WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

 

  Давыдов

  Евгений Юрьевич

 

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТОНКОЛИСТОВЫЕ ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЙ

И  СООРУЖЕНИЙ ИЗ  ПАНЕЛЕЙ-ОБОЛОЧЕК

  ИНДУСТРИАЛЬНОГО  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Специальность  05.23.01-строительные конструкции, здания

  и сооружения.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

 

  МОСКВА  2011 г.

Работа выполнена в Белорусском Национальном техническом университете.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

- доктор технических наук, профессор

Еремеев Павел Георгиевич

- доктор технических наук, профессор

Ольков Яков Иванович

- доктор технических наук

Холопов Игорь Серафимович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ – ФГУП «ЦНИИПроектлегконструк-

ция»

Защита состоится «26» апреля 2011 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» по адресу: 109428 Москва, 2-я Институтская ул., д.6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИЦ «Строительство». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ОАО «НИЦ «Строительство» http://www.cstroy.ru.

Автореферат разослан «___» ___________ 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук  Зикеев Л.Н.

         

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

  Прогресс в области металлических конструкций неразрывно связан с умень­шением расхода металла и сокращением трудозатрат, прежде всего, на строительной площадке. В области покрытий наилучшие показатели по пер­вому критерию имеют тонколистовые металлические оболочки. Об этом свидетельствуют многочисленные примеры их применения. Использование тонколистовых металлических оболочек относится, как правило, к уникальным зданиям и сооружениям (спортивные объекты, киноконцертные залы, крытые рынки и т.д.). Примене­ние металлических оболочек в массовом строительстве сдерживается их высо­кой трудоемкостью на строительной площадке, которая, в свою очередь, явля­ется следствием низкой степени их индустриализации. Для решения этой существующей в настоящее время проблемы предлагаются результаты экспериментальных и теоретических исследований, определяющие новое направление в области металлических покрытий зданий и сооружений.

       

Актуальность работы. В общем объеме затрат на покрытия приходится их существенная часть 50- 70%  по материалоемкости и около 50% по трудоемкости. Поэтому развитие  конструктивных форм покрытий в значительной  степени определяет прогресс во всей строительной отрасли. Актуальность работы определяется отсутствием конструктивных форм покрытий, обладающих преимуществами тонколистовых металлических оболочек и в то же время позволяющих существенно уменьшать трудовые затраты на строительной площадке; отсутствием экспериментальных и теоретических исследований покрытий в виде составных металлических оболочек, образуемых из отдельных панелей-оболочек с высокой степенью заводской готовности, в том числе из панелей-оболочек с элементами кровли.

Связь работы с государственными  научно-техническими программами. Исследования по диссертационной работе выполнялись в рамках государственных программ по повышению эффективности строительства и строительных конструкций. Тема диссертационной работы была задействована в следующих программах:

- Республиканская научно-техническая программа 05501’’Разработать и внедрить новые эффективные материалы, конструкции и конструктивные схемы зданий и сооружений, технологические процессы и средства их механизации и автоматизации, методы организации и управления строительством, обеспечивающие существенную экономию материальных и топливно-энергетических ресурсов, улучшающие условия труда, комфортность жилья, качество строительства и сокращение инвестиционного цикла” 1993…1995 гг.

- ГБ 77-25, ГБ 81-47. Разработать, исследовать и внедрить эффективные конструкции покрытий и перекрытий производственных зданий на основе металла, железобетона, дерева и пластмасс; N81092679, 1980; N81028428, 1985 г.

- ГБ93-33. Разработка новых эффективных конструкций, теории расчета и конструктивных схем зданий и сооружений; N 199431, 1993г, 1994г.

- ГБ91-39. Разработать, исследовать и внедрить конструктивные схемы одноэтажных производственных зданий из металлических и деревянных конструкций под легкие кровли. N 199432, 1997г.

       Цель работы: создание эффективных решений покрытий на основе тонколистовых металлических оболочек, обеспечивающих снижение трудовых и материальных затрат. Экспериментальная апробация новых конструктивных форм покрытий и решение научно-технических вопросов, связанных с особенностями разработанных конструктивных форм.

         Задачи исследования: 1.Определение оптимальных параметров поверхностей индустриальных панелей-оболочек из конструктивно-анизотропных материалов, образующих покрытия в виде составных металлических оболочек, обеспечивающих наиболее благоприятное распределение усилий в основных конструкциях.

2. Выявление с помощью методов экспериментального исследования и математической статистики основных закономерностей образования напряженно-деформированных состояний разработанных конструктивных форм покрытий при внешних воздействиях в зависимости от геометрических и физических параметров. 

        3. Исследование работы диска покрытия, образуемого гиперболическими панелями-оболочками, и определение степени влияния сдвиговой жесткости панелей-оболочек на пространственную работу каркаса зданий и сооружений.

4. Разработка методики расчета составных металлических оболочек покрытия из панелей-оболочек отрицательной гауссовой кривизны, где в качестве пролетной конструкции используются конструктивно-анизотропные материалы, обладающие резко отличающимися физическими и геометрическими характеристиками. 

5. Разработка и апробация способов регулирования усилий, позволяющих улучшать напряженно-деформированное состояние пролетных конструкций и промежуточных ригелей составных оболочек покрытий.

6. Определение закономерностей распределения напряжений в поверхностях из конструктивно-анизотропных материалов при наличии ослаблений с учетом особенностей распределения основных напряжений и при соизмеримости размеров отверстий с размерами оболочек.

        7. В целях снижения трудозатрат по устройству покрытий в виде составных оболочек экспериментально проверить возможность трансформирования комплексных панелей-оболочек отрицательной гауссовой кривизны из конструктивно-анизотропных материалов в плоскость и  разработать аналитический метод определения основных параметров напряженно-деформированного состояния панелей-оболочек в процессе прямого и обратного трансформирования.

8. Обобщение и внедрение в практику строительства результатов выполненных исследований, а также создание научных предпосылок для развития нового направления по совершенствованию металлических оболочек покрытий зданий и сооружений.

         Объект и предмет исследования - объектом исследования являются покрытия зданий и сооружений. Предмет исследования – закономерности изменения напряженно-деформированного состояния покрытий и отдельных конструктивных частей покрытий в зависимости от механических и физических характеристик материала, геометрических параметров в горизонтальных и вертикальных плоскостях, значений и схем распределения внешних нагрузок и воздействий.

Методология и методы проведенных исследований.  В работе использованы методы экспериментального исследования работы конструкций зданий и сооружений; методы математической статистики; методы строительной и теоретической механики, определяющие напряженно-деформированные состояния конструкций; метод дискретизации континуальных систем и метод последовательного приближения.

               Экспериментальные исследования выполнялись на натурных образцах. В теоретических исследованиях использовались численные и аналитические методы, приспособленные к особенностям исследуемого объекта.

Научная новизна работы и значимость полученных результатов.

Научную новизну составляют следующие впервые полученные результаты:

- разработано и исследовано направление по использованию конструктивно-анизотропных металлических материалов для образования криволинейных поверхностей в виде составных оболочек покрытий с высокой степенью индустриализации;

- проведены комплексные исследования составных металлических оболочек покрытий отрицательной гауссовой кривизны с пролетной конструкцией из конструктивно-анизотропных материалов.  Проведенные исследования позволяют выявить закономерности образования напряженно-деформированных состояний оболочек из конструктивно-анизотропных материалов в зависимости от вида и схем распределения внешних воздействий, кривизн пролетных конструкций, наличия нерегулярных жесткостных включений и вида граничных условий;

- разработана методика определения усилий и перемещений составных металлических оболочек покрытий, позволяющая учитывать следующие особенности: конструктивную анизотропию пролетной конструкции, которая выражается в резком различии физических характеристик в направлении продольных и поперечных линейчатых образующих, а также в различных напряженных состояниях - моментном в продольном и безмоментном в поперечном направлениях; появление в пролетных конструкциях деформаций, необуслов-

ленных напряжениями; наличие перемещений, значительно превышающих приведенную толщину пролетных конструкций; превышение на порядок и более относительных деформаций в направлении поперечных линейчатых образующих над относительными деформациями в направлении продольных линейчатых образующих пролетной конструкции;

       - проведены экспериментальные и теоретические исследования диска покрытий из гиперболических панелей-оболочек, позволяющие учитывать особенности оболочечных покрытий при определении степени пространственной работы каркаса зданий и сооружений;

       - определены возможности по регулированию усилий в составных металлических оболочках покрытий  и получены аналитические зависимости по вычислению основных параметров напряженно-деформированных состояний пролетной конструкции и элементов опорного контура;

       - получены экспериментальные схемы распределения напряжений в поверхностях отрицательной гауссовой кривизны из конструктивно-анизотропных материалов при наличии ослаблений и определены аналитические зависимости, позволяющие вычислять напряженное состояние вблизи отверстий в конечных поверхностях с учетом  их размеров и размеров отверстий, формы распределения основных напряжений и расположения отверстий относительно эпюр основных напряжений;

       -для не развертывающихся поверхностей в форме гиперболического па-

раболоида получены экспериментальные результаты, определяющие условия и возможность их трансформирования в плоскость. На основании экспериментальных данных разработан аналитический метод  по  определению  основных  характеристик  напряженно-деформированных состояний, возникающих в процессе трансформирования. 

Практическая значимость полученных результатов.

Значимость диссертационного исследования состоит в следующем:

- разработана научная основа для совершенствования металлических  покрытий, на основе составных оболочек, компонуемых из панелей-оболочек ин-

дустриального изготовления, с использованием конструктивно-анизотропных материалов;

- разработанные решения металлических покрытий позволяют существенно улучшить технико-экономические показатели объектов массового строительства за счет резкого сокращения количества конструктивных элементов, используемых в традиционных покрытиях, и переносом значительной части технологических операций в заводские условия. Кроме того, разработанные конструктивные решения позволяют в два-три раза уменьшить строительную высоту покрытий и, тем самым, уменьшить объем зданий и сооружений, что обеспечивает сокращение трудоемкости, материалоемкости и снижает эксплуатационные, прежде всего, энергетические затраты. Интерьер, создаваемый гиперболическими панелями-оболочками из конструктивно-анизотропных элементов, позволяет отказаться от применения подвесных потолков, что так

же способствует сокращению трудоемкости и материалоемкости строительных объектов, прежде всего, общественного назначения;

-разработанная методика расчета позволяет определять параметры напряженно-деформированных состояний составных оболочек покрытий, где в качестве пролетной конструкции используются элементы, обладающие резкой конструктивной анизотропией. Методика расчета позволяет определять напряжения и деформации с учетом геометрической нелинейности при больших перемещениях, при неравновесных нагрузках и при резко отличающихся размерах панелей-оболочек в плане. Разработанная методика расчета включена в Пособие по проектированию мембранных конструкций, предназначенное для инженерно-технических работников строительных и проектных организаций;

-исследования панелей-оболочек с предварительными (собственными) напряжениями позволяют регулировать усилия в промежуточных ригелях составных оболочек и снижать деформативность пролетной конструкции. Результаты исследований использовались при разработке рабочих чертежей панелей-оболочек с зенитными фонарями. Регулирование усилий было внедрено  при строительстве Оздоровительного центра в городе Минске, где зенитные фонари применялись в качестве напрягающих элементов;

