Совершенствование узловых соединений сетчатых куполов из тонкостенных холодногнутых профилей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат наук Тур, Алексей Витальевич

• Тур, Алексей Витальевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Тур, Алексей Витальевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Историческое развитие купольных конструкций

1.2 Развитие конструктивных схем металлических каркасных куполов

1.3 Конструктивные решения металлических сетчатых куполов

1.4 Методики расчета купольных конструкций

1.5 Оптимальное проектирование купольных конструкций

1.5.1 Развитие теории оптимального проектирования

1.5.2 Параметры оптимизации купольных конструкций

1.6 Применение тонкостенных профилей в конструкциях покрытий

1.7 Цели и задачи исследования

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ КУПОЛА ИЗ ЛЕГКИХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ПРОФИЛЕЙ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

2.1 Конструктивные решения сетчатого купола из легких холодногнутых тонкостенных профилей

2.1.1 Стержневые элементы сетчатого купола

2.1.2 Узловые соединения и покрытие сетчатого купола

2.2 Численное исследование напряженно-деформированного состояния сетчатого купола из легких холодногнутых тонкостенных профилей

2.2.1 Формирование расчетной схемы сетчатого купола

2.2.2 Напряженно-деформированное состояние сетчатого купола

2.2.3 Влияние податливости узловых соединений на напряженно- 62 деформированное состояние купола

2.2.4 Подбор сечений стержневых элементов сетчатого купола

2.3 Выводы по главе

70

3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО- 71 ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВОГО СОЕДИНЕНИЯ СЕТЧАТОГО КУПОЛА 3.1 Расчетная модель узлового соединения и методика исследования 71 напряженно-деформированного состояния нового узлового соединения методом конечных элементов

3.2 Напряженно-деформированное состояние узлового соединения

3.2.1 Исследование узлового соединения без подкрепляющих элементов

3.2.2 Исследование узлового соединения с подкрепляющими элементами

3.3 Технико-экономическая оценка нового узлового соединения

3.4 Выводы по главе

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

4.1 Конструкция исследуемого узлового соединения и испытательной установки

4.2 Программа исследования

4.3 Исследование материалов узлового соединения и стержневых элементов

4.4 Экспериментальные испытания узлового соединения

4.4.1 Испытания узлового соединения с креплениями на самонарезающих самосверлящих винтах

4.4.2 Испытания узлового соединения с креплениями на болтах

4.5 Выводы по результатам экспериментальных испытаний

5. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КУПОЛОВ НА ИХ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СОЗДАНИЕ

ПОДСИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

КУПОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

5.1 Постановка задачи

5.1.1 Описание расчетной модели

5.1.2 Целевая функция

5.1.3 Формирование системы ограничений

5.2 Определение подзадач вариантного проектирования

5.2.1 Подзадача поиска геометрических параметров купола

5.2.2 Подзадача поиска распределения материала в куполе

5.2.3 Методы решения подзадач вариантного проектирования

5.3 Проектирование конструкций с использованием подсистемы Купол-ЛИРА-Купол

5.4 Структура подсистемы автоматизированного проектирования

5.4.1 Описание подсистемы автоматизированного создания

расчетной модели

5.4.2 Описание подсистемы расчета критерия качества

5.5 Интерфейс программы Купол

5.6 Результаты использования подсистемы Купол-ЛИРА-Купол

5.7 Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование узловых соединений сетчатых куполов из тонкостенных холодногнутых профилей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы:

Развитие современного строительства связано с необходимостью применения экономически эффективных, надежных, технологичных конструкций зданий и сооружений.

Одним из видов таких эффективных конструкций являются легкие пространственные металлические конструкции, в том числе сетчатые оболочки и купола. Купола обладают высокой архитектурной выразительностью и благодаря своей конструктивной форме могут перекрывать рекордные (250-300 м) пролеты. При этом следует отметить, что они наиболее экономичны по расходу материала по сравнению с другими жесткими конструкциями именно при больших пролетах.

Сетчатые купола широко применяются в строительстве за рубежом и являются одними из самых перспективных конструкций. В нашей стране сетчатые купола широкого применения не нашли. Это объясняется тем, что недостаточно отработаны методики их расчета, в том числе на устойчивость, практически отсутствует нормативная, научно-техническая и справочная литература по конструированию куполов.

Достоинства куполов - хорошие массовые показатели, возможность перекрытия больших пролетов, архитектурная выразительность, но кроме достоинств купола обладают и недостатками - чувствительность к искажению формы купола, сложные формы потери устойчивости, высокие требования к качеству и точности изготовления деталей. К этому можно также добавить, что широкому их внедрению в практику строительства препятствуют такие проблемы, как необходимость индивидуального изготовления элементов покрытия, высокие требования к квалификации рабочих, сложность расчета.

Одним из возможных путей сокращения затрат на возведение куполов

является применение легких стальных тонкостенных профилей. Легкие

5

стальные тонкостенные конструкции широко применяются в Европе, Восточной Азии, США, Австралии и имеют достаточно хорошие показатели за счет более эффективных типов сечений, которые в принципе не могут быть получены при прокате. В последнее время эти конструкции начинают находить применении и в России. Однако их широкому применению препятствует недостаток нормативной и справочной документации, а также недостаточная отработка конструктивных решений.

Для обеспечения экономической целесообразности массовой постройки куполов также необходимо снизить трудоемкость их расчета, разработать полноценную нормативно-техническую базу для их проектирования и строительства. Применение методов оптимального проектирования позволит еще больше повысить технико-экономические параметры куполов.

Таким образом, создание сетчатого купола из тонкостенных холодногнутых металлических профилей, исследование напряженно-деформированного состояния элементов купола, совершенствование конструктивных решений сетчатых куполов и их рациональное проектирование является актуальной задачей.

