Разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами (стр. 4 из 5)
Результаты исследования показали, что при действии симметричной статической нагрузки напряженно-деформированное состояние панелей меридиональных ребер не зависит от количества и месторасположения блоков жесткости.
При исходном модуле упругости и несимметричном статическом нагружении купола наибольшие расчетные значения перемещений узлов составили 1/900 диаметра купола.
Учет податливости узловых соединений приводит к увеличению расчетных значений перемещений узлов до 1/760 диаметра купола.
Учет длительности действия нагрузки приводит к дальнейшему увеличению расчетных значений перемещений узлов до 1/580 диаметра купола.
Учет коэффициента относительных напряжений, который в нашем случае принимался равный k=2,15, и физически нелинейного модуля упругости позволяют увеличивать расчетные значения перемещения узлов до 1/330 диаметра купола.
Сопоставляя картину деформирования куполов с контрастными схемами расстановки блоков жесткости (блоки жесткости отсутствуют РК-1; блоки жесткости расположены в шахматном порядке по поверхности полусферы РК-2; блоки жесткости расположены по всей поверхности полусферы РК-3), установлено, что разница значений нормальных усилий для всех трех схем куполов находится в пределах 13%. При установке блоков жесткости во все ярусы и секции купола (схема РК-3) расчетные значения перемещений узлов достигают 1/2600 диаметра; при схеме РК-2 – 1/760 диаметра; при схеме РК-1 – 1/40 диаметра купола.
В четвертой главе приведена методика численного и физического экспериментов по исследованию НДС пролетного узла ребристо-кольцевого купола, выполненного в натуральную величину, с техническим решением наконечника РКК-12-СРД3.
Для проведения физического эксперимента была разработана и использована установка, предназначенная для испытания пролетного узла ребристо-кольцевого купола в лабораторных условиях на усилия сжатия и растяжения (рис. 8).
Рис. 8. Схема обозначения основных элементов испытательной установки: 1 – силовой пол; 2 – швеллер №1; 3 – швеллер №2; 4 – панель меридионального элемента; 5 – панель кольцевого элемента; 6 – домкрат; 7 – силоизмерительный датчик (динамометр); 8 – опорный башмак (для сжатых элементов); 9 – опорный башмак (для растянутых элементов); 10 – узловой элемент
Конструкция была подвергнута испытаниям статической нагрузкой. Интенсивность нормативной нагрузки, сосредоточенно приложенной вдоль оси стержней меридиональных элементов, составляет 20 кН. Нагрузку создавали при помощи механических 5 т домкратов и контролировали ее силоизмерительными датчиками (рис. 9, а).
Перед основным испытанием конструкции проводилось пробное загружение, принимаемое 10% от нормативной нагрузки, которое позволяло проверить правильность установки приборов и их способность измерять деформации, удобство осуществления загрузки конструкции, согласованность работы членов испытательной бригады.
В ходе эксперимента величину испытательной нагрузки делили на десять частей. Величину ступени нагрузки принимали равной 10% или 2 кН от нормативной. После приложения каждой ступени нагружения конструкция выдерживалась под нагрузкой 10 мин, время контролировалось секундомером.
В ходе эксперимента измеряли:
- вертикальные перемещения узла при помощи датчика перемещений с тензорезистивной схемой измерения (рис. 9, б);
- горизонтальные перемещения узла при помощи отвеса и жестко закрепленных на основании стенда миллиметровых линеек по направлению Х и Y;
- напряжения в элементах с помощью проволочных тензорезисторов типа КФ с базой 20 мм и 10 мм (для деревянных и стальных элементов соответственно). В качестве регистрирующего устройства использовали измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) MIC-400, заводской № 40104, который имеет сертификат об утверждении типа средств измерений RU.С.34.010.А № 9569 ГОССТАНДАРТа России.
| а) |
 |  |
Рис. 9. Измерительные датчики: а) силоизмерительный; б) перемещений
Силоизмерительные датчики и датчики перемещений разработаны в лаборатории автоматизации эксперимента при кафедре ЖБиКК ТГАСУ.
Всего в испытании узла было использовано: тензорезисторов – 20, датчиков вертикальных перемещений – 1, отвесов – 5, силоизмерительных датчиков – 2.
Для построения расчетной модели с действительными упругими механическими характеристиками цельной древесины были произведены испытания стандартных образцов. В результате эксперимента были определены значения модулей упругости, которые составили: вдоль волокон – 9820 МПа; поперек волокон – 385 МПа.