  -коэффициенты пространственной работы, полученные по результатам исследований диска покрытия из стальных гиперболических панелей-

оболочек, позволяют вести расчет с учетом перераспределения усилий, уменьшают значения расчетных усилий в элементах поперечных рам и обеспечивают снижение материалоемкости несущих конструкций. На основании проведенных исследований определены коэффициенты пространственной работы для наиболее распространенных зданий с металлическими покрытиями в виде составных оболочек;

-формулы по определению напряженных состояний оболочек вблизи ослаблений, полученные на основании проведенных исследований, позволяют определять значения напряжений в растянутых конечных поверхностях из конструктивно-анизотропных элементов и обоснованно проектировать усиления в местах расположения технологического оборудования;

-исследования напряженно-деформированного состояния оболочек отрицательной гауссовой кривизны при их трансформировании в плоскость, в том числе, с уже уложенными элементами кровли, позволяют определять характеристики напряженно-деформированного состояния и без необратимых деформаций переводить панели-оболочки в плоское состояние, что существенно упрощает процесс устройства кровли, а также транспортирование и складирование панелей-оболочек. Результаты исследований по трансформированию гиперболических панелей-оболочек нашли применение при строительстве Складского здания в Минске;

  -по результатам проведенных исследований осуществлено проектирование и строительство общественных и производственных зданий на территории Республики Беларусь. Наиболее значимыми объектами являются: Универмаг Беларусь и Оздоровительный центр в  Минске, Общественное здание и Цех гид-

ролиза в Гомеле. Разработанная проектная документация пригодна для повторного применения;

-на основании экспериментальных и теоретических исследований, опыта проектирования и строительства разработанных конструктивных решений, а также на основании многолетних наблюдений за построенными объектами, составлены таблицы по подбору сечений основных элементов составных оболочек покрытий из конструктивно-анизотропных материалов.        

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

  -конструктивные решения покрытий зданий и сооружений в виде криволинейных поверхностей , образуемых сочленением отдельных индустриальных панелей-оболочек из конструктивно-анизотропных материалов улучшающих технико-экономические показатели зданий и сооружений при их возведении и эксплуатации;

       -результаты экспериментальных исследований составных  металлических оболочек из конструктивно-анизотропных материалов, позволяющих установить закономерности распределения напряжений и перемещений по поверхности пролетной конструкции и элементам опорного контура в зависимости от геометрических и физических характеристик;

       -результаты теоретических исследований по определению параметров напряженно-деформированных состояний составных металлических оболочек покрытий с учетом следующих особенностей: резкое отличие физических характеристик в направлении поперечных и продольных линейчатых образующих пролетной конструкции; моментное напряженное состояние в направлении продольных и безмоментное в направлении поперечных линейчатых образующих; значительное превышение вертикальных перемещений над приведенной толщиной оболочки покрытия; наличие перемещений, не обусловленных напряжениями; значительное преобладание поперечных относительных деформаций над продольными; наличие собственных напряжений, обусловленных регулированием усилий в пролетной конструкции и в промежуточных ригелях составных оболочек;

       -экспериментальные и теоретические исследования диска покрытия из сочлененных стальных панелей-оболочек, имеющих форму поверхности отрицательной гауссовой кривизны. Полученные результаты определяют параметры, оказывающие влияние на жесткость диска и на степень пространственной работы каркаса зданий и сооружений;

  -результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированных состояний конечных поверхностей из конструктивно-анизотропных материалов при наличии ослаблений, на основании которых получены аналитические зависимости, определяющие значения напряжений при соизмеримости размеров поверхности и размеров ослаблений, при параболической форме распределения основных напряжений и с учетом расположения ослаблений относительно эпюр основных напряжений;

- результаты исследований, определяющие условия и возможности трансформирования в плоскость не развертывающихся поверхностей отрицательной

гауссовой кривизны в виде гиперболического параболоида, и позволяющие аналитически определять усилия и перемещения основных конструктивных элементов в процессе трансформирования;

       

Личный вклад соискателя. Диссертационная работа выполнялась на кафедре Металлических и деревянных конструкций Белорусского национального технического университета с 1977г. Диссертационная работа основывается на экспериментальных и теоретических исследованиях, выполненных автором, а также на отдельных экспериментальных исследованиях, проведенных Нестеренко Н.Л. и Ткаличевым А.В. под руководством автора.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной

работы докладывались и обсуждались на 19 конференциях, симпозиумах, конгрессах и совещаниях, из которых основными являются: заседание «Ассоциации кафедр металлических конструкций стран СНГ» - Липецк, 2009г.; научная сессия “Новые констр. решения пространственных покрытий и перекрытий зданий и сооружений” – М. , 2005 г.; научно-техническая конф. “Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее”- Киев, 2004г; научная сессия и научно-практический семинар "Компьютерное моделирование и проектирование простр. конструкций"- М., 2001г; V конференция Ассоциации “Простр. конструкции”, М., 1999г; международный конгресс "Простр. конструкции в новом строительстве и при реконструкции зданий и сооружений". М., 1998г; международные научно-технические конф. БНТУ,  Минск, 1978, 1979, 1992, 1995, 1997гг.; заседание рабочей комиссии по висячим конструкциям национального комитета  ИАСС. Киев, 1989г.; научно-техническая конф. «Состояние, перспективы развития и применения простр. строительных конструкций» Свердловск, 1989г. научно-техническая конф. по мет. конструк. Житомир, 1984г.; совещание-семинар "Исследование, разработка и внедрение висячих систем в покрытиях и инженерных сооружениях". Киев, 1982г.

  Опубликованность результатов. Результаты диссертационной работы представлены в 53 публикациях: 22 статьи в научно-производственных журналах; 16 статей в сборниках научных трудов; 2 пособия для проектировщиков; 2 монографии. Остальные публикации представлены в сборниках тезисов и в информационных материалах. По тематике диссертационной работы получено три авторских свидетельства. Общее количество страниц опубликованных материалов 688. Из общего числа опубликованных работ 11 в журналах, которые входят в перечень утвержденных ВАК РФ изданий для публикаций основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, семи глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Содержание изложено на 282 страницах, диссертация включает 113 рисунков (90 страниц), 25 таблиц (23 страницы) и 1 приложение (10 страниц). Список использованной литературы включает 301 источник (17 страниц).

Автор выражает признательность Заслуженному деятелю науки и техники СССР, д.т.н. профессору Трофимову В.И. за помощь и ценные указания в проведении исследований. Автор благодарит к.т.н. Нестеренко Н.Л. за большую помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрении. Автор также благодарит инженера Ткаличева А.В. за помощь в проведении экспериментальных исследований.

       Внедрение результатов диссертационной работы осуществлялось в содружестве со следующими организациями: ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя РФ (г. Москва); Проектный институт Гомельпроект; Проектный институт Минскпроект; А.П. “Белпроектстальконструкция;” Союз архитекторов Республики Беларусь; Проектный институт Белгипроторг; Минский опытный завод металлических конструкций; Минский завод технологических и металлических конструкций; НИЛ реконструкции зданий и сооружений НИЧ БПИ; организации Минпромстроя и Минмонтажспецстроя БССР.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу имеющегося опыта проектирования и строительства покрытий с применением тонких металлических листов. Поверхности тонколистовых оболочек могут быть нулевой, положительной и отрицательной гауссовой кривизны. Поверхности нулевой гауссовой кривизны просты в изготовлении и при монтаже, но являются более металлоемкими, т.к. металл работает преимущественно в одном направлении. Такие поверхности более подвержены кинематическим перемещениям, что требует дополнительных мер по стабилизации формы оболочки. В оболочках положительной кривизны металл преимущественно работает в двух направлениях, что снижает их металлоемкость. К недостаткам таких оболочек можно отнести необходимость устройства внутреннего водоотвода, при этом воду, как правило, приходится отводить с центральной части покрытия. Оболочки отрицательной гауссовой кривизны, при прочих равных условиях, обладают наибольшей стабильностью формы, способны воспринимать отрицательную нагрузку. Такие оболочки допускают устройство внешнего водоотвода и обладают определенными архитектурными преимуществами. Форма оболочек отрицательной кривизны является более сложной и поэтому требует больших трудозатрат при их изготовлении.

При больших неравновесных нагрузках деформативность покрытий с применением тонколистовых металлических оболочек может привести  к разрывам элементов кровли. Для предотвращения этого используется стабилизация формы покрытия, которая осуществляется тремя способами: увеличением доли равновесной нагрузки; включением в состав покрытия элементов, обладающих изгибной жесткостью; предварительным напряжением несущих конструктивных элементов. Первый способ, в большинстве случаев, приводит к увеличению нагрузки от собственной массы покрытия, т.е. приводит к увеличению усилий  и, следовательно, расхода материалов на оболочку покрытия, опорный контур  и нижележащие конструкции. При втором способе тонколистовая оболочка укладывается на "постель", образованную изгибно-жесткими элементами. Наиболее рациональным по расходу металла является третий способ  стабилизации с помощью предварительного напряжения. Оболочки нулевой и положительной гауссовой кривизны могут преднапрягаться заполнением швов между плитами утеплителя раствором на напрягающем цементе. Оболочки отрицательной гауссовой кривизны  могут напрягаться притягиванием их к опорному контуру, а также противоположно-направленным вращением сторон опорного контура относительно оси, расположенной в плоскости главной отрицательной кривизны. В первом случае увеличивается отрицательная кривизна оболочки, а во втором случае уменьшается положительная кривизна. Использование преднапряжения сопровождается появлением дополнительных усилий в пролетной конструкции и элементах опорного контура.

Анализ технико-экономических показателей металлических оболочек покрытий показывает, что трудоемкость их возведения в 2…3 раза превышает трудозатраты по возведению покрытий традиционного решения.

Наиболее часто для тонколистовых оболочек покрытий используются конструктивно-изотропные элементы (гладкие листы). Конструктивно-анизотропные элементы находили применение лишь в единичных объектах, где  использовались в качестве плоских настилов, работающих преимущественно на изгиб. Сдвиговая жесткость таких настилов, необходимая для обеспечения пространственной работы каркаса зданий и сооружений, исследовалась лишь в плоских конструктивных формах, прежде всего, в стеновых панелях. Для конструктивных решений в виде оболочек покрытий такие исследования не проводились. Также отсутствуют результаты исследований напряженного состояния конструктивно-анизотропных элементов в виде криволинейных поверхностей при наличии ослаблений.