Целыо настоящей работы является совершенствование узловых соединений сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей и исследование их напряженно-деформированного состояния. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать эффективное узловое соединение, позволяющее соединять стержневые элементы купола, выполненные из легких холодногнутых тонкостенных профилей;

разработать конечно-элементные расчетные модели узловых соединений и провести численное исследование их напряженно-деформированного состояния;

- провести физический эксперимент по исследованию реального напряженно-деформированного состояния узловых соединений с креплением

стержней на болтах и самонарезающих винтах;

6

- разработать алгоритм поиска рациональной геометрической формы купола и программу автоматизированного проектирования купола из легких тонкостенных профилей;

- разработать рекомендации по расчету и конструированию сетчатых купольных покрытий из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

Научная новизна работы:

1. Разработаны новые узловые соединения сетчатого купола со стержнями из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Созданы конечно-элементные расчетные модели разработанного узлового соединения с различным расположением подкрепляющих элементов в узле, учитывающие физическую и геометрическую нелинейность. Определены особенности напряженно-деформированного состояния при различных соотношениях толщин тонкостенных элементов и их влияние на напряженно-деформированное состояние.

3. В ходе натурного эксперимента получены новые данные о несущей способности узловых соединений, их податливости, характере разрушения и влиянии типа использованного крепежа (болты и самосверлящие самоиарезающие винты) на напряженно-деформированное состояние и несущую способность.

4. Разработана математическая модель, алгоритмы поиска и подсистема автоматизированного проектирования для ЭВМ, позволяющие создавать расчетные схемы сетчатых куполов с наиболее рациональными стрелой подъема и частотой сетки стержней каркаса купола.

Методы исследования:

В ходе работы применялись следующие методы: 1. Численное исследование напряженно-деформированного состояния купола и его узловых соединений велось с применением вычислительных комплексов (Рсшар 10.1.1 с решателем ЫХ Ыаз^ап, Лира 9.4), основанных на методе конечных элементов.

2. Экспериментальные исследования узловых соединений проводились методами тензометрии с использованием измерительной техники на базе ЭВМ.

3. Методы математической статистики были использованы при обработке данных, полученных при экспериментальных испытаниях.

Достоверность результатов:

Достоверность результатов, полученных в экспериментальных испытаниях узловых соединений, обеспечена использованием научно-обоснованных методик, применением современной измерительной техники на основе ЭВМ и сертифицированного оборудования, исследованием фрагментов купола с узловыми соединениями, выполненными в натурную величину, использованием методов математической статистики при обработке данных, сравнением с данными, полученными другими исследователями. Достоверность численных исследований обеспечивается применением современных методов строительной механики, хорошей корреляцией с данными экспериментальных испытаний и сравнением с результатами, полученными в других работах.

Практическая ценность:

1. Разработанное узловое соединение позволяет применить в конструкции сетчатого купола стержневые элементы из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Разработанные расчетные модели позволяют определять напряженно-деформированное состояние узловых соединений при различных конфигурациях подкрепляющих элементов, неограниченной взаимной ориентации стыкуемых стержней в пространстве и любом сочетании нагрузок.

3. Разработанная подсистема автоматизированного проектирования позволяет значительно сократить трудозатраты на построение расчетной схемы сетчатого купола и определить наиболее выгодную стрелу подъема

и частоту сетки стержней каркаса купола.

8

4. Разработаны рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

На защиту выносятся:

1. Конструктивные решения новых узловых соединений для сетчатого купола из легких холодногнутых тонкостенных профилей. Новизна подтверждается двумя патентами РФ на изобретение.

2. Результаты конечно-элементного моделирования узлового соединения и методика его расчета.

3. Результаты экспериментальных исследований фрагментов сетчатого купола с выполненными в натурную величину узловыми соединениями на болтах и самосверлящих самонарезающих винтах и стержневыми элементами из тонкостенных холодногнутых профилей.

4. Критерий качества купольных конструкций, учитывающий стоимость материалов каркаса купола и его покрытия.

5. Подсистема автоматизированного проектирования, позволяющая в автоматическом режиме создавать расчетную схему сетчатого купола и оценить критерий качества конструкции.

6. Результаты поиска наиболее рациональной формы сетчатого купола по стреле подъема и частоте сетки стержней каркаса купола при реальных нагружениях.

Внедрение результатов работы:

1. Изданы рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Результаты исследования используются в учебном процессе Ульяновского государственного технического университета, что подтверждается актами о внедрении.

3. Разработан проект выставочного павильона, покрытого сетчатым куполом из тонкостенных профилей, диаметр павильона 10,1 ми начата его сборка.

Публикации и апробация работы:

1. По результатам работы получено два патента РФ на изобретение.

9

2. Основное содержание работы опубликовано в 8 публикациях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 4 в изданиях рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

3. Результаты работы докладывались на 4 всероссийских и международных конференциях в городах Мариуполь, Самара, Ульяновск.

Объем и структура работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов,

списка литературы (111 наименований), включает 38 таблиц, 138 рисунков.

Основное содержание диссертации изложено на 219 страницах

машинописного текста.

Личный вклад автора:

1. Разработка конструктивных решений узлового соединения, позволяющего использовать легкие холодногнутые тонкостенные металлические профили в конструкциях сетчатых куполов.

2. Разработка конечно-элементных расчетных моделей узловых соединений в расчетных комплексах, проведение их анализа и численное исследование напряженно-деформированного состояния узловых соединений.

3. Разработка установки для проведения испытаний, организация и проведение экспериментальных испытаний узловых соединений, обработка экспериментальных данных.

4. Постановка задач вариантного проектирования сетчатого купола и их решение.

5. Разработка критерия качества купольных конструкций.

