Главная|Контакты
ПОСЛЕДНИЕ ЗАПИСИ
Памятники культуры могут разрешить передавать между учебными заведениями

Памятники культуры могут разрешить передавать между учебными заведениями

Учебные заведения, находящиеся в признанных культурным наследием зданиях, возможно смогут...

06.09.16  В Королеве в октябре будет открыта пешеходная зона в технологическом стиле

31.08.16  Корпорация Технониколь открыла новый завод по производству минваты в Хабаровске

31.08.16  Отреставрированный корпус РЭУ им. Плеханова открыт

29.08.16  На строительство нового терминала аэропорта на Камчатке претендуют 4 инвестора

29.08.16  ЦАГИ включен в список объектов культурного наследия

28.08.16  На Северном Кавказе к 2017 году будет введен в экусплуатацию индустриальный комплекс

26.08.16  Жилой комплекс со спортивной инфраструктурой будет построен в Казани

26.08.16  В усадьбе "Константиново" откроется детский хоспис

25.08.16  Перинатальный центр на северо-западе Москвы в скоро времени будет построен

24.08.16  В ходе реставрации метро "Сокол" будут восстановлены исторические элементы

ТОП СТАТЕЙ
Опубликовано : 10.02.15 | Категория: Современные стальные конструкции
В основу разработки технических решений положены следующие требования: обеспечение долговременной надежности, оптимизация конструктивной формы для минимизации расхода материала; максимальная технологичность конструкции в изготовлении и монтаже; соответствие архитектурным решениям.
Форма плана и поверхности покрытия

Покрытие имеет в плане форму неправильной вытянутой трапеции с размерами сторон 58, 189, 86, 165 м (рис. 2.3). Для организации регулярной структуры покрытия с максимальной унификацией несущих и ограждающих элементов в заданный план был вписан условный прямоугольник, продольная ось которого является биссектрисой угла, между длинными сторонами трапеции. Несущие элементы (комбинированные арочно-вантовые фермы) расположены в основном параллельно друг другу. Верхний пояс, выходящий за контур прямоугольника, дополнялся элементами переменной длины.
Горизонтальный уклон конька покрытия ≈1° (перепад торцевых отметок 1,873 м) определен тем, что арки с постоянным радиусом и опорами на одной отметке имеют переменный пролет. По архитектурным требованиям превышение конька светопрозрачного покрытия внутреннего двора над кровлей здания принято минимальным: отношение полной высоты конструкции к пролету f/L = 1/14 при отношении стрелы подъема верхнего пояса к пролету f/L = 1/20+1/28. Приведенные выше условия потребовали применения комбинированной арочно-вантовой системы.
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Общая компоновка конструктивной схемы

