CC BY
0
и
Узловое соединение подкрепленной цилиндрической сетчатой оболочки
А.И. Сиянов, Д.К. Ярошевич
Лысьвенский филиал «Пермский национальный исследовательский политехнический
университет», г. Лысьва
Аннотация: Статья посвящена разработке узлового соединения для оценки уровня жесткости цилиндрической сетчатой оболочки. Предложены практические рекомендации по сборке узла с затяжкой и представлена конструкция винтовой муфты для реализации процесса контролируемого натяжения. Определены рациональные места расстановки узловых соединений на нижних поясах опорных граней. Проведены численные исследования возможных схем и установлена закономерность изменения вертикальных перемещений узлов от торца к центру. Выявлен позитивный вклад элементов подкрепления и определена жесткость оболочки. Показано, что введение затяжек с разработанным узлом повышает уровень сопротивления действующим нагрузкам и заметно снижает деформации в характерных участках.
Ключевые слова: узловое соединение, цилиндрическая сетчатая оболочка, затяжка, винтовая муфта, подкрепление, жесткость.
Введение
Опыт исследования цилиндрических сетчатых оболочек для покрытий зданий и сооружений с разными геометрическими параметрами, формами сеток, схемами подкрепления и граничными условиями на контуре [1-3] указывает на необходимость применения эффективных узловых соединений.
Из литературы известно [4, 5], что такие конструкции в основном имеют круговое очертание, характеризуются сложной пространственной структурой и большим количеством элементов. Цель исследований -упростить строительные работы путем разработки узловых соединений для осуществления максимально быстрой сборки конструкции. В данном направлении исследования проводятся регулярно [6, 7]. Однако очень мало внимания уделяется контурному или частичному креплению оболочки из-за ранее установленных ограничений габаритных размеров здания или сооружения. Сдерживающим фактором выступает необходимость изменить конструктивное решение при увеличении перекрываемой площади.
Наиболее приемлемым и конструктивно возможным способом усовершенствования цилиндрических сетчатых оболочек является введение
подкрепляющих элементов в виде затяжек в контурные зоны. Изменение конструктивного решения требует разработки опорных узлов.
Основная часть
В данном случае предполагается, что все усилия от распора будут восприниматься стягивающими элементами, которые присоединяются к нижним поясам опорных граней. По отношению к другим стержням конструкции предусмотрено применение специальных ребер повышенной жесткости [8]. Крепление затяжек выполняется заранее рассчитанными высокопрочными натяжными болтами. Причем на одной стороне затяжка фиксируется неподвижно, а на другой стороне присоединяется устройство для ее натяжения. Наиболее простыми в изготовлении могут быть винтовые муфты с правой или левой резьбой (рис. 1).
1-1 2-2
Рис. 1. Винтовая муфта для натяжения затяжек: 1 - уголок; 2 - трубчатый элемент;
3 - стальной стержень; 4 - контргайка
После натяжения, чтобы избежать раскручивания, их необходимо затягивать контргайками. Размеры муфт зависят от геометрических параметров оболочки и задаются в зависимости от диаметра затяжки при заданной несущей способности или жесткости.
и
Затяжки начинают воспринимать усилия от распора после закрепления их на нижних поясах опорных граней и после равномерного и окончательного их натяжения.
Условие прочности затяжки можно записать в виде:
Мр < Фз,
где - усилие в затяжке от приложенных нагрузок; фз - несущая способность затяжки на растяжение,
фз = ТАз Я ТО1 Ш2 Шз.
Здесь ТАз - суммарная площадь сечений проволок, которые формируют затяжку; Яз - расчетное сопротивление материала затяжки; ш1, Ш2, ш3 - соответственно, коэффициенты условий работы проволок, конструкции крепления затяжки и оболочки.
Рекомендуемая схема опорного узла представлена на рис. 2.
Рис. 2. Опорный узел затянутой конструкции: 1 - трубчатый элемент оболочки; 2 - винтовая муфта для натяжения затяжки; 3 - контргайка; 4 - стальной стержень; 5 - резьба; 6 - упор; 7 - закладная деталь; 8 - нижний пояс; 9 - опора
и
Как видно из рис. 2, в нижних поясах опорных граней оболочки в местах узловых соединений предусмотрены отверстия, куда вставляются стержни с резьбой для крепления винтовых муфт. Один конец стержня пропускается через круглое отверстие для крепления затяжки, а другой конец соединяется с винтовой муфтой. Предусматривается чередование узлов вдоль образующей. После натяжения затяжек муфты фиксируются контргайками.
В таких узлах, для уменьшения трения, конструкцию упора предлагается покрывать специальным материалом.
Предложенную схему узлового соединения рационально использовать во время монтажа оболочки на уровне обреза фундамента, поскольку в данном случае затяжки можно спрятать под пол.
Численные исследования конструкции с разработанным узлом выполнены путем компьютерного моделирования [9, 10].
Формообразование осуществлено на основе геометрических размеров, указанных в табл. 1 [2].
Таблица 1
Размеры сетчатой оболочки
№ Размеры Стрела Размеры Угол Радиус
в плане подъема ячейки описанной кривизны
БхЬ, м Л м а, м окружности а, в градусах Я, м
1 24x28,56 6,87 2,38 120 13,9
2 30x37,2 9,55 3,1 130 16,59
3 36x43,2 10,29 3,6 120 20,8
Принятые граничные условия оболочки обеспечивают геометрическую неизменяемость системы и отражены тремя видами крепления на контуре
X = У = 2 = 0; X = 2 = 0; 2 = 0. В качестве основных элементов выбраны круглые трубы с заданными расчетными параметрами В = 140 мм и ? = 4,5 мм.