6. Разработка подсистемы автоматизированного проектирования, позволяющей автоматически создавать расчетные схемы сетчатых куполов и определять критерий качества конструкции.

7. Разработка алгоритма поиска рациональной геометрической формы купола.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Историческое развитие купольных конструкций

Развитие купола как отдельной конструктивной формы началось еще в Древней Греции - в 337-338 г.г. до н.э. был возведен конический купол, который можно считать предшественником всех современных куполов[7].

Дальнейшее развитие купольные конструкции получают в Римской империи.

Безусловно, самым известным древнеримским куполом является купол Пантеона, возведенный около 125 г. н.э. Диаметр купола 43,5 м, высота 42, 75 м.

Началом возникновения новых конструктивных форм и развития купольных конструкций послужило появление в XIX веке новых конструкционных материалов - железобетона и прокатной стали. Благодаря этому купола смогли перекрывать новые, невиданные прежде пролеты. Одновременно создаются первые теории расчеты оболочек - в Германии ее создает Г.Арон, и в Англии - А.Ляв.

Появляются ребристые купола, их пролеты достигают 50-60 метров, затем между ребер куполов начинают устанавливать кольца и связи, что еще больше повышает возможности куполов по перекрытию больших пролетов.

Значительным шагом вперед становится создание сетчатых куполов.

Первым сетчатым куполом считается купол Шведлера (рис. 1.1), возведенный в Вене в 1874 году [85].

Рис. 1.1 Купол Шведлера в Вене, 1 874 г.

В этом куполе в работу включены крестовые связи, установленные в каждой ячейке купола. Эта конструкция в течение десятков лет многократно тиражировалась, причем наибольшее распространение получили купола с крестовыми связями [85].

Одним из шагов, значительно повысившим максимально перекрываемый пролет, стало внедрение второй сетки купола, пролеты двухсетчатых куполов достигают в настоящее время200 метров.

В работах Гохарь-Хармандаряна, Липницкого и других авторов [25,41,85,73] предлагались различные способы систематизации различных видов куполов, на их основе можно предложить классификацию, изображенную на рис. 1.2. В дальнейшем в настоящей работе рассматриваются только металлические каркасные сферические купола.

ы

"О

к о

ю Я

са о о

►е-

к

?!

03 §

К »

Я

Я

о ¡3 (Г

а

ЕС х

я о

X

О

н

43

X

я с к

КС

конструкция

ребристые

ребристо-кольцевые

ребристо-кольцевые со связями

сетчатые

пластинчатые

сплошные

воздухоопорные

тросовые

форма

"Т

сферические

конические

эллиптические

стрельчатые

зонтичные

сочлененные

материал

металлические

железобетонные

бетонные

каменные

деревянные

пластмассовые

тканевые

подъемистость

подъемистые

пологие

количество сеток

односетчатые

двухсетчатые

условия работы

ненапрягаемые

напрягаемые

технология возведения

монолитные

сборно-монолитные

сборные

1.2 Развитие конструктивных схем металлических каркасных куполов

Эволюция развития конструктивных схем купольных конструкций шла по пути увеличения связей и конструктивных элементов или, другими словами, от концентрации материала в ребрах к равномерному распределению материала, а следовательно и усилий по всей поверхности купола [85].

Рис. 1.3 Конструктивная схема ребристого купола

Ребристые купола, схема показана на рис. 1.3 - самый простой вид купола. Состоят из отдельных ребер, поставленных в меридиональном направлении. В вершине купола ребра примыкают к верхнему кольцу, в основании - опираются на нижнее опорное кольцо.

Рис. 1.4 Конструктивная схема ребристо-кольцевого купола

Ребристо-кольцевые купола, рис. 1.4 отличаются от ребристых включением в работу конструкции кольцевых прогонов.

Рис. 1.5 Конструктивная схема ребристо-кольцевого купола со связями

Ребристо-кольцевые купола со связями (рис. 1.5) появились при добавлении в конструкцию ребристо-кольцевого купола раскосов, повышающих связность системы.

а) _ б)

Рис. 1.6 Звездчатая система

а) Разрезка на основе правильной сети Чебышева

б) разрезка на основе сети локсодромий.

Сетчатый купол - наиболее совершенная конструктивная схема купола. Каркас сетчатого купола состоит не из отдельных ребер, а сети стержней, покрывающих всю поверхность купола. Сетчатые купола являются наиболее

экономичными по расходу материала купольными конструкциями вследствие пространственной работы каркаса и равномерности распределения материала по поверхности оболочки.

Развитие сетчатых куполов шло по пути разработки разнообразных способов членения (разрезки) поверхности на конструктивные элементы для формирования каркаса купола. В основе всего разнообразия способов разрезки поверхности купола на конструктивные элементы лежат два направления: а) меридиональная разрезка поверхности вращения, б) применение правильных многогранников, вписанных в сферу.

Из систем, полученных на основе меридиональных разрезок поверхности можно выделить звездчатую систему - на сферу наносится сеть меридианов, затем каждый полученный делится четырехугольными ячейками таким образом, чтобы два противоположных узла ячейки располагались на одном меридиане, а два других на одной параллели. Существует две разновидности звездчатой системы, представленные на рис. 1.6 - правильная сеть Чебышева и сеть локсодромий [57].

Звездчатая система обладает некоторыми недостатками - сгущение сетки вокруг полюса и большое число типоразмеров стержней (в сети локсодромий), либо узловых элементов (при применении правильной сети Чебышева).

Рис. 1.7 Конструктивная система Кайвитта

Система Кайвитта (рис. 1.7) устраняет сгущение сетки у вершины. Но полученные треугольники, в отличие от звездчатой системы, неравнобедренные, поэтому значительно возрастает число типоразмеров стержней. Тем не менее, в последние годы эта схема получила распространение в России при возведении куполов для резервуаров.