На стадии предварительного проектирования были проанализированы различные варианты расположения несущих элементов в плане. Веерное их расположение связано с большим количеством типоразмеров несущих элементов, узлов их сопряжения и стеклопакетов. Для их уменьшения предлагалось покрытие в виде бочарных сводов переменной в поперечном направлении кривизны, что не отвечало архитектурным требованиям. В принятом варианте большепролетное светопрозрачное покрытие представляет собой систему из 15 поперечных несущих элементов пролетом от 59 до 82 м, высотой 4,2-6,1 м, в основном расположенных параллельно друг другу. Исключение составляет один крайний элемент, расположенный под углом к остальным (см. рис. 2.3). Несущие элементы расположены через 12,15 м, кратно шагу дворовых пилонов (около 6 м), что позволило равномерно нагрузить их за счет устройства по верху кирпичных стен распределительной железобетонной монолитной коробчатой балки, обеспечило достаточную освещенность, а также максимально сократило количество типоразмеров конструктивных элементов и узлов их сопряжения.
В качестве несущего элемента применена комбинированная система, состоящая из выпуклого сжато-изогнутого верхнего пояса (арки), провисающего растянутого нижнего пояса и двух V-образных стоек, объединяющих пояса (рис. 2.4). Ломаный верхний пояс собран из однотипных прямолинейных элементов длиной 10 м, вписанных в цилиндрическую поверхность постоянной кривизны (R = 205,7 м). Сечение пояса — сварной двутавр высотой 700 мм, толщина полок 40 мм, стенки 28 мм. Нижний пояс (затяжка) состоит из двух стальных полос сечением 40*275 мм, расположенных вертикально и объединенных между собой прокладками. Нижние пояса комбинированных арочно-вантовых ферм не связаны между собой в продольном направлении для возможности работы устройств, обслуживающих светопрозрачное покрытие внутри помещения.
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Узлы, объединяющие нижний и верхний пояса (концы фермы), нижний пояс со стойками (места перелома нижнего пояса) и верхний пояс со стойками, запроектированы в виде цилиндрических шарниров (рис. 2.5, а, б, в). Две V-образные стойки (см. рис. 2.4) выполнены из трубы ∅219*16 со средними трубчатыми вставками ∅180*20. После укрупнительной сборки стержневая система предварительно напрягалась за счет раздвижки поясов с использованием домкратов, установленных в местах расположения V-образных стоек (рис. 2.5, г). Проектная геометрия фермы фиксировалась обваркой вставок V-образных стоек.
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Комбинированные арочно-вантовые фермы опираются на распределительную коробчатую балку через шарнирно-неподвижный и шарнирноподвижный узлы. Распор не передается на нижележащие конструкции, а воспринимается нижним поясом. В конструкции применены опоры четырех типов: поперечные и продольные катковые опоры, подвижные опоры стаканного типа и неподвижные тангенциальные опоры. Опорные части с применением полимерных материалов разработаны институтом РОСДОРНИИ. Подвижные опорные части стаканного типа (СОЧ) имеют коэффициент трения менее 0,05. Применение опор разных типов определялось необходимостью восприятия системой температурных воздействий, без передачи их на нижележащие конструкции, и обеспечения ее общей устойчивости.
По верхним поясам арочно-вантовых ферм (шаг 12,15 м) через 5 м расположены шарнирно опертые продольные прогоны — распорки из сварных балок двутаврового сечения (рис. 2.5, д). Прогоны развязаны из плоскости элементами каркаса светопрозрачных панелей. По торцам покрытия прогоны опираются на стены через подвижные шарниры. В средней части покрытая в плоскости верхних поясов предусмотрен связевый блок, обеспечивающий совместно с прогонами общую устойчивость конструкции покрытия (см. рис. 2.3). Крутильная жесткость сечения верхних поясов ферм увеличена за счет их связи с прогонами дополнительными подкосами (рис. 2.5, д). Все несущие металлоконструкции поясов ферм выполнены из стали С390 (10ХСНД-15), трубчатые стойки — из стали С20, прогоны — из стали С345-3 (09Г2С), связи — из стали С255. Стыковые соединения нижнего пояса — сварные со 100% контролем физическими методами качества заводских и монтажных сварных швов. Монтажные стыки верхнего пояса — фланцевые на высокопрочных болтах М24 из стали марки 40Х «селект» (рис. 2.5, е).
Поверх несущих металлоконструкций смонтированы светопрозрачные панели, состоящие из стальных рам, алюминиевых переплетов и двойных стеклоблоков. По настоянию пожарных органов нижнее стекло выполнено закаленным, а верхнее из триплекса, хотя по логике они должны устанавливаться в обратном порядке. Учитывалось качество стекла по прочности, светоотражению, долговечности.
Технические решения несущих конструкций покрытия увязывались с конструктивными решениями свегопрозрачных панелей (расположение и шаг продольных и поперечных элементов с размерами и формой стеклопакетов; кривизна покрытия с узлами сопряжения стеклопакетов; узлы сопряжения несущих и ограждающих конструкций с возможностью их рихтовки; расчетные относительные прогибы несущих конструкций с ограничениями по деформациям стеклопакетов). Учитывались дополнительные требования к узлам стыков стеклопакетов в местах переломов поверхности, ендовах, примыканиях к стенам, открывающимся проемам для дымоудаления и т. п.; вопросы долговременной и надежной эксплуатации светопрозрачного покрытия (очистка, противопожарная безопасность, ремонтопригодность), а также обеспечение снеготаяния, размещение устройств для обслуживания, недопущение образования конденсата. В ендове по периметру покрытия расположен водосток с электроподогревом для приема дождевых и талых вод.
Разработка и анализ вариантов конструктивных схем комбинированной арочно-вантовой системы

На первом этапе было проанализировано несколько вариантов конструктивных схем (рис. 2.6). Схема 1 — арочная система с лучевыми затяжками; схема 2 — арочная система со вспарушенным нижним поясом, объединенным с верхним подвесками; схема 3 — арочная система с провисающим нижним поясом, объединенным с верхним поясом распорками; схема 4 — аналогична схеме 3, но нижний пояс объединен с верхним двумя V-образными стойками. Общими характеристиками для рассмотренных систем являлись сжато-изогнутый верхний пояс в виде двухшарнирной арки, очерченной по дуге окружности с отношением стрелы подъема к пролету f/l=1/10, с одним подвижным опорным узлом; усиленный гибкими предварительнонапряженными элементами. Для четырех вариантов были проведены численные исследования при следующих исходных данных: пролет — L=70 м; стрела подъема верхнего пояса — f1=7 м (схемы 1, 2); полная высота арочной системы — f=f1+f2=7 м (схемы 3, 4); погонная равномерно распределенная нагрузка — р = 45 кН/пм, неравномерно распределенная нагрузка — р1=26 кН/пм, р2=45 кН/пм.
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Для предварительной оценки конструктивных схем численные расчеты выполнялись в линейной постановке на равномерно распределенную нагрузку. Исходные данные задавались параметрически: геометрия (L, f1, f2) и размеры условных прямоугольных сечений (А, h, b) вводились как переменные с определенным диапазоном изменений. Оптимизация четырех вариантов комбинированной арочно-вантовой системы проводилась в следующей постановке: целевая функция — минимальный вес; ограничивающие условия — максимальные напряжения в интервале 290-310 МПа; оптимизируемые переменные — размеры сечений элементов. В результате в первом приближении были получены требуемые размеры условных сечений элементов (табл. 2.1). Далее выполнялся анализ работы исследуемых конструктивных схем (табл. 2.2), в которых условные сечения были заменены прокатными профилями (двутавры горячекатаные с параллельными гранями полок по СТО АСЧМ 20-93). Показатели расхода металла для рассмотренных вариантов приведены в сводной табл. 2.3.
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

