Дериглазов Олег Юрьевич
Разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами
05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск-2007
Научный руководитель доктор технических наук, профессор,
Инжутов Иван Семенович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
Картопольцев Владимир Михайлович
кандидат технических наук, доцент,
Пуртов Вячеслав Васильевич.
Ведущая организация ОАО «ЦНИИПромзданий»
Защита состоится «02» ноября 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 при ГОУ ВПО Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная, 2, 307/5.
Факс: (3822) 65-03-17, e-mail: tsuab@sibmail.com
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан «28» сентября 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Скрипникова Н.К.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Общеизвестно, что пространственные конструкции на основе древесины более эффективны по сравнению с плоскостными. Они конкурентоспособны и по сравнению с аналогичными конструкциями одного класса из других традиционных материалов. Легкость конструкций из дерева дает возможность (при равенстве суммарного веса) перевезти их в пятнадцать раз больше по сравнению с металлическими, а, следовательно, в пятнадцать раз сократить расходы на эти цели.
Одними из наиболее распространенных пространственных конструкций с применением древесины являются ребристо-кольцевые купола. Купольные покрытия из сборных деревянных элементов удачно сочетают в себе архитектурную выразительность и эффективность пространственных конструкций с технологичностью арочных. Между тем, широкое внедрение куполов сдерживается отсутствием или недостаточной проработкой в нормативной, научно-технической и справочной литературе указаний и рекомендаций по конструированию и расчету таких конструкций. Также не имеется обстоятельных исследований куполов с учетом изменения физико-механических свойств древесины в процессе эксплуатации, обусловленных существенной податливостью в узловых соединениях конструкций, изменчивостью прочности и деформативности древесины в зависимости от длительности действия нагрузки, физической нелинейностью древесины.
Задачи повышения надежности, прочности и долговечности конструкций и сооружений, эффективного их использования, снижения материалоемкости и стоимости во все времена остаются важнейшей целью строительной отрасли.
Поэтому разработка, исследование и совершенствование купольных конструкций на основе древесины не только актуальны, но и определяют новизну.
Объект исследования: деревянный ребристо-кольцевой купол с блоками жесткости.
Предмет исследования: конструкторские особенности и напряженно-деформированное состояние деревянного ребристо-кольцевого купола.
Цель работы: разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами, отвечающими требованиям быстрого монтажа и демонтажа, оценка влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины.
Задачи исследования:
- обобщить и проанализировать опыт конструкторских разработок в направлении предпринятых автором исследований;
- разработать новую конструктивную форму ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости;
- разработать новые технические решения узлов для полученной конструктивной формы купола, обладающие надежностью, экономичностью, отвечающие требованиям быстрого монтажа и демонтажа;
- провести численный эксперимент для исследования напряженно-деформируемого состояния ребристо-кольцевого купола с использованием программных комплексов «SCAD» и «ЛИРА»;
- провести физический эксперимент по исследованию пролетного узла ребристо-кольцевого купола, выполненного в натуральную величину, с целью изучения характера его работы и проверки достоверности численного эксперимента;
- разработать рекомендации по расчету, конструированию и изготовлению деревянных ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости и сборно-разборными узлами;
- осуществить внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства.
Методология работы.
Физический эксперимент выполнялся с использованием современного аттестованного измерительно-вычислительного оборудования в лаборатории деревянных конструкций при Томском государственном архитектурно-строительном университете и в лаборатории испытания строительных конструкций Института архитектуры и строительства Сибирского федерального университета, что обеспечило необходимую достоверность полученных результатов.
Научная новизна работы:
- обоснована и исследована новая конструктивная форма ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости (новизна подтверждена патентом РФ на изобретение №2298618);
- предложены и исследованы новые варианты узловых соединений купола;
- разработана расчетная модель конструкции ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости;
- оценены влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины на напряженно-деформированное состояние ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости.
Практическая значимость работы: разработаны до стадии альбомов рабочих чертежей конструкции ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости, выполненных из цельной древесины для пролетов от 9 до 36 м, обладающие прочностью, надежностью и долговечностью, а также мобильностью и малой массой, применяемые для быстровозводимых зданий. Предложены рекомендации по формообразованию, конструированию, расчету, изготовлению, сборке и монтажу ребристо-кольцевых куполов, позволяющие снизить материалоёмкость, трудоёмкость изготовления и стоимость «в деле» по сравнению с известными типовыми решениями.
Достоверность теоретических положений, расчетных и физических моделей, обоснованность выводов обеспечивается корректностью поставленных задач и использованием общепринятых в механике твердого деформированного тела и строительной механике гипотез и допущений. Сравнение результатов численного эксперимента, выполненного посредством ВК «ЛИРА, лицензия №521821425» и «SCAD, лицензия №2E2DDBFB», подтверждаются хорошим согласованием с данными, полученными в ходе физического эксперимента.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты исследований использованы при проектировании реальных конструкций разработанного ребристо-кольцевого купола в Красноярском «Гражданпроекте», ОАО «Томскводпроекте», ООО СП «Рекон» (г. Томск), ООО «Сибирской строительной компании – ТМ» (г. Томск).
Личный вклад диссертанта состоит:
- в разработке конструктивной формы ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости;
- в разработке технических решений сборно-разборных узлов купола;
- в разработке методики и проведении численного эксперимента ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости;
- в разработке методики и проведении численного и физического экспериментов пролетного узла ребристо-кольцевого купола.
На защиту выносятся:
- Разработанное автором конструктивное решение ребристо-кольце-вого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами;
- методика и результаты численных экспериментов по исследованию НДС разработанного купола с учетом влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины;
- результаты натурного испытания пролетного узла ребристо-кольце-вого купола пролетом 12 м;
- рекомендации по проектированию, изготовлению, сборке и монтажу деревянных ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости.
Апробация работы.
Материалы диссертации были доложены, обсуждены и получили положительную оценку: на научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2005-2006 гг.), на региональных научно-технических конференциях «Проблемы строительства и архитектуры» (Красноярск, 2005-2007 гг.), на Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс» (Одесса, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2007 г.).
Публикации.
По материалам диссертационных исследований получен 1 патент РФ на изобретение, опубликованы 1 авторская (3 стр.) и 1 соавторская (8 стр.) статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Всего по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Объем и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, рекомендаций, общих выводов, списка литературы из 171 наименования, в том числе 25 наименований на иностранных языках. Общий объем работы 183 страницы, 84 рисунка, 9 таблиц.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность проводимых исследований, дана краткая характеристика состояния вопроса, сформулирована цель работы, раскрыта её научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
Отмечается, что проблемами совершенствования конструкторских решений, расчетами и исследованиями различных видов соединений элементов посвящены работы многих ученых: В.А. Большакова, П.А. Дмитриева, А.А. Журавлева, Е.М. Знаменского, Г.Н. Зубарева, В.Ф. Иванова, И.С. Инжутова, Г.Г. Карлсена, М.Е. Когана, В.Г. Котлова, В.М. Коченова, Л.Р. Куправа, Б.В. Лабудина, Б.К. Михайлова, В.А. Освенского, В.В. Пуртова, К.П. Пятикрестовского, Ю.В. Слицкоухова, В.В. Стоянова, А.В. Туркова и др. Вопросы изучения изменения физико-механических свойств древесины в процессе эксплуатации и длительности действия нагрузки рассмотрены в трудах В.В. Быкова, С.М. Ванина, Е.Н. Квасникова, Р.Б. Орловича, Е.М. Панюжева, Л.М. Перелыгина, А.В. Прыгункова, Е.Н. Серова, В.А. Цепаева, В.В. Фурсова и др.