Рис. 1.8 Конструктивная система «Ромб»

Система «Ромб» (рис. 1.8) образует сеть из равнобедренных треугольников, с достаточно небольшим числом типоразмеров стержней, но основание системы не совпадает с кольцевыми сечениями, поэтому формообразование круглых в плане покрытий затруднено [73].

Основы конструктивных схем куполов с разрезкой на основе правильных многогранников были заложены в работах М.С.Туполева и Р. Б.Фуллера [25]. В качестве примера геодезического купола, показанного на рис. 1.9, можно привести покрытие общественного центра в международном лагере «Волга» близ Казани, пролетом 42 м, построенного по проекту М.С.Туполева:

Рис. 1.9 Купол общественного центра лагеря «Волга»

Разбиение сетки на основе правильных многогранников, вписанных в сферу, применяется в основном для подъемистых куполов. В качестве таких многогранников используют додекаэдр и икосаэдр.

В работе О.Ю.Дериглазова [28] предлагается шахматная схема разрезки поверхности купола, обеспечивающая стыковку 4 стержней в каждом узле купола.

Ряд интересных разбивок поверхности на основе икосаэдра приведен в работе П.Хьюберса [99], главной их особенностью является разбивка поверхности не на треугольники, а на четырехугольники.

В целом, анализируя развитие конструктивных схем сетчатых куполов, можно сделать вывод, что наиболее перспективной конструктивной схемой для применения в современных условиях является схема Кайвитта, так как она обладает достаточно равномерной сеткой, в каждом узле сетки купола (кроме опорных) всегда сходится по 6 стержней. В дальнейшем, в настоящей работе будут исследоваться сетчатые купола, построенные по схеме Кайвитта.

1.3 Конструктивные решения металлических сетчатых куполов

Металлический сетчатый купол состоит из следующих основных элементов:

- стержневой каркас;

- узлы, соединяющие элементы каркаса;

- покрытие;

- опорный контур.

В качестве элементов стержневого каркаса купола преимущественно используются прокатные профили открытого (двутавр, уголки) или закрытого (круглая труба, прямоугольная труба) сечения.

Можно выделить несколько групп покрытия куполов [85]:

1. Тканевые покрытия - применяются там, где подкупольное пространство свободно сообщается с внешней средой и отсутствуют какие-либо требования к температурно-влажностному режиму помещения.

2. Покрытия из металлических листов - наиболее часть применяются в неотапливаемых куполах, но при необходимости по металлическим листам укладывается жесткий утеплитель, и поверх него монтируется мягкая кровля.

3. Покрытия их трехслойных панелей. Покрытия такого типа исследовались в работах И.С.Будыльского [9], Ю.А.Веселева, М.В.Даниловой [26], А.А.Журавлева[12], Д.С.Ларина [37], Б.В.Миряева [51,53]. Применяются в отапливаемых куполах. В металлических куполах, как правило, материал покрытия в работу не включается. На рис. 1.10 приведены узлы конструкции Б.В.Миряева и А.А.Журавлева

а

Рис. 1.10 Узлы покрытия куполов

Слева - конструкции Б.В.Миряева, справа - конструкции А.А.Журавлева

4. Покрытия, совмещающие несущие и ограждающие функции. Применяется у сплошных куполов, материал покрытия может быть разнообразным - бетон, камень, фибробетон. В эту группу тоже можно отнести покрытия пластинчатых куполов. Из работ, посвященных таким покрытиям, стоит выделить работы Г.Н.Павлова [62].

5. Покрытия из железобетонных плит. Это тяжелое покрытие, в настоящее время практически не применяется [85]. Но ранее было достаточно распространено. Так, купол над стадионом в г. Хьюстон, пролетом 196 м имеет покрытие такого типа. Кровля выполнена набрызгом из синтетических материалов [25].

6. Покрытия из светопрозрачного материала могут выполняться из стекла, стеклопакетов, прозрачного поликарбоната. В качестве примера покрытия из поликарбоната можно привести узел системы ВЭЦ рис. 1.11

Рис. 1.11 Узел покрытия купола системы ЕЮЬ

Проблема освещения подкупольного пространства решается, как правило, одним из трех способов, либо их сочетанием:

- выполнением части (полностью) покрытия светопрозрачным;

- выполнение светопрозрачным (либо устройство светового проема) участка внутри верхнего опорного кольца;

[96]

- устройство световых проемов под нижним опорным кольцом.

Узловые соединения каркаса купола оказывают большое влияние на

общую экономическую эффективность купола. Именно узлы обеспечивают совместную работу стержней, и применение узлов с различной жесткостью значительно изменяет характер работы конструкции под нагрузкой. Трудность конструирования узла сетчатого купола (да и любой сетчатой оболочки) состоит в том, что оси стержневых элементов не только не лежат в одной плоскости, но и в каждом узле по разному ориентированы друг к другу.

Разработкой конструкций узлов сетчатых пространственных покрытий в нашей стране занимались А.Ю.Гурьев, П.А.Дмитриев, А.А.Журавлев, Б.В.Лабудин, Б.В.Миряев, Б.К.Михайлов, Б.Г.Мухин, В.А.Савельев, Е.Н.Серов, Б.С.Цетлин и другие ученые [7, 12, 45, 53].

Общепринятая классификация узлов купольных конструкций:

- по ориентации в пространстве (концы стержней ориентированы на касательную плоскость в узле, концы стержней ориентированы на описанную вокруг центра узла поверхность вращения, концы стержней ориентированы по плоскости и пересекаются по линии, нормальной к поверхности в узле);

- по способу соединения (болтовые, сварные, контактные, контактно-фрикционные, комбинированные);

- по способу изготовления (построечного изготовления, заводского изготовления).

