1998. 462 с.

10. Анутов Р.М., Котельников В.Я., Козявин А.А., Котельников А.В., Тищенко Д.Е. Расчет рам комбинированных машин на ЭВМ // Издательский Дом «Академия Естествознания» (Пенза). 2012. № 12. Ст.12-13. URL: https://top-technologies.ru/pdf/2013/3/2.pdf

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Ю.В. Литвинова, О.А. Капленко. Подбор рациональных параметров и решений металлической купольной оболочки. — Системные технологии. — 2020. — № 36. — С. 40—46.

SELECTION OF RATIONAL PARAMETERS AND SOLUTIONS FOR THE METAL DOME SHELL Yu. V. Litvinova, O. A. Kaplenko

North Caucasus branch of the Moscow automobile and road state technical University, Lermontov, Russian Federation

О

z

H Û -I H

D

CÛ

i ; ГО О

N

° 'S

VO О a *

êï

21 I ¡я ш J

^ z

>s s

I

<U

3

<U

a s u о a

H

<U

z ro S a

ç g

CÛ X 2l

< <

о <

CO

о

CO I-

Abstract.

This article shows the optimal ratio of the boom lifting metal dome to the diameter of the structure. The decision was made by comparing the model of 3 domes using the SCAD PC software, each with a unique lifting boom. Changing the parameters of the lift boom changes the efficiency of dome systems in relation to other structures. When designing a dome structure, D=48 m. based on the results of a variable calculation and analysis of various criteria, a dome with an arrow departure h=24 m was selected.

Key words:

improvement of spatial structures, parameters of dome coverings, dome made of metal overlapping of large passages, spatial design, specialized programs. Date of receipt in edition: 11.09.20 Date o f acceptance for printing:

13.09.20

This design is the most cost-effective, well perceives uneven loads. The purpose of this work is to study the stress-strain state of lattice single-layer domes, taking into account their rigidity and strength; to develop an effective solution for the dome coating.

УДК 624.138

ОСОБЕННОСТИ ЗАКРЕПЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТОВ МИНЕРАЛЬНЫМИ КОЛЛОИДНЫМИ СУСПЕНЗИЯМИ

К.А. Исрафилов , Д.В. Газданов , В.А. Алексеев

Национальный исследовательский Московский государственный

строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва

Аннотация.

Необходимость закреплённых грунтов с формированием грунтобетонов или консолидированного объёма грунта является важной задачей при решении различных спектра вопросов, стоящих в подземном строительстве. Однако вопросы правильного подбора и расхода составов для поставленных задач требуют всестороннего изучения. Авторами проведён ряд экспериментальных исследований, отработан ряд технологических приёмов и методология критериев для оптимальной технологии закрепления грунта. Дана оценка свойствам закреплённого грунта, исследования возможности и пределы варьирования минеральных составов коллоидного типа с назначенными технологическими параметрами, зафиксированы параметры формируемого закреплённого массива.

Ключевые слова:

тонкодисперсное вяжущее, коллоидные частицы, инъекти-рование, укрепление грунтов, грунтобетон, микроцемент, микронаполнитель, пропиточная инъекция. История статьи: Дата поступления в редакцию: 22.09.20

Дата принятия к печати: 25.09.20