Во второй главе приведены описания разработанных решений оболочечных покрытий с применением конструктивно-анизотропных элементов и результаты экспериментальных исследований. Некоторые варианты конструктивных форм покрытий приведены на рис. 1 (а.с. N 916697 “Покрытия“). Все конструктивные формы составных оболочек покрытий образуются из отдельных панелей-оболочек полного заводского изготовления. Форма плана покрытий может быть прямоугольной, П-образной или полигональной. Подстропильные конструкции могут быть образованы с включением поперечных элементов опорного контура панелей-оболочек (рис. 1а), а также с использованием традиционных конструкций (рис. 1б). В большинстве случаев панели-оболочки располагаются поперек пролетов здания или сооружения, но возможны конструктивные схемы покрытий с расположением панелей-оболочек в продольном направлении (рис. 1в). Такой вариант обеспечивает возможность устройства П-образных светоаэрационных фонарей. Покрытия из панелей-оболочек могут быть распорными (рис. 1и).

Наиболее распространенным очертанием плана панелей-оболочек является прямоугольник, продольные размеры которого определяются значениями пролетов зданий и сооружений, а поперечные размеры панелей-оболочек принимаются равными 3 м из условия модульности. Форма пролетной поверхности - оболочка отрицательной гауссовой кривизны, радиус кривизны которой определяется превышением диагональных углов.

Основными конструктивными элементами панелей-оболочек являются: опорный контур и пролетная конструкция. Опорный контур образует замкнутую пространственную раму. Пролетная конструкция изготавливается из конструктивно-анизотропных элементов, при этом наибольшая жесткость направлена вдоль продольных линейчатых образующих гипара, а наименьшая – в перпендикулярном направлении. Меньшая жесткость в поперечном направлении предопределяет меньший изгиб продольных элементов опорного контура и наилучшей степени способствует формообразованию поверхностей

Рис. 1. Конструктивные решения покрытий.

отрицательной гауссовой кривизны (не требуется специального раскроя листов и не требуется сварки тонких листов), в большей степени отвечает условиям  эксплуатации и  делает  возможным  трансформирование  панелей-оболочек в плоскость и обратно в поверхность гиперболического параболоида,  а также исключает образование складок в нижних углах гипара.

В диссертационной работе проведено обоснование принятой поверхности пролетной конструкции в виде оболочек отрицательной гауссовой кривизны, исходя из основных параметров напряженно-деформированного состояния несущих элементов составных оболочек, условий эксплуатаций и  формообразования.

Цель экспериментальных исследований – определение закономерностей изменения параметров напряженно-деформированного состояния составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов. Указанные закономерности исследовались при различных кривизнах пролетной конструкции и при разной степени анизотропии. При этом варьировались виды узловых сопряжений, соотношения жесткостных характеристик, виды и жесткостные характеристики элементов локального увеличения поперечной жесткости пролетной конструкции. Также в процессе эксперимента исследовалась сдвиговая жесткость диска в виде составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов.

Схемы загружений, использованные в процессе эксперимента, включали равномерно-распределенные нагрузки по всему пролету или на части пролета,

вертикальные и горизонтальные сосредоточенные силы, прикладываемые в характерных местах панелей-оболочек при отсутствии равномерной нагрузки и в сочетании с ней. В общей сложности было выполнено 134 неодинаковых загружений. При этом, учитывая чувствительность тонких листов к малейшим смещениям грузов, каждая схема загружений повторялась многократно до получения достоверных результатов. Количество точек, в которых фиксировались перемещения, равно 44 при исследовании отдельных панелей-оболочек и 105 при исследовании фрагментов составных оболочек. Количество точек, в которых фиксировались напряжения, изменялось соответственно от 213 до 469. При статистической обработке экспериментальных данных доверительная вероятность была принята равной 0,95, а коэффициент Стьюдента 2,145.

Анализ вертикальных перемещений, полученных в процессе эксперимента, показал, что зависимость “ нагрузка-перемещение ” не является линейной: с увеличением нагрузки приращения перемещений уменьшаются. Также снижение деформативности было отмечено при увеличении кривизны пролетной конструкции: с уменьшением радиуса кривизны с 74 до 37 м перемещения уменьшились на  40…65%.  Распределение перемещений по поверхности про-

летной конструкции является асимметричным: перемещения вблизи верхних углов панелей-оболочек оказались меньше на 15…35% перемещений вблизи нижних углов (с увеличением кривизны пролетной конструкции асимметричность увеличивается). Наибольшие вертикальные перемещения были отмечены при равномерной нагрузке на всей поверхности пролетной конструкции (см. рис. 2). На рис. 2 цифрами указаны номера точек, цифрами в скобках –

превышения углов. При неравновесных нагрузках были отмечены перемещения, не обусловленные напряжениями, которые в наибольшей степени проявлялись в направлении меньшей жесткости пролетной конструкции.

Существенное влияние на вертикальные перемещения оказали элементы локального усиления пролетной конструкции. В местах расположения этих элементов  в виде стержней с нулевой изгибной жесткостью, не присоединяемых к опорному контуру, перемещения пролетной конструкции уменьшались на 40…55 % . При установке элементов усиления в виде стержней, обладающих изгибной жесткостью, уменьшение перемещений достигало 95%. Смещение пролетной конструкции относительно центра тяжести опорного контура также, как и жесткость поперечных элементов опорного контура, не оказывали существенного влияния на значения вертикальных перемещений.

С увеличением жесткости и количества элементов усиления перемещения продольных элементов опорного контура также увеличивались. Это связано с тем, что постановка элементов усиления сопровождалась локальными увеличениями поперечной жесткости пролетной конструкции, которая, в свою очередь, сопровождалась увеличением доли вертикальной нагрузки, передаваемой на продольные элементы опорного контура. При действии вертикальных сосредоточенных сил  поддерживающее влияние пролетной конструкции на деформативность продольных элементов обнаружено не было. Противоположный вывод был получен при действии горизонтальных сосредоточенных сил – пролетная конструкция увеличивает горизонтальную жесткость опорного контура в 3…4,5 раза.

В процессе эксперимента проводилось исследование горизонтальной же-

сткости фрагмента составных оболочек покрытия из 4-х панелей-оболочек. Особенностью диска, образованного панелями-оболочками, являются материал и форма пролетной конструкции. Предварительно исследовалась сдвиговая жесткость конструктивно-анизотропного материала пролетной конструкции, имеющей форму гипара, при различных краевых закреплениях и для конструктивно-анизотропных элементов в виде профилированных листов была получена аналитическая зависимость модуля сдвига от коэффициента гофрированности (анизотропности). Для диска покрытия получено значение модуля сдвига при жесткой раме, образованной опорным контуром и при закреплениях пролетной конструкции по всему периметру примыкания к элементам контура с конечной жесткостью.

В процессе эксперимента было установлено, что в направлении продольных линейчатых образующих пролетная конструкция работает как моментная оболочка, а в перпендикулярном направлении как безмоментная. Зависимость “ нагрузка-напряжение” для пролетной конструкции не является линейной: с увеличением нагрузки приращение напряжений уменьшаются.

Было установлено также, что напряжения в пролетной конструкции не существенно зависят  от изгибной жесткости элементов опорного контура и от расположения пролетной конструкции относительно центра тяжести сечений элементов опорного контура. Из-за резкой конструктивной анизотропии напряжения в направлении поперечных линейчатых образующих (в направлении меньшей жесткости) были значительно меньше напряжений в перпендикулярном направлении. В то же время из-за значительного превышения продольных размеров панели-оболочки над поперечными относительные деформации в направлении поперечных линейчатых образующих оказались в 15…20 раз больше, чем в направлении продольных линейчатых образующих. Увеличение кривизны пролетной конструкции приводит к уменьшению как продольных, так и поперечных напряжений.

Существенное влияние на напряженное состояние пролетной конструкции оказали элементы усиления – с увеличением жесткости и количества этих элементов значение напряжений уменьшались. При этом постановка гибких элементов усиления существенно влияет только на напряжение, вызванное осевой силой, а постановка жестких элементов усиления оказывает существенное влияние как на изгибные напряжения, так и на напряжения, вызванные осевой силой.

Осевые силы в продольных элементах опорного контура увеличиваются от краев к середине: в центре пролета значения осевых сил в 2…2,5 раза превышают значения этих сил у краев. Значения изгибающих моментов также достигают максимума в центре пролета. При этом они имеют зависимость от интенсивности внешней нагрузки близкую к линейной. Крепление пролетной конструкции ниже центра тяжести продольных элементов опорного контура вызывает  уменьшение изгибающих моментов. Также уменьшение изгибающих моментов было отмечено при повышении степени анизотропии материала пролетной конструкции. При этом в самой пролетной конструкции изгибающие моменты увеличивались. Зависимость «изменение изгибающего момента – степень анизотропии» близка к линейной.

Наличие гибких элементов усиления пролетной конструкции не существенно влияло на значения и распределение осевых сил и изгибающих моментов в продольных элементах опорного контура. Совсем другие результаты были получены при использовании жестких элементов усиления: осевые силы уменьшались на 25…50 %, а изгибающие моменты увеличивались соответственно на  40…23 %. Напряженное состояние поперечных элементов опорного контура определяется четырьмя силовыми факторами: изгибом в вертикальной и горизонтальной плоскостях, кручением и сжатием. Значение последнего фактора является доминирующим при работе поперечных элементов в составе подстропильных систем.

В процессе эксперимента апробировались также технологические операции по изготовлению панелей-оболочек из конструктивно-анизотропных материалов, исследовались варианты узлов сопряжений, по результатам которых были разработаны достаточно надежные и не трудоемкие решения.

В третьей главе  приведены результаты теоретических исследований. На основании экспериментальных исследований  были установлены следующие особенности составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов: резкая конструктивная анизотропия пролетной конструкции, результатом которой является существенное различие как физических, так и геометрических характеристик; перемещения пролетной конструкции более чем в  10 раз превышают приведенную толщину панелей-оболочек; в панелях-оболочках имеют место перемещения, не обусловленные напряжениями и геометрическая нелинейность;  относительные поперечные деформации пролетной конструкции в 10…20 раз превышают аналогичные продольные деформации.

Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами экспериментальных исследований классических гипаров (соотношение сторон в пределах 1:1…1:2; пролетная конструкция из изотропного материала), выполненными другими авторами, указывают на существенные количественные и качественные различия. При конструктивно-анизотропном материале напряженное состояние пролетной конструкции является однозначным (только растягивающие напряжения). Исключение составляют лишь приопорные части, где в результате включения пролетной конструкции в работу опорных элементов могут появиться сжимающие напряжения. В классических гипарах напряженное состояние пролетной конструкции является двузначным. При соотношении сторон гипара 1:5 и менее наибольшего значения сжимающие напряжения в промежуточных ригелях достигают в центральной части пролета, а в классических гипарах сжатие увеличивается по нарастающей схеме и достигает наибольшего значения в нижних углах гипара. Кроме того, при конструктивно-анизотропной пролетной конструкции промежуточные ригели при равномерных нагрузках изгибаются в направлении действия нагрузки, а в классических гипарах промежуточные ригели изгибаются в противоположном направлении.

       Результаты экспериментальных исследований изотропных гипаров имеют хорошие совпадения с теоретическими результатами, полученными с помощью имеющихся программных комплексов. При конструктивно-анизотропных пролетных конструкциях и соотношения сторон гипара в плане менее 1:5 теоретические результаты имеют существенные отклонения от экспериментальных результатов, в том числе, в качественном отношении.

