Разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами (стр. 3 из 5)
Предлагаемая конструкция ребристо-кольцевого купола применяется в зданиях различного назначения, в том числе в сельской местности - в культурно-бытовых, производственных, складских одноэтажных зданиях и сооружениях. В гражданском строительстве целесообразно применение разработанного деревянного ребристо-кольцевого купола в покрытии залов, общественных зданий, выставочных павильонов, рынков, зданий физкультурно-оздоровительных комплексов, в малоэтажном домостроении. В промышленном строительстве деревянные ребристо-кольцевые купола могут применяться в одноэтажных отапливаемых и неотапливаемых зданиях
Таблица 1. Показатели расхода основных материалов ребристо-кольцевых куполов с различными конструктивными решениями меридиональных арок
| Схема и тип купола | Расход материалов на купол / на 1 м2 | ||
| Древесина, м3 | Сталь, кг | ||
 | Многоугольный из цельных брусьев РКК-12-СРД1 РКК-12-CРД2 РКК-12-СРД3 | 1,960,017 | 1080 9,5 970 8,6 952 8,4 |
 | Конический из прямолинейных клееных балок | 2,61 0,023 | 881 7,8 |
 | Сферический из гнутоклееных балок | 2,52 0,022 | 881 7,8 |
В табл. 1 приведены данные по расходу основных материалов разработанного купола пролетом 12 м с тремя различными видами наконечников, а также в качестве сравнительного примера представлен расход древесины и стали ребристо-кольцевых куполов с традиционными конструктивными решениями меридиональных арок на 1 м2 плана (для IV снегового района). Из данных табл. 1 следует, что в куполах с многоугольными ребрами расход древесины меньше на 28-33% при перерасходе металла на 8%. Однако, следует иметь в виду, что стоимость прямолинейных клееных элементов в 5-6 раз дороже неклееной древесины, а стоимость криволинейных клееных элементов на 30% выше, чем прямолинейных клееных.
В третьей главе приведены результаты численного эксперимента и оценка напряжённо-деформированного состояния разработанного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости с учетом влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины.
Задачи численного эксперимента являлись следующее: изучить с использованием вычислительных комплексов «SCAD» и «Лира» НДС деревянный ребристо-кольцевой купол с блоками жесткости с учетом влияния податливости узлового соединения; исследовать влияние схемы расстановки блоков жесткости на НДС куполов с контрастными схемами; выявить зависимость деформаций и усилий исследуемого купола при длительных нагрузках; выявить зависимость деформаций и усилий исследуемого купола с учетом физической нелинейности древесины.
Объектом численного эксперимента являлся деревянный ребристо-кольцевой купол с блоками жесткости, расставленными в шахматном порядке пролетом 24,0 и высотой 6,0 м, образованный шестнадцатью меридиональными ребрами, пятью кольцами прогонов, тридцатью двумя раскосами. Панели меридиональных ребер имели длину 2,73 м. Сечения всех элементов равны d = 120 мм.
Элементы расчетной схемы моделировались для признака схемы № 5 (шесть степеней свободы в узле). В качестве конечного элемента был выбран универсальный пространственный стержень КЭ-10, имеющий возможность располагаться в плоскости произвольно. Узлы ребристо-кольцевого купола в расчетной схеме принимались шарнирными.
Напряженно-деформированное состояние ребристо-кольцевого купола изучалось по пространственной схеме от действия сосредоточенных сил, приложенных в узлы сходимости меридиональных и кольцевых элементов. Расчет выполнялся для двух схем загружения:
- полная нагрузка (снеговая для IV района и постоянная) приложена симметрично к куполу;
- постоянная нагрузка приложена симметрично по всей поверхности купола, а снеговая – несимметрично.
Заметим, что наибольшие значения несимметричных снеговых нагрузок прикладывались в четверти пролета купола.
Расчет узловых соединений конструкций на основе древесины проводили по деформируемой схеме с использованием условного модуля деформативности Еy.
Условный модуль деформативности вычислялся в соответствии с методикой, разработанной И.С. Инжутовым, А.Ф. Рожковым по формуле
 , | (1) |
где Е – исходный модуль упругости; δ – расчетное предельное значение деформаций податливости, принимаемое в зависимости от предельной деформации узлового соединения (на лобовых врубках и торец в торец - 1,5 мм; на нагелях всех видов - 2,0 мм; в примыканиях поперек волокон - 3,0 мм); l – длина стержня, м; kкр – коэффициент учитывающий кратковременность действия нагрузки, при кратковременной нагрузке kкр = 0,5, при длительной - kкр = 1; Rсм - расчетное сопротивление древесины местному смятию.
Заметим, что в этом методе условный модуль деформативности стержня не зависит от величины продольного усилия и площади поперечного сечения элемента.
Длительный модуль упругости, зависящий от влажности древесины и длительности эксплуатации конструкций с учетом развития деформаций последействия, рассчитывался в соответствии с методикой, разработанной В.А. Цепаевым по формуле
 , | (2) |
где
- кратковременный модуль упругости, определяемый для древесины хвойных пород с влажностью w (%); 
- коэффициент длительной деформативности при действии неизменной нагрузки в течение всего срока службы конструкций.Учет в расчетах неупругих деформаций древесины позволяет выявить дополнительные резервы несущей способности конструкции. В основу современных расчетов строительных конструкций положены диаграммы деформирования конструкционных материалов.
Автором были проведены экспериментальные исследования стандартных образцов древесины сосны при растяжении и сжатии. Всего испытано по 10 образцов для каждого вида напряженного состояния. Эксперименты проведены в разрывной машине Р-5 на действие статической нагрузки. Деформации образцов измерялись посредством тензометрических преобразователей. Измерения проведены в реальном масштабе времени расчетно-измерительным комплексом.
Результаты экспериментов представлены в виде диаграмм растяжения и сжатия на рис. 7.
Рис. 7. Диаграмма σ–ε для стандартных образцов древесины сосны при растяжении и сжатии вдоль волокон
Предел пропорциональности при сжатии составил βDP = 15 МПа. Соответствующие деформации εс = 15∙10-4. Сжатые образцы разрушены напряжением σс.max = 32,3 МПа. При растяжении упругие деформации не превысили εр = 35∙10-4.
Полученные диаграммы работы образцов были аппроксимированы и представлены в виде уравнений.
| сжатие |  | (3) |
| растяжение |  | (4) |
Неизвестными х1 и х2 приняты значения точек аппроксимации, расположенных по оси абсцисс, εс и εр – соответствующие им полученные деформации для сжатия и растяжения.
Физическую нелинейность учитывали предложенным автором коэффициентом относительных напряжений k, отражающим запас несущей способности конструкции при возможном увеличении временной нагрузки или при уменьшении расчетного сечения стержней
 , | (5) |
где σi – значения сжимающих напряжений, для сжатых и растянутых стержней; Rн – нормативное значение расчетного сопротивления.
Физически нелинейный модуль упругости Еф, определяемый для области неупругих деформаций вследствие учета коэффициента относительных напряжений k, определялся по формулам
- сжатие  , | (6) |
- растяжение  , | (7) |
где σс,i, σр,i – значения сжимающего напряжения в i-точке кривой диаграммы σ–ε для сжатых и растянутых стержней соответственно; εс,i, εр,i –деформации для i-точки кривой диаграммы σ–ε для сжатых и растянутых стержней соответственно; Ni – возникающее в стержнях купола продольное усилие; j– коэффициент продольного изгиба; F – площадь поперечного сечения элемента с учетом его ослабления.