CC BY
13Работа гибридной фермы покрытия
Говорок Дмитрий Витальевич
аспирант, кафедра строительного производства, Липецкого государственного технического университета, govorokdv@gmail.com
Фролов Константин Александрович
аспирант, кафедра строительного производства Липецкого государственного технического университета, kostya.skull@mail.ru
Разработка новых строительных конструкций приоритетное направление строительной науки. Внедряя свежие решения, решается ряд проблем уже существующих конструкций - расход материала, деформативность конструкций, проблемы водоотвода кровель, восприятие ветровых и снеговых нагрузок, создание выразительных архитектурных форм и многие другие. В данной работе рассматривается конструкция с сочетанием гибких и изгибно-жестких элементов, такое сочетание элементов придает модели индивидуальность и особые свойства ее работы. Возможность перекрывать большие пролеты является одним из основных параметров данной системы, применяя ее на круглых, либо иных планах сооружений. Также на примере плоской модели данной конструкции варьируя жест-костными характеристиками изгибно-жестких элементов верхнего пояса и предварительным напряжением нижнего пояса, работа конструкции благоприятно сказывается при различных видах загружения. Сравнение системы мембранного покрытия данного типа с однопоясными висячими системами покрытия уже построенных сооружения позволяет решить множество проблем возникающих в таковых. Деформативность системы на порядок выше однопоясных систем. Также существенно различается расход материала, что характерно является огромным плюсом, а выпуклая форма благоприятно оказывает влияние на восприятия аэродинамических воздействий. Ключевые слова: гибридная ферма, изгибно-жесткие, деформативность, однопоясные, жесткостные, загружение, мембранное покрытие.
Исследуемая гибридная ферма является расчетной плоской моделью покрытия на круглом опорном контуре. Пространственное покрытие включает сжатое внешнее опорное кольцо и центральные кольца нижнего (состоящее из высокопрочных канатов) и верхнего (включающего изгибно-жесткие элементы) поясов. Внешнее сжатое опорное кольцо и центральные кольца верхнего и нижнего поясов соединены радиальными элементами изгибно-жесткими [1, с. 884-887] для верхнего пояса и высокопрочными канатами для нижнего пояса. Пояса соединены раскосной решеткой, прикрепляемой к поясам шарнирно. К центральной части в пределах колец конструкции нагрузка не приложена.
Конструкция плоской модели представлена на рисунке 1. Гибридная ферма имеет ряд преимуществ по сравнению с однопоясными висячими покрытиями, состоящими из гибких и жестких нитей. Преимущество данной конструкции состоит в меньшей деформативно-сти по сравнению с однопоясными висячими системами, состоящими из гибких нитей, меньшим расходом материала [2, с. 159-160]. Представленная конструкция позволяет создать покрытие, способное перекрывать большие пролеты. Известно, что для висячих систем неравномерные нагрузки приводят к появлению кинематических перемещений, существенно ухудшающим работу конструкций. Варьирование жесткостных характеристик верхнего пояса и создание предварительного напряжения позволят в существенной мере снизить негативные последствия неблагоприятных видов загружения. Форма и топология данной конструкции, а также расположение раскосов, соотношение размеров верхнего и нижнего центральных колец, существенно влияют на несущее поведение фермы. Правильное расположение раскосов, соотношение верхнего и нижнего центральных колец является важной задачей, которую необходимо решить для достижения наилучших характеристик конструкции [3, с. 117-120].
№ и\
ж т ш V
т
Рисунок 1. Схема гибридной фермы
1. Нижний пояс (трос); 2. Верхний пояс; 3. Шарнирно прикрепленный стержень, моделирующий работу нижнего кольца; 4. Шарнирно прикрепленный стержень, моделирующий работу верхнего кольца; 5. Раскосы.
Рассмотрим вариант данной конструкции, представленный на рисунке 1. Радиальные элементы нижнего пояса - гибкие нити без преднатяжения (1) соединяются центральным горизонтальным кольцом из 6 скрепленных между собой канатов. Работа такого кольца под
о
CS
0
CS
01
о ш m
X
<
m О X X
нагрузкой моделируется в плоской системе шарнирно прикрепляемым стержнем (3), имеющим аналогичные жесткостные характеристики. Сечение канатов радиальных нитей (1) и центрального кольца имеют диаметр 70 мм и площадь поперечного сечения 0.00323184 м2. Верхний пояс данной конструкции (2) состоит из балок двутаврового сечения (двутавр 40Б1), которые работают как изгибножесткие элементы. Распорка (4) в уровне верхнего пояса выполнена из двутавра 16Б1 и имеет жесткостные характеристики аналогичные верхнему центральному кольцу. Верхний и нижний пояс фермы соединены раскосами двутаврового сечения (двутавр 16Б1), которые крепятся шарнирно. Общая пролет конструкции составляет 110 м.