Для проведения теоретических исследований составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов разработан специальный алгоритм и составлена программа расчета, которая базируется на стержневой аппроксимации и методе последовательного приближения. В зависимости от направлений относительно главных кривизн в качестве стержней используются или гибкие, или жесткие нити, закрепляемые на промежуточных ригелях. При выполнении итерационного процесса внешняя нагрузка распределяется между пересекающимися стержнями из условий неразрывности узловых перемещений. На пер-

вом этапе и при  равномерной нагрузке  распределение  осуществляется по  упрощенной степенной функции:

F1 = xi3 · (·i -xi)3·2·E·A x3 · (-x)3 ·I 2·Еi ·Ai,  (1)

где - пролеты пересекающихся стержней;

хi,k – расстояния от промежуточного ригеля до узла пересечения стержней вдоль стержня i-го и k-го направлений.

       Горизонтальная составляющая усилий в стержнях определяется решением кубического уравнения, известного из теории гибких и жестких нитей. За-

ключительной операцией каждого цикла является сравнение и корректировка вертикальных перемещений. Для стержней, с наибольшей продольной жесткостью, направленных вдоль пролета панелей-оболочек и для диагональных стержней, вертикальные перемещения на каждом цикле итерационного процесса корректируются с учетом изгибной жесткости этих стержней с использованием дифференциального уравнения равновесия жестких нитей, где вторая производная определяется методом конечных разностей с использованием вертикальных ординат, полученных на предыдущем цикле. На втором и последующих циклах функция распределения нагрузки корректируется квадратным отношением вертикальных перемещений, найденных на предыдущих циклах.

Одна из исследованных расчетных схем приведена на рис. 3.

  Рис 3.  Расчётная схема панелей-оболочек.

Стержневая сетка образуется стержнями 4-х направлений: вдоль и поперек пролета панелей-оболочек (эти стержни совпадают с линейчатыми образующими гипара) и диагональными стержнями. Густота сетки назначается исходя из вида конструктивной анизотропии: при использовании профилированного настила количество стержней в продольном и диагональном направлениях равно количеству гофров, а в поперечном направлении-  в два раза меньше. Продольные и диагональные стержни обладают жесткостью как при растяжении, так и при изгибе, а поперечные стержни обладают жесткостью только при растяжении.

       В результате численных исследований установлена сходимость итерационного процесса, определена наилучшая форма корректирующей функции распределения узловой нагрузки и разработан инженерный способ расчета, основанный на упрощенной стержневой аппроксимации: пролетная конструкция заменяется стержнями только двух направлений – вдоль и поперек пролета панелей-оболочек. 

       Из сопоставления экспериментальных и теоретических результатов следует: отклонения в значениях осевых усилий в пролетной конструкции не превышает 8,2 %, изгибающих моментов 10,5 %, в значениях осевых усилий в элементах опорного контура 11 %, изгибающих моментов 13,3%, в значениях перемещений 7%. Теоретические значения осевых усилий получаются с превышением, изгибающих моментов с преуменьшением. Отклонения вертикальных перемещений получаются как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.

Поперечные элементы опорного контура составных оболочек находятся в сложном напряженном состоянии. Кроме того, в процессе формообразования поверхности отрицательной гауссовой кривизны поперечные элементы скручиваются. Исходя из результатов экспериментальных исследований, а также апробации технологии изготовления панелей-оболочек на заводах металлоконструкций, поперечные элементы целесообразней изготавливать из открытых профилей, для которых вероятность изгибно-крутильных форм потери устойчивости существенно возрастает. В диссертационной работе проведены теоретические исследования стержней с указанными особенностями по определению параметров, для которых изгибно-крутильная форма потери устойчивости исключается. Для поперечных элементов из наиболее употребительных открытых профилей определены поправочные коэффициенты к расчетным длинам.        

Продольные промежуточные ригели составных оболочек находятся под воздействием  изгибающих моментов и сжимающих сил, распределенных по длине элемента по квадратной параболе, а также под воздействием сосредоточенных сил, приложенных к торцам элемента, и под воздействием концевых моментов, обусловленных формообразованием панелей-оболочек. Из перечисленных силовых факторов только последний может оказывать положительное влияние на устойчивость промежуточного ригеля. Однако значения концевых моментов при использовании поперечных элементов, не обладающих значительной крутильной жесткостью, например, открытых профилей, могут составлять лишь 0,015…0,02 от пролетного момента. Для увеличения крутильной жесткости этих элементов и, следовательно, для повышения устойчивости промежуточных ригелей может быть использована раскосная решетка. В диссертационной работе определены параметры раскосной решетки, обеспечивающие  наибольшую  крутильную  жесткость  при  наименьшем

расходе металла. 

Решение задачи устойчивости продольных промежуточных ригелей выполнено энергетическим методом. С целью использования существующих нормативных документов решение задачи представлено формулами по определению коэффициентов расчетной длины при учете характера распределения сжимающих усилий (µ1) и подкрепляющего влияния конструктивно-анизотропной пролетной конструкции (µ2):

,  , (2) 

 

где q – наибольшее значение функции распределения сжимающих усилий; –коэффициент приведения к расчетной длине при q =0,  с - коэффициент жесткости подкрепляющий среды, создаваемой пролетной конструкцией:

  с= 2·Еn·t/b; Еn- модуль деформаций пролетной конструкции в направлении, перпендикулярном осям продольных элементов опорного контура; t- толщина пролетной конструкции; b- ширина панели-оболочки.

Пространственная работа каркаса здания во многом определяется жесткостью диска покрытия. Панели-оболочки после выполнения всех монтажных соединений образуют диск, сдвиговая жесткость которого зависит от жесткости пролетной конструкции (Gн) и жесткости опорного контура (Gк). Модуль сдвига для наиболее употребительных конструктивно-анизотропных материалов, определяющих жесткость пролетной конструкции в форме гипара, определен на основании экспериментальных исследований. Жесткостные характеристики опорного контура определены как для жестко сопряженных элементов с учетом поддерживающего влияния пролетной конструкции. Полученные аналитические зависимости показывают, что изгибные жесткости элементов опорного контура с учетом пролетной конструкции увеличиваются в два-три раза. Аналогичные результаты были получены и при экспериментальных исследованиях.

Для определения степени пространственной работы диск покрытия, образованный составными оболочками, аппроксимировался пространственной стержневой конструкцией, геометрические характеристики которой определялись из условия равенства перемещений. В процессе решения задачи определены места наименьшей включаемости аппроксимирующей стержневой системы в пространственную работу (как правило, на расстоянии 6-12м от торца здания). Аналитические зависимости по определению условного момента инерции в горизонтальной плоскости приведены ниже:

  при шаге колонн 6 м (х = 6 м,  L = 24 м): 

 

 

  Iу=[ ,  (3) 

  при шаге колонн 12 м (х = 12 м, L = 48 м):

Iy=,  (4)

где Апр- площадь сечения продольного промежуточного ригеля; Аn- площадь сечения подстропильных элементов; Ар= ; - пролет покрытия; Gy- модуль сдвига панели-оболочки (Gy=Gн + Gк); cos = / .

       Зависимости (3-4) получены при включаемости в пространственную работу только пяти поперечных рам. Также в работе выполнен анализ влияния соотношений и схем расположения грузовых факторов на пространственную работу каркаса зданий и сооружений, оборудованных грузоподъемными механизмами. По результатам проведенных исследований получена формула определения коэффициента пространственной жесткости в зависимости от жесткостных характеристик диска из составных оболочек, колонн и соотношения силовых факторов. Для зданий с наиболее распространенной сеткой колонн, оборудованных грузоподъемными кранами, определены численные значения коэффициентов пространственной работы. 

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований покрытий из панелей-оболочек с регулируемыми усилиями, которые осуществлялись с помощью преднапряжения. Преднапряжение панелей-оболочек имеет две цели: уменьшение деформаций пролетной конструкции и улучшение напряженного состояния элементов опорного контура. Преднапряжение осуществлялось двумя способами: вдавливанием штампа и  с помощью тяжей, закрепляемых на продольных сторонах опорного контура.

В результате преднапряжения эпюра изгибающих моментов в пролетной конструкции становится двузначной: в местах приложения напрягающих усилий растягивались нижние грани пролетной конструкции, а между ними- верхние. При отсутствии внешней нагрузки такое распределение моментов является следствием поперечной жесткости пролетной конструкции. Наибольшие значения положительных моментов в пролетной конструкции зафиксированы в средних условных стержнях в местах приложения напрягающих усилий, а наибольшие отрицательные – между напрягающими элементами. Осевые усилия в пролетной конструкции имели наибольшее значение также в средних условных стержнях. При этом так же, как и при внешнем загружении значения осевых усилий увеличивались от краев к центру панелей-оболочек: значение краевых усилий составили 13…44 % от центральных  усилий.

В процессе преднапряжения продольные элементы опорного контура изгибались в направлении, противоположном перемещениям пролетной конструкции. Наибольшие значения изгибающих моментов зафиксированы в местах установки напрягающих элементов. Следует отметить, что при втором способе преднапряжения при одинаковых вертикальных перемещениях пролетной конструкции значения наибольших изгибающих моментов в продольных элементах опорного контура оказались примерно на 20… 26 % меньше, чем при первом способе. Это явилось следствием того, что нагрузка на опорный контур, создаваемая тяжами, является более распределенной, чем нагрузка, создаваемая штампами. Значения сжимающих осевых сил в продольных элементах увеличивались от краев к середине: в средней части значения осевых сил оказались в 3-5 раз больше, чем у краев.

После преднапряжения панели-оболочки исследовались при внешних загружениях. Было установлено, что приращения изгибающих моментов в пролетной конструкции при внешнем загружении имели наименьшее значение в местах установки напрягающих элементов и наибольшее между напрягающими элементами. Внешняя нагрузка в пролетной конструкции вызывала осевые усилия того же знака, что и преднапряжение, при этом характер изменения осевых сил в направлении длины условных стержней не изменился.

Другой особенностью напряженно-деформированного состояния преднапряженной пролетной конструкции явилось смещение наибольших усилий: наибольшие изгибающие моменты и осевые силы были отмечены в условных стержнях, расположенных в четвертях ширины панелей-оболочек. Такое смещение явилось следствием того, что в результате преднапряжения исходная стрела провисания не средних условных стержней увеличилась в значительно меньшей степени, чем средних.

В продольных элементах опорного контура внешняя нагрузка вызывает изгибающие моменты противоположного знака по сравнению с преднапряжением. Что же касается осевых сил, то они совпадают по знаку и уменьшение сжатия продольных элементов за счет преднапряжения не происходит. Анализ зависимости изгибающих моментов от внешней нагрузки показывает, что эта зависимость близка к линейной, т.е. преднапряжение не оказывает влияния на приращения изгиба. Зависимость осевых сил от нагрузки не является линейной: на первых этапах загружения (реактивные усилия от внешней нагрузки еще не превысили значения тех же усилий от преднапряжения) приращения осевых сил меньше, чем на последующих этапах, когда  значения реактивных усилий от нагрузки уже превысили аналогичные значения от преднапряжения.