Условно узловые соединения стержней каркаса купола можно разбить на две группы: узлы двухпоясных купольных покрытий и узлы однопоясных купольных покрытий.

Узлы двухпоясных покрытий тесно связаны с узлами структурных конструкций, многие конструктивные решения были заимствованы от них [85].

Рис. 1.12 Узловые соединения «Меро» (слева) и «Октаплатт» (справа)

Узловое соединение «Меро» (рис. 1.12) [83] и близкие по конструкции узлы «Веймар» [71], «МархИ» [83], а также узлы, разработанные В.В.Новиковым и В.С.Пичугиным [49]. Выполняются в виде шара и собираются на болтах. Оси стержней пересекаются в центре шара, благодаря этому конструкция имеет четкую расчетную схему. Недостаток таких узловых соединений это высокая трудоемкость изготовления и повышенная материалоемкость.

Узловое соединение «Октаплатт» (рис. 1.12) [71] и близкие по конструкции узлы конструкции Б.С.Цетлина, А.М.Пушкина, Е.И.Кондрахова [83] и А.Л.Губина [83] изготавливаются с применением полых шаров, собираемых из двух полушарий и промежуточного диска. К шару привариваются патрубки, на которые затем надеваются трубы. Недостаток этих узлов - большая точность изготовления, значительный объем сварочных работ, требование возведения лесов.

Рис. 1.13 Узловые соединения «Триодетик» (слева) и на литых фасонках (справа)

22

Узловое соединение системы «Триодетик» (рис. 1.13) [71] представляет собой цилиндр с прорезями. Концы стержней сплющиваются и запрессовываются в цилиндр, затем на цилиндр надеваются крышки, все стержни фиксируются единственным центральным болтом.

Похожее узловое соединение было разработано в 2006 г. в Великобритании [98], узловой элемент подобен узловому элементу узла «Триодетик», но в него запрессовываются не сами стержни, а наконечники специальной формы, соединенные со стержнями шарнирно, что дает возможность унифицировать узел при различных углах подхода стержней к узлу.

Узловое соединение на фланцах с литыми фасонками (рис. 1.13) [71] -обеспечивает пересечение осей стержней с центре шара, обладает достаточной жесткостью, но требует больших затрат материала.

В.А.Кучеренко

Узловое соединение «ИФИ» (рис. 1.14) [83] состоит из двух круглых дисков с ребрами по краю, стягиваемых одним болтом. Между дисками зажимаются клиновидные наконечники, приваренные к сплющенным концам стержней.

Узел конструкции ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко (рис. 1.14) [85], в нем сплющенные концы всех примыкающих стержней свариваются между собой без каких-либо переходных деталей.

Узлы однопоясных купольных покрытий отличаются значительно меньшим применением сферических узлов.

Рис. 1.15 Узловые соединения с тарельчатыми элементами, конструкции Б.Фуллера (слева) и типа «БЭС» (справа)

Тарельчатые соединения (рис. 1.15) [71, 83] часто применялись в куполах конструкции Б.Фуллера. «Тарелка» наиболее часто выполняется штампованной, а стержни крепятся на болтах, но существуют и сварные варианты [49]. Узловое соединение «БЭС» (рис. 1.15) [45, 83], состоит из двух литых деталей с патрубками, которые после заводки в них труб свариваются.

Рис. 1.16 Узловые соединения разработки КИСИ а - с центральным вкладышем, б - с У-образными косынками, в - типа «ласточкин хвост»

Ряд интересных узловых соединений (рис. 1.16) был разработан в Казанском инженерно-строительном институте [83].

В настоящее время в России, в куполах инженеров И.Л.Ружанского и Д.Л.Мосягина, получили значительное распространение узлы на конических фасонках (рис. 1.17), патент РФ №2183709 [34, 63]. Стержни имеют двутавровое сечение, обрезаны по концам, соединяются с фасонками на высокопрочных болтах, такая схема обеспечивает достаточно быстрый и однотипный монтаж элементов купола, который выполняется в основном методом подращивания.

Опорное кольцо купола выполняется круглым или многоугольным с жесткими или шарнирными соединениями со стержнями каркаса купола. В большепролетных куполах желательно обеспечить свободу перемещений кольца в радиальном направлении. Это возможно путем применения

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тур, Алексей Витальевич, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -2-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука, 1976. - 279 с.

2. Айрумян Э.Л. Вытяжные заклепки или самонарезающие винты? / Э.Л. Айрумян, C.B. Ганичев, C.B. Камышев // Монтажные и строительные работы в строительстве. - 2009. - №3. - С. 2-9.

3. Айрумян Э.Л. Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу конструкций каркаса малоэтажных зданий и мансард из холодногнутых стальных оцинкованных профилей производства ООО «Балт-Профиль»/ Э.Л. Айрумян. - М.: ЦНИИПСК им. Мельникова, 2004. - 70 с.

4. Алпатов В.Ю. Оптимальное проектирование металлических структур: Дисс. канд. техн. наук / Самарский гос. архитект.-строит. универ. - Самара, 2002. - 270 с.

5. Безделев В.В. Применение системы COMPASS в расчетах и оптимальном проектировании конструкций, подверженных статическим и динамическим воздействиям //XVI Международная конференция «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов», Санкт- Петербург: Тезисы докладов. — СПб., 1998. — Т.1. —С.74-75.

6. Беленя Е.И. Металлические конструкции. — М.: Стройиздат -1986.-560 с.

7. Беляшева Н.Л. Прочность и устойчивость элементов ребристого купола из клеефанерных труб с меридиональными и кольцевыми затяжками: Дисс. канд. техн. наук/ С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Санкт-Петербург, 2004. -212 с.