Исследование данной конструкции проводилось с помощью компьютерной программы MAV Strukture 1.4, включающей возможность нелинейного расчета, предназначенного для структурного анализ систем, состоящих из жестких и гибких элементов. Внешние нагрузки, рассмотренные в исследовании приведены в таблице 1. Они включают в себя собственный вес с предварительным напряжением, ветровыми и снеговыми нагрузками, действующими на всю поверхность или ее часть.
Таблица 1
Виды ^ загружения конструкции
усилий (2) в исследуемой конструкции приведены в таблице 2.
Таблица 2
Эпюры изгибающих моментов (1) и продольных усилий (2) в ферме._
Мембранное покрытие спортивного комплекса Мега-спорт, расположенного в г. Москва на Ходынском поле (Рис. 2), имеющее аналогичный пролет с однопоясной висячей системой покрытия и металлической мембраной составляет ~ 1560 т
Подсчет расхода материалов представленной конструкции покрытия данного типа составил около 930 т.
В таблице 1 представлены 5 различных видов загружения конструкции и показано поведение данной системы под их воздействиями. Максимальные перемещения не превышают 0,5 м при самом неблагоприятном варианте загружения (5), что является хорошим показателем для конструкций данного вида.
Характер работы конструкции следующий: при загру-жении конструкции равномерной распределенной нагрузкой нижний пояс конструкции работает на растяжение, максимальное значение продольных усилий в нижнем поясе фермы N = 1470.9975 кН. Максимальные изгибающие моменты М =133,446 кНм возникают в балках верхнего пояса у наружных граней. Максимальные усилия возникающие в раскосах конструкции N = 137,29 кН. Схемы расположения моментов (1) и продольных
Рисунок 2. СК Мегаспорт (Москва).
Исследование гибридного покрытия показали, что данная конструкция по своим качествам превосходит однопоясные системы покрытия по таким параметрам как деформативность [4, с. 472-473], позволяет снизить расход материала и является перспективной для применения в качестве покрытия спортивных и иных сооружениях. Выпуклая конструкция данной системы дает возможность решить проблему устройства внутреннего водоотвода, необходимость устройства которого присутствует в однопоясных системах. Также гибридная конструкция лучше работает на восприятия ветрового отсоса благодаря своей выпуклой форме.
Литература
1. Mikhailov V. Hybrid constructions of roofing in civil engineering. Conceptual Design of Structures, International Symposium IASS, 1996, pp. 884-890.
2. Чесноков А.В. Перспективы развития тентовых и вантовых систем / А.В Чесноков, В.В. Михайлов, Е.А. Хо-рошилов // Современные проблемы механики строительных конструкций. Материалы международного конгресса. Т.2. Воронеж, 2008. С. 157-160.
3. Михайлов В.В. Предварительно напряжённые комбинированные и вантовые конструкции / В.В. Михайлов - М.: АСВ, 2002. - 256 с.
2
2
3
4
5
4. Долматов И.В. Двухпоясная тросовая система / И.В. Долматов, А.В. Чесноков, Д.В. Говорок // Сборник научных трудов конференции Липецкого государственного технического университета. Липецк, 2017 г.
Hybrid coating farm work Govorok D.V., Frolov K.A.
Lipetsk State Technical University
The development of new building structures is a priority area of construction science. Introducing fresh solutions, a number of problems of existing structures are solved - material consumption, deformability of structures, problems of roof drainage, perception of wind and snow loads, the creation of expressive architectural forms and many others. In this paper, we consider a design with a combination of flexible and flexurally rigid elements; this combination of elements gives the model personality and special properties of its work. The ability to block large spans is one of the main parameters of this system, applying it to round or other construction plans. Also, by the example of a flat model of this design, varying the stiffness characteristics of the bending-rigid elements of the upper belt and the prestressing of the lower belt, the work of the structure favorably affects various types of loading. Comparison of the membrane coating system of this type with single-belt hanging coating systems of already constructed structures allows us to solve many problems arising in them. The deformability of the system is an order of magnitude higher than single-belt systems. The material consumption also varies significantly, which is characteristic is a huge plus, and the convex shape favorably affects the perception of aerodynamic effects.
Keywords: hybrid farm, flexural rigidity, deformability, single-belt, stiffness, loading, membrane coating.
References
1. Mikhailov V. Hybrid constructions of roofing in civil engineering.
Conceptual Design of Structures, International Symposium IASS, 1996, pp. 884-890.
2. Chesnokov A.V. Prospects for the development of tent and cable-
stayed systems / A.V. Chesnokov, V.V. Mikhailov, E.A. Khoroshilov // Modern problems in the mechanics of building structures. Materials of the international congress. T.2. Voronezh, 2008.S. 157-160.
3. Mikhailov V.V. Pre-stressed combined and cable-stayed structures / V.V. Mikhailov - M.: DIA, 2002 .-- 256 s.
4. Dolmatov I.V. Two-belt cable system / I.V. Dolmatov, A.V. Chesnokov, D.V. Govork // Collection of scientific papers of the conference of the Lipetsk State Technical University. Lipetsk, 2017
X X О го А С.
X
го m
о
м о м о