Анализ вертикальных перемещений пролетной конструкции показывает, что наибольшее уменьшение перемещений произошло в местах установки напрягающих элементов (на 27…53 %). Между напрягающими элементами уменьшение перемещений составило 3…36 % - с увеличением нагрузки процент уменьшения снижается, с увеличением преднапряжения увеличивается. Закономерности снижения деформативности пролетной конструкции в результате преднапряжения можно объяснить с помощью графиков, приведенных на рис.4. График «1» иллюстрирует зависимость f-q без преднапряжения, график «1а» - тоже с преднапряжением и график «2а» -тоже с еще большим преднапряжением. Из анализа приведенных графических зависимостей видно, что при одинаковом приращении внешней нагрузки (Р), суммарное приращение перемещений (с учетом перемещений опорного контура) будут тем меньше, чем больше перемещения, создаваемые в процессе преднапряжения:

f0 > (fпр1 +fк1) > (fпр2 +fк2).

Рис. 4. Зависимости “нагрузки-перемещения” (p-f) для пролётной

  конструкции и продольных ригелей

На основании экспериментальных исследований разработан метод определения усилий и перемещений в основных конструктивных элементах, возникающих в процессе преднапряжения. Метод расчета основан на стержневой аппроксимации и на расчетных предпосылках, принятых в предыдущей главе.

Особенностью данного расчета является то, что внешняя нагрузка (напрягающие силы) на условные стержни пролетной конструкции действует лишь в некоторых узлах сетки, образованной пересекающимися стержнями. В остальных узлах возникают только силы взаимодействия (g). Здесь используется упрощенная стержневая сетка, принятая для приближенного расчета (см.главу 3).

Напрягающие силы распределяются между пересекающимися стержнями с использованием формулы (1). Силы взаимодействия определяются исходя из вертикальных перемещений (у), которые, в свою очередь, определяются в предположении, что стержни направленные вдоль поперечных линейчатых образующих и имеющие минимальный модуль деформации, на первом этапе не включаются в работу. Перемещения пересекающихся стержней можно выразить через геометрические и жесткостные характеристики:

ук,i3 = ,  уik3 = , (5)

Имея приведенные зависимости, можно определить силы взаимодействия:

  gki = gik = , (6)

где  В =yiк/yкi.        

Критерием правильности сделанного расчета является равенство yiк + yкi= y. Если левая часть приведенного выражения превышает правую, то это означает, что силы взаимодействия определены с превышением и наоборот. Исходя из этого, производится корректировка вычислений на последующих циклах. После достижения требуемой точности определяются вертикальные и горизонтальные составляющие опорных реакций, усилия и перемещения условных стержней пролетной конструкции и промежуточных ригелей.

Основной целью предварительного напряжения, как было сказано выше, является уменьшение деформативности. Для систем, подобных тонколистовым металлическим оболочкам, зависимость «перемещения-нагрузка» является затухающей, т.е. наибольшие перемещения происходят в начальной стадии загружения. Для панелей-оболочек начальная стадия загружения определяется постоянной нагрузкой, под воздействием которой происходит примерно 75…80 % полного перемещения. Поэтому для таких конструкций можно рекомендовать назначать параметры преднапряжения, исходя из геометрии панелей-оболочек под воздействием собственного веса и элементов кровли.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований составных оболочек покрытий с технологическими отверстиями в пролетной конструкции из конструктивно-анизотропного материала. Экспериментально исследовались пролетные конструкции с отверстиями разных размеров, с различными обрамлениями, при смещениях отверстий относительно эпюр основных напряжений. Кроме того, в процессе эксперимента исследовалось взаимное влияние отверстий и влияние изгибной жесткости промежуточных ригелей на напряженной состояние пролетной конструкции вблизи отверстий. Экспериментальные исследования проводились на панелях-оболочках размером в плане 2х12м.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что наибольшие напряжения вблизи отверстий в 5-8 раз превышают средние напряжения в сечении. Значение коэффициента концентрации определяется, преимущественно, двумя факторами: размерами отверстий и значениями основных напряжений в направлении наибольшей жесткости. С увеличением указанных факторов концентрация напряжений возрастает. При этом основные

напряжения в направлении наименьшей жесткости не оказывают существенного влияния на концентрацию напряжений.

Наибольшая эффективность обрамления отверстий была достигнута при их расположении по нижним, наиболее напряженным граням пролетной конструкции.  Обрамление отверстий приводит  к увеличению поперечной жесткости пролетной конструкции и уменьшению ее вертикальных перемещений. Смещение отверстий относительно эпюры основных напряжений сопровождается уменьшением концентрации напряжений по краям отверстий, если смещение происходит в сторону меньших основных напряжений, и наоборот.

В процессе эксперимента исследовались также оболочки с двумя отверстиями. В результате проведенных испытаний было установлено, что их взаимное влияние, при расстоянии между ними, равном и более трети пролета или удвоенной ширине панели-оболочки, не зафиксировано. Также не было зафиксировано влияние жесткости промежуточных ригелей на концентрацию напряжений.

При выполнении аналитических исследований учитывались следующие особенности поставленной задачи:

- конструктивная анизотропия пролетной конструкции;

- соизмеримость размеров отверстий с размерами панелей-оболочек;

- распределение напряжений в срединной поверхности вдоль и поперек пролетной конструкции по эллиптическим функциям;

- смещение отверстий относительно центра эпюры основных напряжений.

При решении задачи использованы следующие расчетные предпосылки:

- контур отверстий свободен от внешних воздействий;

- на контуре отверстий изгибающие моменты, перпендикулярные сторонам отверстий, равны нулю;

- направления главных нормальных напряжений основного напряженного состояния совпадают с направлением наибольшей жесткости пролетной конструкции, а нормальные напряжения, перпендикулярные этому направлению, и касательные напряжения не оказывают существенного влияния на концентрацию напряжений;

- в качестве компонентов основного напряженного состояния принимаются напряжения срединной поверхности;

- основные напряжения вблизи продольных элементов опорного контура равны нулю;

- геометрия пролетной конструкции отождествляется с геометрией на плоскости.

Для выявления степени влияния конструктивной анизотропии на распределение напряжений вблизи отверстий было рассмотрено два варианта решения поставленной задачи: как для изотропного, так и для анизотропного материала.

При решении задачи использовались конфорные функции, полученные в работах других авторов, применительно к отверстиям круглого, квадратного и прямоугольного очертания. В диссертационной работе использованы методика

и промежуточные результаты, приведенные в работах Савина Г.Н. и Лехницкого С.Г.

Для квадратного отверстия без учета анизотропии получена следующая аналитическая формула по определению наибольшего напряжения:

 

= х1 [(3-],  (7)

где х1- основное напряжение по оси отверстия; b- ширина панели-оболочки; а - размер отверстия; d- смещение отверстия с оси панели-оболочки; b1= 0,5·b±d. Распределение напряжений по ширине пролетной конструкции может быть представлено в виде степенной функции: (y)=max·(y/a)n , где показатель сте-

пенной функции определяется из равенства:

,  (8)

где а1 - расстояние от края отверстия до продольного элемента опорного контура; – напряжение в центре ширины панели-оболочки, в сечении, где расположено отверстие, F – результирующая напряжений в рассматриваемом сечении:

  F= .  (9)

Аналогичные зависимости получены для прямоугольных и круглых отверстий. При решении задачи с учетом конструктивной анизотропии использовалось бигармоническое уравнение с постоянными коэффициентами, характеристическое уравнение по отношению к которому можно привести к виду:

S4+ K1·S2+K2=0, (10)

где K1=Ey/G-0,6;  K2=Ex/Ey;  Ex, Ey,G- модули деформаций в направлении продольных и поперечных линейчатых образующих гипара и модуль сдвига пролетной конструкции.

Многими исследователями было показано, что корни характеристического уравнения являются комплексными. Исследования, проведенные применительно к наиболее распространенным конструктивно-анизотропным материалам, показали, что корни характеристического уравнения состоят только из мнимых частей. Например, для наиболее употребительных профилированных листов коэффициенты при мнимых частях для первой пары корней находятся в  пределах  5,3…6,88, а  для  второй  пары в пределах  19,3…20,8.

Для определения наибольших напряжений вблизи квадратного отверстия в области конечной ширины получена формула:

  хmax=x1[7,87 +7,4 5/2].  (11)

В формуле (11) использованы усредненные значения корней характери-

стического уравнения. Аналогичные зависимости получены для прямоугольных и круглых отверстий.

Сопоставление результатов, полученных для изотропного материала и для анизотропного материалов, с экспериментальными данными показывает, что приемлемое совпадение с экспериментом дают аналитические зависимости, не учитывающие конструктивную анизотропию. При этом геометрические размеры пролетной конструкции и отверстий, применительно к профилированным листам, должны определяться без учета гофрированности.

В шестой главе на основании результатов экспериментальных исследований, с учетом существующих типов кровель и требований индустриализации и модульности, даны рекомендации по назначению размеров панелей-оболочек из конструктивно-анизотропных материалов, типов сечений элементов и узловых соединений с учетом особенностей исследованных конструктивных форм. Разработаны также конструктивные варианты подстропильных конструкций, в качестве которых могут быть использованы традиционные решения или новые конструктивные формы с использованием элементов опорного контура панелей-оболочек. Разработаны узлы сопряжений покрытий из панелей-оболочек с колоннами с элементами фахверка и стеновым заполнением, узлы сопряжений панелей-оболочек у температурных швов, узлы подвески технологического оборудования и варианты обрамления отверстий в пролетной конструкции.

При конструировании покрытий из гиперболических панелей-оболочек использовалось усовершенствованное решение задачи по условной оптимизации элементов опорного контура панелей-оболочек и подстропильных конструкций, учитывающее все операции технологического процесса по изготовлению металлических конструкций, стоимость материалов и трудозатрат. При решении задачи минимизация производилась по заводской стоимости, а в качестве независимых переменных параметров, кроме традиционно принятых, дополнительно использовались уровень касательных напряжений и количество конструктивных деталей по обеспечению местной устойчивости.  Для про-

ектирования  сжатых стержней получены формулы, определяющие зависимость оптимальной гибкости от расчетной длины, прочности металла и нагрузки.

  Технологические вопросы рассмотрены во второй части шестой главы. Изготовление панелей-оболочек производится по стендовой технологии. Технологический процесс отрабатывался на существующих стапелях двух заводов по изготовлению металлоконструкций  по следующей схеме: сборка, сварка и окраска элементов опорного контура; изготовление пролетной конструкции ; сборка панели-оболочки (присоединение пролетной конструкции к продольным элементам опорного контура, сопряжение поперечных и продольных элементов опорного контура, крепление пролетной конструкции к поперечным элементам опорного контура). В процессе изготовления панелей-оболочек производился хронометраж, по результатам которого трудоемкость сборки панели-оболочки размером 3х18 м составила 0,2 чел.- час/ м2.