8. Беспалов С.М. Большепролетные покрытия общественных зданий и сооружений / С.М. Беспалов, О.М. Фукс, A.A. Шевченко// Перспективы развития и пути повышения эффективности применения легких и особолегких металлических конструкций. Тезисы докладов. - Киев, 1984. - С. 37-38.

9. Будыльский И.С. Экспериментально-теоретическое изучение несущей способности многогранного купола из шестиугольных трехслойных панелей, стыкующихся углами: Дисс. канд. техн. наук/ Рост. гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2005. - 179 с.

10. Варвак П.М. Некоторые новые результаты в области оптимального проектирования оболочек-покрытий в виде куполов / П.М. Варвак, A.C. Дехтярь, Л.Б. Котова // Известия вузов. Строительство и архитектура. - 1976. - №7. С. 44-47.

11. Ведяков И.И. Несущая способность болтовых соединений легких конструкций из холодногнутых профилей малых толщин / И.И. Ведяков, П.Д. Одесский, Д.В. Соловьев // Промышленное и гражданское строительство. - 2010. - №3. - С. 19-22.

12. Веселев Ю.А., Журавлев A.A. Пространственные несущие конструкции покрытий зданий и сооружений. - Ростов-на-Дону, 1994.-160 с.

13. Виноградов А.И. Вопросы расчета сооружений наименьшего веса // Труды Харьковского ин-та. инж. ж.д. транспорта. Вып. 25. - М., 1955. С. 101-107.

14. Виноградов А.И. К вопросу о расчете стержневых систем наименьшего веса. Исследования по теории сооружений, вып. 8, Госстройиздат. - М., 1959. С. 499-521.

15. Виноградов Г.Г. Расчет строительных пространственных конструкций. - Л.: Стройиздат, 1990. - 264 с.

16. Вольмир A.C. Устойчивость упругих систем. - 2-е изд.

переработанное и дополненное. - М.: Наука, 1967. - 984 с.

209

17. Востров В.К., Павлов А.Б. Вопросы расчета экстремальных снеговых нагрузок на купольные покрытия // Промышленное и гражданское строительство. - 2005. - №7. - С. 39-42.

18. Гайдаров Ю.В. К выбору оптимальной высоты сетчатых сводов и куполов // Известия вузов. Строительные конструкции. - 1981.

- №8. С. 86-87.

19. Гайдаров Ю.В., Зотова Н.Г., Козьмина В.К. Выбор оптимальной высоты металлических куполов-оболочек в реальном проектировании // Известия вузов. Строительные конструкции.

- 1979. - №9. С. 56-59.

20. Ганичев C.B. Выбор вытяжных заклепок для НФС / C.B. Ганичев // Технологии строительства. - 2009. - №2. - С. 16.

21. Гордеев В. Н., Калинина В.Г. Опыт решения оптимизационных задач с использованием подсистемы оптимального проектирования САПР. //Труды ЦНИИпроекгстальконструкция им. Мельникова Н.П. — М., 1983.

22. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. -М.: Изд-во стандартов, 1985. - 63 с.

23. ГОСТ 27772-88 Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 240 с.

24. ГОСТ Р 52246-2004 Прокат листовой горячеоцинкованный. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 19 с.

25. Гохарь-Хармандарян И.Г. Большепролетные купольные здания. -М.: Стройиздат, 1972. - 148 с.

26. Данилова М.В. Совершенствование методов расчета и конструктивных решений треугольных трехслойных панелей купольных покрытий: Дисс. канд. техн. наук/ Пензенск. гос. ун-т. арх. и строит. - Пенза, 2004. - 185 с.

27. Дехтярь A.C., Узаков X. Купол наименьшего веса // Прикладная механика. - 1974. - Вып. 6. С. 50-53.

28. Дериглазов О.Ю. Разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами: Дисс. канд. техн. наук/ Томский гос. арх.-строит. ун-т. - Томск, 2007 - 183 с.

29. ЕНиР. Сборник Е 5. Монтаж металлических конструкций. Вып. 1 / Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1987. - 25 с.

30. Журавлев A.A. К расчету подкрепленной оболочки в форме многогранного купола // Известия вузов. Строительство и архитектура. - 1986, - №8. - С. 42.

31. Журавлев A.A. Прощел кивание стержневой конструкции сетчатого купола в форме 980-гранника // Известия вузов «Строительство и архитектура». - 1983. - №6. С. 34-39.

32. Журавлев A.A., Вержбовский Г.Б., Лонг Кимсуор. Устойчивость сферической оболочки при равномерном внешнем давлении с учетом начальных несовершенств формы ее поверхности. // Известия вузов «Строительство и архитектура». — 2003. - №7. С. 19-26.

33. Заруцкий В.А. К оценке критических нагрузок потери устойчивости ребристых, конических и сферических оболочек. / В.А.Заруцкий, В.Ф.Сивак // Прикладная механика (Киев). - 1999. - №9. С. 47-50.

34. Калашников Г.В., Мейтин В.И., Павлов А.Б., Савельев В.А. Стальные конструкции покрытия спортивно-оздоровительного центра «Динамо» в Крылатском // Промышленное и гражданское строительство. - 2005. - №5. - С. 21-23.

35. Катранов И.Г. Несущая способность винтовых и заклепочных соединений стальных тонкостенных конструкций: Дисс. канд.

техн. наук/ ЦНИИПСК им. Н.П.Мельникова. - М., 2011. - 202 с.

211

36. Клячин А.З. Металлические решётчатые пространственные конструкции регулярной структуры (разработка, исследование, опыт применения). — Екатеринбург: Диамант, 1994. —276 с.

37. Ларин Д.С. Напряженно-деформированное состояние конструктивных элементов многогранных куполов из трехслойных панелей: Дисс. канд. техн. наук/ Рост. гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2004. - 125 с.