Численный эксперимент по определению НДС пролетного узла ребристо-кольцевого купола выполнялся с учетом полученных действительных механических характеристик древесины и податливости соединений посредством вычислительных комплексов «SCAD» и «Лира».
В численном эксперименте автор счел необходимым учесть возможные неблагоприятные факторы, которые могут возникать вследствие технологических допусков. Неблагоприятные факторы (эксцентриситеты, возникающие в результате расцентровки осей стержней в узле) моделировались в расчетной схеме жесткими вставками. Величина жесткой вставки принималась равной 4 мм по ГОСТ 21779-82 для 6 класса точности.
Жесткостные характеристики для древесины в расчетной схеме были приняты следующие: условный модуль деформативности, полученный по формуле (1), значение которого составило Еy = 5557 МПа, коэффициент Пуассона принимался μ = 0,5, плотность древесины ρ = 5,5 кН/м3.
В пятой главе изложен анализ результатов численного и физического экспериментов. Дана оценка технологичности изготовления натурной конструкции. Выполнена оценка несущей способности и деформативности разработанного пролетного узла ребристо-кольцевого для купола пролетом 12 м с учетом неблагоприятных факторов.
Изготовление, сборка и монтаж пролетного узла купола выполненного в натуральную величину подтвердили технологичность принятого конструктивного решения и соответствие конструкции скоростному монтажу и демонтажу.
Выполненный численный эксперимент пролетного узла ребристо-кольцевого купола позволил выявить, что начальные эксцентриситеты влияют на значения расчетных перемещений не более 1-2%. Наибольший выгиб узла составил 1/478 диаметра купола, наибольшее усилие в стержнях – 20 кН.
Физический эксперимент показал, что опытная конструкция характеризуется малой деформативностью: при нормативной нагрузке наибольший выгиб узла составил 1/438 диметра купола.
Разработанная конструкция пролетного узла купола обладает достаточной прочностью, жесткостью и надежностью с коэффициентом безопасности 1,2, и может быть рекомендована для использования ее в составе купольного покрытия, а разработанная конструктивная форма ребристо-кольцевого купола - к применению в строительстве.
В конце диссертации приводятся рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению деревянных ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости. Указана технология изготовления, сборка и монтаж разработанной конструкции, а также представлена огне-биозащита древесины и металла.
Произведена сравнительная оценка экономической эффективности ребристо-кольцевых куполов с контрастными конструктивными схемами (рис. 10).
Рис. 10. Изменение приведенных затрат
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю – доктору технических наук, профессору Ивану Семеновичу Инжутову; доктору технических наук, профессору Петру Андреевичу Дмитриеву за ценные консультации во время работы над диссертацией, а также коллективам кафедр «МиДК» ТГАСУ и «СК» ИАС СФУ за внимание, помощь и критические замечания, сделанные в процессе подготовки диссертационной работы.
Основные результаты и выводы
1. Сформулированы принципы формообразования и конструирования ребристо-кольцевого купола со связями с применением калиброванного, в том числе тонкомерного бревна, для зданий различного функционального назначения. Предложена новая конструктивная форма ребристо-кольцевого купола, техническая новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение.
2. Проведен конструкторский поиск рациональных узловых сопряжений деревянного ребристо-кольцевого купола. Разработано три варианта технических решений узлов сопряжения элементов купола. Установлено, что наименее металлоемким является узел, основанный на наконечнике РКК-12-CРД3.
3. В результате численного эксперимента установлено, что: учет податливости узловых соединений приводит к увеличению расчетных значений перемещений узлов до 1/760 диаметра купола; учет длительности действия нагрузки приводит к дальнейшему увеличению расчетных значений перемещений узлов до 1/580 диаметра купола; учет коэффициента относительных напряжений k = 2,15 и физически нелинейного модуля упругости увеличивает расчетные значения перемещения узлов до 1/330 диаметра купола.
4. Анализ результатов численного и физического экспериментов пролетного узла ребристо-кольцевого купола позволил установить, что: опытная конструкция характеризуется малой деформативностью, технологичностью принятого конструктивного решения и высокой скоростью монтажу и демонтажу. Показано, что начальные эксцентриситеты узловых сопряжений стержней влияют на значения перемещений узла не более чем на 2%.