Для монтажа панелей-оболочек рекомендуется блочный метод. Сборка блока осуществляется на специальном стенде, обеспечивающим проектное расположение панелей-оболочек. При двенадцатиметровом шаге колонн блок состоит из четырех панелей-оболочек, трех распорок и трех растяжек. При шестиметровом шаге – из двух панелей-оболочек, одной распорки и одной растяжки. Все соединения при сборке блока  выполняются на болтах. Элементы кровли рекомендуется укладывать до подъема блока в проектное положение. На проектной высоте элементы кровли укладываются только на промежуточные ригели, являющиеся крайними в блоке. Подъем блоков осуществляется с помощью специальной траверсы, исключающей передачу горизонтальных усилий, направленных поперек панелей-оболочек. Соединение блоков между собой производится с помощью болтов. Если подстропильная конструкция образуется с включением в работу поперечных элементов опорного контура панелей-оболочек, то распорки и растяжки не демонтируются. В противном случае распорки и растяжки после установки блока в проектное положение демонтируются для повторного применения.

Пространственные конструкции в виде криволинейных поверхностей усложняют по сравнению с плоскими конструкциями транспортировку и устройство кровли. Наиболее эффективно эти недостатки могут быть устранены трансформированием оболочек в плоское состояние. В отношении поверхностей отрицательной гауссовой кривизны известно, что они относятся к так называемым не развертывающимся поверхностям, которые не могут быть развернуты на плоскость без возникновения в них напряжений. Появление этих напряжений сопровождается искажением исходных форм оболочки при прямом и обратном трансформировании. Приведенный вывод сделан для гладких конструктивно-изотропных оболочек.

При использовании конструктивно-анизотропных материалов трансформирование поверхностей отрицательной гауссовой кривизны в плоскость и обратно становится возможным. Это было подтверждено экспериментально на

большеразмерных моделях и натурных образцах, в том числе, с уже уложенными элементами кровли. По результатам экспериментального исследования определены параметры напряженно-деформированного состояния пролетной конструкции и элементов опорного контура в процессе трансформирования, а также установлены закономерности распределения усилий в несущих элементах.

       Система линейных уравнений, составленная из условий неразрывности деформаций для оболочки в трансформированном виде, имеет следующий вид:

, (11)

где n- количество условных стержней; Pk – распорные усилия в условных стержнях; а – расстояние между условными стержнями; b1=2n /(9,6·EIпоп );

EIпоп – изгибная жесткость поперечных элементов опорного контура; An –площадь продольного элемента опорного контура; Sk- перемещения поперечных элементов опорного контура, определяемое из геометрии панели-оболочки;k – коэффициент отпорной жесткости условного стержня пролетной конструкции; 1; n – длины продольного и поперечного элементов опорного контура.

       Результаты решения системы линейных уравнений свидетельствуют о достаточной точности разработанной методики: отклонения теоретических и экспериментальных усилий в отдельных условных стержнях не превышают 20%, а отклонения суммарных усилий на поперечные элементы опорного контура не превышают 15%. Отклонения по деформациям не превышают 5%.

В седьмой главе приведены результаты внедрения разработанных конструктивных форм в практику проектирования и строительства. Для существенного упрощения процесса проектирования составлены таблицы по определению размеров основных элементов составных оболочек покрытий с применением гиперболических панелей-оболочек заводского изготовления. Сечения элементов определены для однопролетных и многопролетных зданий в зависимости от пролета и расчетной нагрузки. Сечения поперечных элементов опорного контура определены с учетом их работы в составе подстропильных конструкций. Выбор пролетной конструкции сделан по действующему сортаменту профилированных листов. В качестве материала конструктивных элементов принята сталь Ст3 пс.

Разработанные конструктивные формы внедрялись как при реконструкции, так и при новом строительстве объектов. Размеры перекрываемых пролетов изменялись от 15 до 24 м. В большинстве случаев расчет покрытий выполнялся на действие равномерной нагрузки (2…6,5 кПа). Для некоторых объектов (атриум здания Гомельпроект, Оздоровительный центр в Минске) учитывались также и сосредоточенные нагрузки.

При внедрении проверялись и отрабатывались технологические операции, связанные с изготовлением, транспортировкой и монтажом панелей-оболочек. Также отрабатывались и вопросы преднапряжения панелей-оболочек. Панели-оболочки, используемые при реконструкции и новом строи-

тельстве, имели различные очертания в плане (прямоугольные, трапециевидные, треугольные) и различную кривизну пролетной конструкции. Монтаж панелей-оболочек осуществлялся блоками и в стесненных условиях поштучно. Также с учетом конкретных условий элементы кровли укладывались на заводе-изготовителе или на монтажной площадке. Состав кровли не отличался от традиционных покрытий с использованием профилированных листов.  При укладке элементов кровли в заводских условиях производилось трансформирование панелей-оболочек в плоское состояние с последующим ретрансформированием в поверхность гиперболического параболоида. На рис. 5 приведен фрагмент покрытия цеха гидрогенизации в Гомеле и на рис. 6 панель-оболочка с зенитным фонарем и интерьер Оздоровительного центра в Минске.

За всеми объектами, где использовались разработанные в диссертационной работе покрытия, ведутся наблюдения, включающие замеры снеговых нагрузок. По результатам этих наблюдений можно утверждать, что покрытия всех объектов находятся в хорошем состоянии и не  требуют каких-либо сверхнормативных эксплуатационных затрат. Наблюдения за снеговыми нагрузками показали, что наибольшие скопления снега образуются у парапетов, а наибольший вес снегового покрова в этих местах даже в самые снежные зимы не превысил половины расчетной снеговой нагрузки, что свидетельствует о благоприятных аэродинамических свойствах таких покрытий.

 

Рис. 5 Фрагмент покрытия цеха гидрогенизации.

       Для сопоставления технико-экономических показателей сделано сравнение одного из конструктивных вариантов покрытия разработанного направления с традиционным покрытием.  ТЭП подсчитаны для 3-х пролетного производственного здания, оборудованного мостовыми кранами с шагом колонн 12 м. Для обоих сравниваемых вариантов приняты стены из трехслойных панелей, тип кровли традиционный, нагрузка 2,6 кПа. Несущими элементами покрытия-эталона являются: профлисты, стропильные фермы с высотой на опоре 2 м, устанавливаемые с шагом 4 м,  и подстропильные фермы.

При определении трудоемкости изготовления нового покрытия учитывалось увеличенное по сравнению с эталоном количество водоотводных воронок и криволинейность поверхности панелей-оболочек. Устройство кровли для эталона предполагалось на проектной высоте, а для нового покрытия внизу, кроме заделки стыков монтажных блоков. Монтаж металлических конструкций покрытий обоих вариантов предполагалось производить блоками, кроме подстропильных ферм покрытия-эталона, которые монтируются поэлементно.        

Рис. 6. Оздоровительный центр в г. Минске:

а –панель-оболочка, оборудованная зенитным фонарём;

б – интерьер оздоровительного центра.

Монтажный блок покрытия- эталона собирается из 39 конструктивных элементов, тоже для нового покрытия – из 10. При определении трудозатрат учитывались также транспортные и вспомогательные операции. Анализ результатов сравнения показывает, что трудоемкость монтажа снижается на 20,64 %, расход металла уменьшается на 3- 13%, трудоемкость изготовления на 13,6 %.  Трудоемкость на монтажной площадке снижается, прежде всего, за счет уменьшения количества отправочных марок  в монтажном блоке и возможностью устройства кровли в нижнем положении. Снижение расхода металла обусловлено отсутствием связей, уменьшением высоты стен и колонн, а также уменьшением усилий от горизонтальных нагрузок. Трудоемкость изготовления снижается за счет отсутствия решетчатых конструкций и связей.        Экономическая эффективность увеличивается при сравнении с прогонным покрытием, т.к. в этом случае увеличивается высота покрытия-эталона и количество отправочных марок.

При сравнении покрытий общественных зданий эффективность разработанных конструктивных форм существенно возрастает, т.к. в этом случае при традиционных решениях требуется устройство подвесного потолка , и тогда итоговый расход металла на покрытие- эталон увеличивается на 14…18 кг/м2, а трудоемкость на строительной площадке на 1…2 чел.час/м2.  Важным преимуществом разработанных конструктивных форм является также уменьшение объема зданий за счет уменьшения высоты покрытий на 1…2 м, что позволяет сократить эксплуатационные расходы, прежде всего, расходы на отопление. 

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1 Решены теоретические и практические вопросы, определяющие  применение металлических  конструктивно-анизотропных материалов для образования криволинейных поверхностей в виде составных оболочек покрытий зданий и сооружений с высокой степенью индустриализации. Разработанные решения позволяют компоновать покрытия как для уникальных зданий и сооружений, так и для зданий и сооружений массового строительства  [1, 2, 5…11 16, 19, 23, 24, 26, 32, 35, 41, 42, 46].

2. На основании обширных и многочисленных экспериментальных исследований натурных образцов установлена зависимость напряженно-деформированных состояний составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов от внешних воздействий и геометрических параметров. Исследования проводились как на отдельных панелях-оболочках, образующих покрытия,  так и на фрагментах покрытий при различных кривизнах и жесткостных характеристиках основных конструктивных элементов,  при различных вариантах узловых соединений, а также при использовании элементов усиления. В процессе экспериментальных исследований было установлено положительное влияние конструктивной анизотропии на распределение усилий в элементах опорного контура  и в пролетной конструкции составных оболочек покрытий. [1, 2, 14, 15, 16, 33].

3.  По результатам, полученным в процессе экспериментальных исследований, приняты расчетные предпосылки и разработана методика расчета металлических составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов,

основанная на стержневой аппроксимации, где, в зависимости от направлений относительно линейчатых образующих, используются в качестве стержней гибкие или жесткие нити, закрепляемые на опорном контуре, а внешняя нагрузка распределяется между пересекающимися стержнями из условия неразрывности узловых перемещений. Разработанная методика расчета позволяет учесть особенности составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов: физическую и геометрическую анизотропию элементов пролетной конструкции; наличие перемещений, не обусловленных напряжениями; геометрическую нелинейность; чрезмерную разницу относительных деформаций в продольном и поперечном направлениях пролетной конструкции; значительное превышение перемещений над толщиной панелей-оболочек. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов указывает на достаточную точность разработанной методики расчета.

Определены формы критических состояний для промежуточных ригелей составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов, выявлены возможности по увеличению их несущей способности, определены коэффициенты расчетной длины с учетом формы распределения сжимающих  сил  и  совместной  работы пролетной конструкции с  элементами опорного контура[1, 2, 3, 4, 13, 15, 17, 24, 47].

4. Экспериментально и теоретически исследована сдвиговая жесткостья диска покрытия, образованного гиперболическими панелями-оболочками  из конструктивно-анизотропных материалов. Определены закономерности изменения основных параметров диска покрытия в зависимости от формы и жесткости пролетной конструкции, элементов опорного контура и узловых сопряжений. Для покрытий в виде  составных оболочек из конструктивно-анизотропных материалов получены аналитические зависимости, определяющие жесткостные характеристики диска, установлены наиневыгоднейшие распределения горизонтальных нагрузок для таких покрытий, составлены расчетные схемы, отличающиеся наименьшей включаемостью диска в виде составных оболочек в пространственную работу каркаса, вычислены значения коэффициентов пространственной работы каркаса для наиболее распространенных конструктивных схем. [2, 37, 47].