38. Лащенков Б.Я., Дмитриев Я.Б., Смирнов М.Н. Методы расчета на ЭВМ конструкций и сооружений. — М.: Стройиздат, 1993. - 368 с.

39. Лебедева И.В., Некрасов И.В., Мяснянкин С.Ю. Экспериментальные исследования снегоотложений // Строительная механика и расчет сооружений. - 2007. - №2. С.76-78.

40. Лессиг E.H., Лилеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1970. - 488 с.

41. Липницкий В.М. Купола. - Л.: Изд-во литературы по строительству, 1973. - 127 с.

42. Липницкий М.Е. Купольные покрытия для строительства в условиях сурового климата - Л.: Стройиздат, 1981. - 136 с.

43. Лихтарников Я.М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций. -М.: Стройиздат, 1979. - 321 с.

44. Ломбардо И.В. Исследование вопросов устойчивости металлических каркасов сферических односетчатых оболочек: Дисс. канд. техн. наук / ЦНИИПСК им. Н.П.Мельникова - М., 1974. - 164 с.

45. Лубо Л.Н., Лебедев В.А. Сетчатые оболочки в гражданском строительстве на Севере. - Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1982. - 136 с.

46. Мажид К. Оптимальное проектирование конструкций. — М.: Наука, 1979.—239 с.

47. Малков В.П., Угодников А.Г. Оптимизация упругих систем. — М.: Наука, 1998. - 288 с.

48. Мартемьянов В.И., Овчинникова Н.Е. Оптимизация клеефанерных балок с использованием ЭВМ //Методы расчета конструкций из древесины и пластмасс. /Межвуз. темат. сб. тр.-Л.. ЛИСИ, 1985. — С.89-99.

49. Металлические конструкции. В 3 т. Том 2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика)/Под общей редакцией В.В. Кузнецова (ЦНИИПСК им. Н.П.Мельникова) -М.: изд-во АСВ, 1998. - 512 с.

50. Миряев Б.В. Влияние конструктивных решений на работу сетчатых деревянных куполов // Известия вузов. Строительство. -2006. - №5. С. 39-43.

51. Миряев Б.В. Прочность, устойчивость и деформативность сетчатых куполов из дерева и пластмасс: Дисс. док. техн. наук/ Пензенск. гос. ун-т. арх. и строит. - Пенза, 2006. - 317 с.

52. Миряев Б.В., Данилова М.В. Оптимизация основных несущих элементов сетчатых деревянных куполов // Известия вузов. Строительство. - 2003. - №12. С. 12-16.

53. Миряев Б.В., Толушов С.А. Экспериментальное исследование крупномасштабной модели сетчатого купола // Эффективные строительные конструкции: Сб. науч. тр. - Пенза, 2005. С. 166168.

54. Молев И.В. Исследование экономической эффективности металлических сетчатых куполов: Дисс. канд. техн. наук / Гориковский инж.-строит. инст. им. В.П. Чкалова - Горький, 1973.- 175 с.

55. Молев И.В. Конструктивные разработки, экспериментально-теоретические исследования и внедрение стальных куполов: Дисс. док. техн. наук / Нижегород. гос. архитект.-строит. академия - Нижний Новгород, 1999. - 441 с.

56. Молев И.В. Стержневые звездчатые купола. Технико-экономический анализ. - Горький: Изд-во Горьковского ГУ, 1990. -70 с.

57. Мухин Б.Г. Использование правильных сетей Чебышева для формообразования сборных оболочек вращения / Б.Г.Мухин // Большепролетные пространственные конструкции. ГОСИНТИ -М., 1973. С. 28-31.

58. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. - М.: Наука, 1965. -340 с.

59. Нил Б.Г. Расчет конструкций с учетом пластических свойств материалов. — М.: Госстройиздат, 1961. - 315 с.

60. Ольков Я.И. Оптимальная двухуровневая унификация типовых элементов конструктивного комплекса //Металлические конструкции. Работы школы профессора Н.С. Стрелецкого. — М.: МГСУ, 1995.—206 с.

61. Ольков Я.И. Оптимизационные методы в совершенствовании конструктивных форм стальных каркасов зданий: Авфтореферат дисс. док. техн. наук. - М., 1990.

62. Павлов Г.Н. Автоматизация архитектурно-строительного проектирования геодезических куполов и оболочек: Дисс. док. техн. наук/ Нижегород. гос. архитектур.-строит, ун-т. - Нижний Новгород, 2007. - 274 с.

63. Патент 2183709 РФ. Узел соединения двутавровых или тавровых

стержней купольного сооружения / Ружанский И.Л., Мосягин

Д.Л., Дмитриев М.Г., Каравайченко М.Г., Фатхиев Н.М. - АОЗТ

214

Центральный научно-исследовательский проектный институт строительных металлоконструкций им. Мельникова.

64. Патент 2467133 РФ. Узловое соединение тонкостенных стержней пространственной конструкции / Тур A.B., Тур В.И., Холопов И.С. - Ульяновский гос. техн. ун-т.

65. Патент 2468157 РФ. Узловое соединение стержней пространственной конструкции / Селин С.А., Тур A.B., Тур В.И. -Ульяновский гос. техн. ун-т.

66. Рабинович И.М. К теории статически неопределимых ферм. - М.: Трансжелдориздат, 1933.

67. Радциг Ю.А. Об определении наименьшего объема статически неопределимых ферм // Труды Казанского авиацион. ин-та. Вып. 17., 1946. С. 32-38.

68. Райт Д.Т. Большепролетные сетчатые оболочки / Д.Т.Райт // Большепролетные оболочки. Том 1. - М.: Стройиздат, 1969, С. 297-308.