и
Нижний пояс опорных граней назначен из труб повышенной жесткости с увеличенной в 8 раз толщиной стенки (? = 36 мм) и тем же габаритным размером профиля (Б = 140 мм).
На основе прежних исследовании подкрепленных оболочек элементам задана сталь С245.
Нагрузки к сетчатой поверхности приложены с учетом собственного веса конструктивных элементов.
Результаты проведенных исследований показали высокий уровень сопротивления действующим нагрузкам и снижение вертикальных перемещений узлов в характерных участках (рис. 3).
Рис. 3. Наиболее опасные вертикальные перемещения узлов: 1, 2, 3 - номера исследуемых оболочек; СН - схема с натяжением; ИС - исходная схема
Таким образом, предложенное для опорных зон узловое соединение позволяет уменьшить деформации и позитивно влияет на повышение несущей способности конструкции.
и
Выводы
Поочередная расстановка узловых соединений затяжек с нижними поясами улучшает качество работы сетчатой оболочки, а рекомендации по сборке не требуют специальных механизмов. Предложенная винтовая муфта является простой в изготовлении и способствует успешной реализации процесса контролируемого натяжения на заданных участках. Результаты исследований схем оболочек с затяжками показывают снижение уровня деформаций и свидетельствуют о повышении жесткости конструкции.
Литература
1. Zhou H., Zhang Y., Fu F., Wu J. Collapse mechanism of single-layer cylindrical latticed shell under severe earthquake // Materials. 2020. Vol. 13 (11). URL: preprints.org/manuscript/202005.0012/v1.
2. Сиянов А.И., Ярошевич Д.К. Исследование подкрепленной цилиндрической сетчатой оболочки // Инженерный вестник Дона, 2023, №9 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2023/8660.
3. Siyanov A.I., Rynkovskaya M.I., Abu Mahadi M.I., Mathieu G.O. Improving the performance parameters of metal cylindrical grid shell structures // Journal of Fundamental and Applied Sciences. 2017. №7S. pp. 365-376.
4. Wu J., Lu X.Y., Li S.C., Xu Z.H., Wang Z.D., Li L.P., Xue Y.G. Parametric modeling and shape optimization design of five extended cylindrical reticulated shells // Steel and Composite Structures. 2016. Vol. 21 (1), pp. 217-247. URL: doi.org/10.12989/scs.2016.21.1.217.
5. Yu Z., Lu C., Zhong Y. Performance-based analysis of single-layer cylindrical steel reticulated shells in fire // Applied Sciences. 2020. Vol. 10 (9). URL: doi.org/10.3390/app10093099.
6. Xiong Z., Zhu S., Zou X., Guo S., Qiu Y., Li L. Elasto-plastic buckling behaviour of aluminium alloy single-layer cylindrical reticulated shells with
и
gusset joints // Engineering Structures. 2021. Vol. 242. URL: doi.org/ 10.1016/j.engstruct.2021.112562.
7. Ma H., Fan F., Wen P., Zhang H., Shen S. Experimental and numerical studies on a single-layer cylindrical reticulated shell with semi-rigid joints // Thin-Walled Structures. 2015. Vol. 86, pp. 1-9. URL: doi.org/10.1016/j.tws.2014.08.006.
8. Сиянов А.И. Исследование цилиндрической сетчатой оболочки с повышенной жесткостью опорных ребер // Инженерный вестник Дона, 2019, №9 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2019/6166.
9. Городецкий А.С., Евзеров И.Д. Компьютерные модели конструкций: АСВ, 2009. 360 с.
10. Стрелец-Стрелецкий Е.Б., Журавлев А.В., Водопьянов Р.Ю. ЛИРА-САПР. Книга 1. Основы: LIRALAND, 2019. 154 с.
References
1. Zhou H., Zhang Y., Fu F., Wu J. Materials. 2020. Volume. 13 (11). URL: preprints.org/manuscript/202005.0012/v 1.
2. Siyanov A.I., Yaroshevich D.K. Inzhenernyj vestnik Dona, 2023, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2023/8660.
3. Siyanov A.I., Rynkovskaya M.I., Abu Mahadi M.I., Mathieu G.O. Journal of Fundamental and Applied Sciences. 2017. №7S. pp. 365-376.
4. Wu J., Lu X.Y., Li S.C., Xu Z.H., Wang Z.D., Li L.P., Xue Y.G. Steel and Composite Structures. 2016. Vol. 21 (1), pp. 217-247. URL: doi.org/10.12989/scs.2016.21.1.217.
5. Yu Z., Lu C., Zhong Y. Applied Sciences. 2020. Vol. 10 (9). URL: doi.org/10.3390/app10093099.
6. Xiong Z., Zhu S., Zou X., Guo S., Qiu Y., Li L. Engineering Structures. 2021. Vol. 242. URL: doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112562.
7. Ma H., Fan F., Wen P., Zhang H., Shen S. Thin-Walled Structures. 2015. Vol. 86, pp. 1-9. URL: doi.org/10.1016/j.tws.2014.08.006.
и
8. Siyanov A.I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2019/6166.
9. Gorodetskiy A.S., Evzerov I.D. Komp'yuternye modeli konstruktsiy [Computer models of structures]. ASV, 2009. 360 p.
10. Strelets-Streletskiy E.B., Zhuravlev A.V., Vodop'yanov R.Yu. LIRA-SAPR. Kniga 1. Osnovy [LIRA-CAD. Book 1. The Basics]. LIRALAND, 2019. 154 p.
Дата поступления: 20.11.2023 Дата публикации: 28.12.2023