5.  Регулирование усилий предварительным напряжением панелей-оболочек позволяет уменьшить деформативность пролетной конструкции и улучшить напряженное состояние промежуточных ригелей составных оболочек. Проведенные экспериментальные исследования и результаты, внедренные

в практику строительства, подтвердили положительное влияние предварительного напряжения на напряженно-деформированное состояние покрытий

из составных оболочек. На основании проведенных исследований разработан метод определения усилий и перемещений в элементах панелей-оболочек на стадии регулирования усилий. [2, 20, 22, 31, 34, 38, 44,]. 

6. Проведены экспериментальные исследования оболочек из конструктивно-анизотропных материалов с технологическими отверстиями, в результате которых получена закономерность распределения напряжений вблизи отверстий при их различных размерах, с различными вариантами обрамлений и при различном расположений отверстий относительно эпюры основных напряжений.

В результате теоретических исследований получены аналитические  зависимости по определению напряженного состояния вблизи отверстий при соизмеримости размеров отверстий и размеров пролетной конструкции составных оболочек. Полученные  зависимости определяют значения напряжений с учетом размеров отверстий, относительного расположения отверстий на пролетной конструкции и схемы распределения основных напряжений. Из сопоставления экспериментальных и теоретических результатов следует: конструктивная анизотропия таких элементов, как стальные профилированные листы, не оказывает существенного влияния на распределение напряжений вблизи отверстий. При этом геометрические размеры поверхностей и отверстий в них следует определять без учета гофрированности.  [2, 28, 29, 39, 43].

7. Экспериментально установлена возможность трансформирования в плоское состояние оболочек отрицательной гауссовой кривизны из конструктивно-анизотропных материалов и при наличии замкнутых опорных контуров, обладающих изгибной и продольной жесткостью. В процессе трансформирования конструктивных форм с указанными особенностями и в том числе с элементами кровли не возникают необратимые деформации и не нарушается целостность кровельного ковра. На основании экспериментальных исследований получены аналитические зависимости, определяющие напряженно-деформированное состояние основных конструктивных элементов панелей-оболочек в процессе трансформирования [1, 2, 12 18, 21, 32, 33, 45, 48]. 

8. Для разработанных металлических составных оболочек покрытий решены все вопросы, касающиеся узловых сопряжений с ограждающими и с нижележащими опорными конструкциями, составлены варианты схем подстропильных конструкций и проведена условная оптимизация изгибаемых и сжатых элементов.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований, а также по результатам опытного внедрения, составлены таблицы для определения сечений основных элементов составных оболочек покрытий из конструктивно-анизотропных материалов в зависимости от пролета и внешних воздействий. Сечения основных элементов определены по действующим нормативным документам при упругой работе металла, с учетом геометрической нелинейности и с использованием существующих сортаментов. Приведенные таблицы позволяют исключить из процесса проектирования расчет несущих элементов покрытий указанного типа. [1, 2, 27, 34].

9.  Результаты диссертационной работы внедрены при проектировании и строительстве объектов общественного и производственного назначения. Технология изготовления панелей-оболочек, образующих составные оболочки покрытия, отработана на двух заводах по производству металлических конструкций.  Также апробирована в реальных условиях блочная и поштучная технология монтажа панелей-оболочек. Результаты теоретических исследований включены в справочное пособие по проектированию тонколистовых металлических оболочек покрытий. Многолетние наблюдения за построенными объектами подтвердили обоснованность принятых расчетных предпосылок, достоверность разработанной методики расчета и  надежность конструктивных решений [1, 2, 25, 27, 30].

10.  Сопоставление технико-экономических показателей разработанных конструктивных решений покрытий с традиционными предопределяют следующие преимущества:

- уменьшаются трудозатраты на строительной площадке на 19…21%;

- сокращается расход металла на 3…15%;

- снижается трудоемкость изготовления на 10…15%;

- строительная высота зданий и сооружений  уменьшается на 1–2м, что позволяет уменьшить энергозатраты на отопление и аэрацию зданий и сооружений в процессе эксплуатации.

Разработанные решения покрытий создают архитектурно выразительный интерьер помещений, что позволяет отказаться от подвесных потолков, и в этом случае экономическая эффективность  увеличивается в 2…2.5 раза.

Область применения разработанных конструктивных решений покрытий – это здания и сооружения производственного, сельскохозяйственного и  общественного назначения. При этом здания и сооружения могут быть оборудованы опорными мостовыми кранами и светоаэрационными фонарями. Разработанные конструктивные решения покрытий пригодны при новом строительстве, а также при реконструкции существующих объектов.[1, 2, 10, 16, 34, 36, 40, 45].

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО

  В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Монографии

1. Давыдов Е.Ю. Тонколистовые металлические оболочки в покрытиях зда-

  ний и сооружений. — Минск: Изд-во “ Полымя”, 1985. — 63 с.

2. Давыдов Е.Ю. Покрытие зданий и сооружений из металлических пане-

  лей-оболочек индустриального изготовления. — Минск: Технопринт,

  2003г. —  307 с.

Статьи в научных журналах и сборниках научных трудов

3. Давыдов Е.Ю., Трофимов В.И. Расчет ленточной висячей оболочки

  //Стр. мех. и расчет сооружений. — Москва. - 1972. —  N 2. — С. 49-52.

4. Давыдов Е.Ю., Трофимов В.И. К расчету ленточной висячей оболочки

  произвольной в плане // Стр.мех. и расчет соор. — Москва. - 1972. — N 6. — 

  С. 62-63.

5. Трофимов В.И., Давыдов Е.Ю., Кудишин В.И., Винокурова Л.Н., Чер-

  нов В.М. Висячее мембранное покрытие из переплетенных  алюминие-

  вых лент // Промышленное строительство. — Москва. - 1973. — N 5. —

  С. 42- 45.

6. Давыдов Е.Ю., Трофимов В.И. Тонколистовые металлические оболочки

  в строительстве. // Стр-во и арх-ра Белоруссии. — Минск. - 1973. — N 4.

  — С. 5-9.

7. Давыдов Е.Ю., Жигадло М.В., Абрамчук Н.Г. Покрытие из металличес-

  ких гипаров // Стр-во и ар-ра БССР. — Минск. - 1979. — N 3. — С. 21-22. 

8. Давыдов Е.Ю., Жигадло М.В., Абрамчук Н.Г. Применение металличес-

  ких гипаров в качестве покрытия общественного здания // ЦБНТИ Ор-

  ганизация и технология, в.10. — 1979. — С. 8-10.

9. Davidov E.U., Dzigadlo M.V., Kravchenko E.G. Dach aus Hyperboloid

  shalen // Veb Verlag fur Bauwesen Berlin “Bautechnik. — 1980. — N 5. —

  С. 222 - 223.

10. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л., Абрамчук Н.Г. Покрытия зданий из

  стальных панелей в виде гиперболических параболоидов // Стр-во и ар-

  ра  БССР. —Минск. - 1982. — N 2. — С. 32-34.

11. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л. Тонколистовые металлические оболоч-

  ки индустриального изготовления //Сб. Исследование, разработка и вне-

  дрение висячих систем в констр. и инж. сооруж. — Киев. - 1982. —

С. 119-121.

12. Давыдов Е.Ю. Определение оптимальных сечений центрально сжатых

  стержней //Стр.мех-ка и расчет сооруж. —Москва. - 1984. — N 4. —

  С. 57-59.

13. Давыдов Е.Ю, Нестеренко Н.Л. Расчет покрытия из стальных гипаров

  заводского изготовления // Сб. Стр. констр. — Минск. - 1984. — С. 48-56.

14. Давыдов Е.Ю., Трофимов В.И., Жигадло М.В. Экспериментальное иссле-

  дование тонколистовых металлических оболочек в виде гиперболическо-

 

го параболлоида в процессе рулонирования // Простр. констр. зд. и соор. 

  в.5. — 1985. — С. 72-75. 

15. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л. Исследования покрытия из стальных обо- 

лочек в виде гипаров, состоящих из гофрированных панелей. Стройиздат.

// Сб.Простр. констр.зд.и соор. в.5, 1985. — С. 52-58.

16. Давыдов Е.Ю..Нестеренко Н.Л. Покрытие зданий из стальных гиперболи-

ческих панелей //Пром. стр-во. —Москва. - 1985. — N 9. —  С. 4-6.

17. Давыдов Е.Ю., Трофимов В.И., Нестеренко Н.Л. Расчет стальных гипербо-

  лических панелей на пролет // Стр.мех-ка и расчет сооруж. — Москва. –

1986. — N5. — С. 7-11.

18. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л. Определение оптимальных сечений вне-

  центренно сжатых стержней //Строит.мех.и расчет сооруж. —Москва. –

1988. — N 6. — С. 10-12.

19. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л. Конструктивные формы на основе тонко-

  го металлического листа //Сб. Металлические конструкции, в. 1. — 

  Киев. -  1993. — С.100-107.

20. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л., Ткаличев А.В. Экспериментальные иссле- 

  дования стальных гиперболических панелей с преднапряжением // Сб. Эф-

  фективные строител. констр.зданий и сооружений. БелНИИС РБ. — 1995.

  — С. 79-83.

21. Давыдов Е.Ю. Определение параметров составных балок, оптимальных по

  стоимости // Извес. ВУЗов.: Новосибирск. — 1995. — N 7-8. —С. 9-14.

22. Давыдов Е.Ю. Покрытия зданий и сооружений с применением стальных

  панелей-оболочек // Сб. докладов международного симпозиума “ Соврем.

  строит. конструк. из металла и дерева. Одесса. 1997. —С. 155-158.

23. Davidov J.U. House roofs of Hyperbolic steel panels-shells // Proceedings' in-

  ternational congress ICS'S- 98, volume II. — M.,1998. — P. 500-506.

24. Давыдов Е.Ю. Особенности монтажа покрытий из тонколистовых оболо-

  чек //Монтажные и специальные работы в стр-ве. —Москва. — 1998. —

  — N 7-8. — С. 8-12.

25. Давыдов Е.Ю. Панели покрытий на основе стальных профилированных

  листов //Сб.докладов V-го научно-методического межвузовского семи-

  нара, Могилев. -  2000. — С. 62-68.

26. Давыдов Е.Ю. Тонколистовые металлические панели-оболочки на пролет

  для покрытия зданий и сооружений // Монтажные и спец. работы в стр.-ве.

  —Москва. - 2002. — N 2. — С. 7-11.

27. Давыдов Е.Ю., Экспериментальные исследования стальных панелей- обо-

  лочек на пролет с технологическими отверстиями // Вестник БГТУ “Стр-во 

  и арх.-ра”. —Брест. - 2004. — N 1. — С. 37- 40.

28. Давыдов Е.Ю. Определение напряжений вблизи отверстий в стальных

  профилированных листах, используемых в качестве пролетной конструк-

  ции панелей-оболочек на пролет // Вестник БГТУ ‘’Стр-во и арх.- ра”.—

  Брест. - 2004. — N 1. — С. 138 - 146.