69. Расчет и компьютерное проектирование деревянных конструкций //Материалы всесоюзного семинара. - Владимир: ВПИ, 1991.

70. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. -М.: ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, 1978. - 199 с.

71. Рюле Г. Пространственные покрытия - конструкции и методы возведения. Т. 2. Металл, пластмассы, керамика, дерево. - М.: Стройиздат, 1974. - 247 с.

72. Савельев В.А. Прочность и устойчивость металлических сетчатых большепролетных куполов: Автореф. дисс. канд. техн. наук. - М., 1966.- Юс.

73. Савельев В.А. Теоретические основы проектирования металлических куполов: Дисс. док. техн. наук/ ЦНИИПСК им. Н.П.Мельникова - М., 1995. - 298 с.

74. Семенов A.C. Ферма из холодногнутых профилей повышенной жесткости с болтовыми соединениями: Дисс. канд. техн. наук/ Воронежский гос. архитектур.-строит, ун-т. - Воронеж, 2009. -167 с.

75. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции: Свод правил / Минрегионразвития РФ - М.: ОАО «ЦПП», 2011. - 96 е..

76. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. — М.: Наука, 1981.-156 с.

77. Современные пространственные конструкции (железобетон, металл, дерево, пластмассы): Справочник/ Ю.А.Дыховичный, Э.З.Жуковский, В.В.Ермолов и др.; Под ред. Ю.А.Дыховичного, Э.З.Жуковского. - М.: Высшая школа, 1991. - 543 с.

78. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия: Свод правил / Минрегионразвития РФ - М.: ОАО «ЦПП», 2011. - 80 с.

79. Сперанский Б.А. Решетчатые металлические предварительно напряженные конструкции. - М.: Стройиздат, 1970. - 240 с.

80. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. - М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.

81. СТО 36554501-015-2008 Нагрузки и воздействия. - М.: ФГУП «НИЦ «Строительство», 2008. - 54 с.

82. Стрелецкий Н.С., Стрелецкий Д.Н. Проектирование и изготовление экономичных металлических конструкций. — М.: Стройиздат, 1964. —360 с.

83. Трущев А.Г. Пространственные металлические конструкции. -М.: Стройиздат, 1984. - 215 с.

84. ТУ 1122-004-25386609-2004 Термопрофили гнутые оцинкованные для строительных конструкций. ООО «Завод легких стальных профилей», 2004. - 14 с.

85. Тур В.И. Купольные конструкции: формообразование, конструирование, расчет, повышение эффективности: Учебное пособие. - М.: Изд. АСВ, 2004. - 96 с.

86. Хисамов Р.И., Исаева J1.A. Определение технико-экономических показателей структурных покрытий. — Казань: Казанский инженерно-строительный институт, 1979. —80 с.

87. Холопов И.С. Оптимизация стержневых систем применительно к САПР: Дисс. док. техн. наук /Самарский арх.-строит. универ. -М., 1992.

88. Холопов И.С., Лосева И.В., Грибанов В.П. Алгоритм и программа подбора оптимальных сплошных поперечных сечений колонн с использованием сортамента широкополочных двутавров. Расчет пространственных строительных конструкций. — Куйбышев, 1983.

89. Шалобыта H.H. Напряженно-деформированное состояние узла из полого шара новой металлической структурной конструкции: Дисс. канд. техн. наук/ Брестский гос. техн. универ. - Брест, 2009. - 139 с.

90. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. - М.: Мир, 1972. -381 с.

91. Шеховцов A.C. Анализ изменения напряженно-деформированного состояния сжато-изогнутых стержневых элементов деревянных сетчатых куполов при учете подкрепляющего влияния обшивок. // Промышленное и гражданское строительство. - 2008. - №3. С. 18-20.

92. Шеховцов A.C. Исследование напряженно-деформированного

состояния сжато-изогнутых элементов деревянных сетчатых

куполов и совершенствование их узловых соединений: Дисс.

канд. техн. наук/ С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т.-

Санкт-Петербург, 2008. - 152 с.

217

93. Шеховцов А.С. К вопросу определения коэффициента понижения несущей способности деревянного стержневого элемента при продольно-поперечном изгибе // Промышленное и гражданское строительство. - 2008. - №9. С. 31-33.

94. Шеховцов А.С. К вопросу устойчивости внецентренно сжатых деревянных стержневых элементов сетчатых куполов // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - №3. С. 4950.

95. Шеховцов А.С., Товстик П.Е., Шеховцов В.А. Ферма Мизеса как расчетная модель пологого сетчатого купола при кратковременном и длительном нагружениях. // Промышленное и гражданское строительство. - 2009. - №11. С. 19-21.

96. Экспресс-информация. Серия «Строительные конструкции». Вып. 2, ВИНИТИ. - М., 2008.

97. Юрьев А.Г. Строительная механика. Синтез конструкций. -М.: МИСИ, 1982.-100 с.

98. Gluyas T.J., Hobbs S.C. Connector assembly, ЕР 1640520 A2, 2006.

99. Huybers P. Reciprocal polyhedral - Lightweight structures in civil engineering. Proceedings of international symposium. Warsaw, Poland, 24-28 June, 2002. - P. 99-107.

100. Kloppel K., und Schardt R. Zur berechnung von netzkuppeln. // Stahlbau. - 1962. - №5. s. 129-136.

101. Proos R.A., Steven G.P., Querin O.M., Xie Y.M. Multicriterion evolutionary structural optimization using the weighting and the global criterion methods. AIAA Journal. 2001. 39, #10, c. 2006-2012.

102. Reissner E., Wan F.Y.M. Stagic-grometric duality and stress concentration in twisted and sheared hollow spherical shell // Comput. Mech. - 1999, №6, c. 437-442.