29. Давыдов Е. Ю. Иссл., проектирование и внедрение покрытий зданий и со- 

оружений из стальных панелей-оболочек  // Сб. докл.  Мет. конст.: взгляд 

в прошлое и будущее. — Киев : Изд-во “Сталь”,  2004. — С. 190 - 198.

30. Давыдов Е. Ю. Эксп. исследования преднапряженных панелей-оболочек

  покрытий зданий и сооружений // Вестник БГТУ “Стр-во и арх-ра”. При-

  ложение, ч.1. — Брест. - 2004 г. — С. 190 - 198.

31. Dawydow Jewgienij. Wstpnie naprone pyty-osony powok z blach pro-

  filowanych //Referaty naukowe Sympozium. T 2. —Rzeszow, 2005. —

  S. 137-146. 

32. Давыдов Е. Ю. Оболочки отрицательной гауссовой кривизны при их

трансформировании в плоскости. // Монтажные и спец. работы в стр.-

  ве. — Москва. —2006—N3 —С. 19-22.

33. Davidov J.U Research of hyperbolic envelopments at their transformation in

a plan// Pr of the XI international conference on metal structures (ICMS-

  2006) —Rzeszow, Poland, London: Taylor and Francis, 2006—p 405-408.

34. Тонколистовые оболочки покрытий из стальных гипаров // Сб. Простр.

  констр. зд. и сооруж., Москва—2006—Вып.10—С. 125-135.

35. Давыдов Е.Ю. К вопросу увеличения крутильной жесткости открытых

  профилей // Пром. и гражд. стр-во.- Москва- 2010 - N 1 – С. 41-42. 

36. Давыдов Е. Ю. Опыт применения составных оболочек покрытий из конст

  руктивно-анизотропных материалов.// Сб. статей международной конф.

  «Эффективные констр., материалы и технологии в стр.-ве и арх-ре» - Ли

  пецк – 2009 – С. 19-23. 

37. Давыдов Е. Ю. Определение пространственной работы каркаса для зданий

  с покрытиями в виде металлических составных оболочек.// Строит. мех.

  инж. конструкций и сооруж. – Москва. – 2010.- N4. – С. 56-61.

38. Давыдов Е. Ю. Уменьшение деформативности составных оболочек покры-

  тий из металлических панелей-оболочек. //Монтажные и спец. работы в

  стр-ве. – Москва.- 2010. – N8 – С. 2-5.

39. Давыдов Е. Ю. К определению напряженного состояния в панелях- обо

  лочках покрытий из конструктивно-анизотропных материалов при наличии

  технологических отверстий. // Стр. мех и расчет сооруж. – Москва. – 2010 –

  N 4. – С. 7-11.

40. Давыдов Е. Ю. Использование стальных профилированных листов в кри

  волинейных растянутых поверхностях. // Пром. и гражд. стр-во. – Москва.

– 2010 – N10 – С. 33-35

  Тезисы докладов

41. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л., Легкие покрытия зданий различного на-

значения из комплексных гиперболических панелей индустриального из-

готовления./ III Укр. респ. научно-тех. конф. по мет. конструк. Тез. докл.

науч. конф., Житомир, 11-15 окт. 1984/НТО “Знание”.— С. 29-30.

42. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л. , Ткаличев А.В. Расчет преднапряжен-

  ных стальных гиперболических панелей покрытия “на пролет” //Совер-

  шенствование методов расчета, проектир. и монтажа стр. констр.: тез. док.

  научн. конф., Свердловск, 17 апреля 1989г./ Уральский Промстрой НИИ

  проект. — Свердловск, 1989. — С. 8-9.

43. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л., Ткаличев А.В. Покрытия зданий и со-

  оружений из стальных гиперболических панелей “на пролет”: Инфор. лис-

  ток. / БелНИИНТИ Госплана БССР. —Минск, 1989. —4 с.

44. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л., Ткаличев А.В. Пространственные покры-

  тия зданий из стальных панелей-“на пролет” с зенитными фонарями //Сос-

  тояние, перспективы развития и примен. простр. строит. констр. : тезисы

докл. конф., Свердловск, 1989. — С. 18.

45. Давыдов Е.Ю. Покрытия из стальных цилиндрических панелей-оболо-

  чек на пролет. // Состояние и перспективы развития науки и подгото-

  вки инженеров высокой квалификации в БГПА: тезисы научно-техн.

  конф. Часть 5. —Минск.1995. —С.54-55. 

46. Давыдов Е.Ю. Покрытие зданий из стальных панелей-оболочек // Прост.

  констр. в новом стр.-ве и при реконструкции зд. и сооруж.: тезисы докл.

  международного конгресса МКПК- 98. — М., 1998. — С. 96.

47. Давыдов Е.Ю. Стальные панели-оболочки “на пролет” с технологичес- 

  кими отверстиями // Компьютерное моделирование и  проект. простр. кон-

  струкций:  Москва, 18-20 дек. 2001 г./ МОО “Простр-ые констр.” — М.,

  2001. — С. 34.

48. Давыдов Е.Ю. Предв. напр. панелей-оболочек из конструктивно-

анизотропных материалов с помощью трансформирования // Особенности

пр-я и расчета  простр. констр.  на прочность, устойчивость и прогресси

рующее разрушение : тезисы докл. научной сессии, Москва, 14 апреля

2009г. / МОО «Содействие развитию и прим. простр. констр.» - М., 2009. –

С. 16.

Авторские свидетельства

49. А.С. N 359354 Способ возведения висячих сборных оболочек покрытий

  зданий и сооружений./Трофимов В.И., Давыдов Е.Ю., Михайлов В.В.,

  Литвер В.А.; Центральный НИИ стр-х констр. и НИИ бетона и

  железобетона. — N 1457889/29-14; заявл. 03.07.70; опубл. 21.11.72,

  Бюлл.N 35//  Открытия. Изобретения. —1972. —N 35.

50. А.С. N817170 Узел сопряжения тонколистовых металлических оболо

  чек. /Давыдов Е.Ю., Кравченко Е.Г., Жигадло М.В.,Бел. политехн. ин-т.

  — N 2746952/29-33; заявл. 04.04.79; опубл. 30.03.81, Бюлл. N 12 // Откры-

  тия. Изобретения. — 1981. —N 12.

51. А.с. 916697 СССР. Покрытие. / Давыдов Е.Ю., Трофимов В.И., Нестерен-

ко Н.Л., Шатило А.Н.; Бел. Политехн. ин-т и Центральный НИИ стр-х

конструкций. — N 2893588/29-33; заявлено 12.03.80; опубл.30.03.82,

Бюл. N 12 // Открытия. Изобретения. —1982. —N 12.

Пособия

52. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л. Мембранные конструкции зданий и

сооружений. Справочное пособие. —М.: Стройиздат, 1990. — С. 130-153.

53. Давыдов Е.Ю., Нестеренко Н.Л. Оптимальное проектирование металли

  ческих конструкций. Учебное пособие. — Минск: БГПА, 1993. — 80 с.

 

  РЕЗЮМЕ

Давыдов Евгений Юрьевич.  Металлические тонколистовые покрытия зданий и сооружений из панелей-оболочек индустриального изготовления.

Ключевые слова: исследование, конструктивная форма, напряжение, опорный контур, панель-оболочка, преднапряжение, пролетная конструкция,  эксперимент.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.01- строительные конструкции, здания и сооружения. Работа выполнена в Белорусском Национальном техническом университете. Объектом исследования являются покрытия зданий и сооружений.

Предмет  исследования – закономерности изменения напряженно-деформированного состояния металлических покрытий разработанного конструктивного направления в зависимости от геометрических, механических и физических параметров. Цель работы- повышение эффективности строительства (уменьшение материалоемкости и снижение трудозатрат, прежде всего, на строительной площадке).

При выполнении диссертационной работы использовались экспериментальные исследования и методы математической статистики, метод стержневой аппроксимации, метод последовательного приближения, а таже методы строительной и теоретической механики.

Результаты диссертационной работы:

- разработаны конструктивные решения с использованием панелей-оболочек из конструктивно-анизотропных материалов, определяющие новое направление в развитии металлических покрытий;

-  на основании экспериментальных исследований разработана методика расчета, учитывающая особенности разработанных конструктивных форм: физическую и геометрическую анизотропию материала пролетной конструкции; наличие напряжений, необусловленных напряжениями; несопоставимость относительных деформаций вдоль меньшего и большего размеров панелей-оболочек; значительное превышение перемещений над толщиной пролетной конструкции;

- проведены экспериментальные и теоретические исследования напряженно-деформированного состояния оболочек отрицательной гауссовой кривизны из анизотропного материала при их трансформировании в плоское состояние; 

- разработаны конструктивные узлы покрытий, а также узлы сопряжений покрытия с другими несущими и ограждающими частями зданий.

Конструктивные формы покрытий разработанного направления были внедрены при проектировании и строительстве различных объектов на территории Республики Беларусь. Внедрение покрытий разработанного направления показало их экономическую эффективность: сокращение трудозатрат при монтаже составило не менее 21%, при изготовлении 10…15%, расход металла уменьшился в среднем на 10…15%.

SUMMARY

Davydov Eugeny Jurjevich. Metal thin-plated shells coatings of buildings and constructions from panels - envelopments of industrial manufacturing.

Key words: research, the constructive form, a voltage, a basic contour, a panel - envelopment, a prevoltage, a flying design, experiment.

The dissertation on competition of a scientific degree of Dr.Sci.Tech. on a speciality 05.23.01-building designs, buildings and constructions. Work is executed at the Belorussian National Technical University. Object of research are coatings of buildings and constructions.

Object of research - laws of change of a tense - state of strain of metal coverings of a developed constructive direction depending on geometrical, mechanical and physical parameters. The purpose of work increase of efficiency of construction (reduction material capacity and reduction of expenditures of labour, first of all, on a construction site).

At performance of dissertational work pilot researches and methods of mathematical statistics, a method of rod approximation, a method of consecutive approximation, and таже methods of building and theoretical mechanics were used.

Results of dissertational work:

- Constructive decisions with use of the panels - envelopments, determining a new direction in development of metal coverings are developed;

- On the basis of pilot researches the design procedure which is taking into account features of developed constructive forms is developed: physical and geometrical anisotropy of a material of a flying design; presence of voltage, untied voltage; incomparability of relative deformations along the smaller and greater sizes of panels - envelopments; significant excess of movings over thickness of a flying design;

- Are lead experimental and theoretical studies of a tense - state of strain of envelopments negative skewness'es gauss from an anisotropic material at their transformation to a flat condition; 

- Constructive units of coatings, and also units of matings of a coating with other bearing and non-load-bearing parts of buildings are developed.

Constructive forms of coatings of a developed direction have been introduced at designing and construction of various objects in territory of Byelorussia. Introduction of coatings of a developed direction has shown their economic efficiency: reduction of expenditures of labour at installation has made not less than 21 %, at manufacturing 10 … 15 %, the charge of metal has decreased on the average on 10 … 15 %.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.