По результатам численных исследований сделаны следующие выводы. В верхнем поясе, работающем на сжатие с изгибом, для схем 1 и 4 доля продольных напряжений составила 30 %, а изгибных — 70 %, для схем 2 и 3 напряжения от продольного усилия и изгибающего момента оказались примерно равными. Расход металла удалось снизить на 14-28 % за счет перераспределения продольной и изгибной жесткости поперечных сечений верхнего пояса. Вес гибких растянутых элементов составил 30-40 % от суммарного веса для всех вариантов конструктивных схем.
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

После предварительной оценки были выполнены численные исследования в нелинейной постановке на одностороннюю нагрузку, в большинстве случаев являющейся определяющей для подобных конструктивных схем. Вначале сечения принимались в основном прокатными по табл. 2.3. Однако при принятых исходных данных и неравномерном нагружении сечение верхнего пояса для всех вариантов пришлось заменить на сварной двутавр, с увеличением расхода металла для схемы 2 — на 30 %, для схемы 3 — на 40 %, а для схемы 4 — на 10 %. Результаты расчетов приведены в табл. 2.4 и 2.5.
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Анализ результатов численных исследований вариантов конструктивных решений при сопоставимых исходных данных, показал:
- в схеме 1 невозможно полностью использовать работу подкрепляющих лучевых затяжек ввиду пологости системы. В ней оказываются относительно большие усилия в верхнем поясе, значительное горизонтальное перемещение подвижного опорного узла, повышенный расход материала;
- схемы 1 и 2 в 2,5-4 раза более деформативны, чем схемы 3 и 4;
-трудоемкость монтажа, включающая регулирование геометрии арок и необходимость предварительного натяжения затяжек, отражается на технико-экономических показателях всех рассмотренных вариантов. Схема 4 в этом отношении наиболее рациональна;
- в схеме 4 сечение верхнего пояса оказалось минимальным, в первую очередь за счет лучших характеристик устойчивости системы.
На следующей стадии проектирования («П») прорабатывались два варианта конструктивных решений. Первый вариант — двухшарнирная арка с затяжкой. Арка — стальная из сварного двутавра, затяжка — из стальных полос, с возможностью их начального натяжения и регулирования геометрии арок. Второй вариант — арочно-вантовая линзообразная ферма, позволяющая понизить отметку конька светопрозрачного покрытия. Нагрузки воспринимаются сжато-изогнутым верхним поясом-аркой (сварной двутавр) и провисающим растянутым нижним поясом-затяжкой (стальные полосы, объединенные между собой шарнирами). Пояса объединяются сжатыми вертикальными стойками — трубчатого сечения, с устройствами для регулирования их длины и задания системе начального натяжения.
Численные исследования устойчивости вариантов конструктивных схем комбинированных арочных систем

Одним из важных факторов работы арочных систем является их устойчивость. Этому вопросу посвящено значительное количество работ, получены приближенные решения по определению критической нагрузки для различных типов арок. Устойчивость комбинированных арочных систем определяется их конструктивной схемой, совместной работой арки и дополнительных элементов. Для ряда конструктивных решений имеются рекомендации по определению их устойчивости. Однако для каждого нового конструктивного решения эту проблему необходимо решать заново. Поэтому ставилась задача разработки методики и практических рекомендаций по определению устойчивости различных типов комбинированных арочных систем с использованием стандартных вычислительных комплексов, реализующих метод конечного элемента в геометрически нелинейной постановке.
При решении задачи были приняты следующие основные положения:
- стержневая арочная система моделируется конечными элементами, каждый из которых дополнительно разбивается на (m) частей;
- система загружается различными сочетаниями нагрузок, величины которых принимаются в к раз больше расчетных;
- для выведения системы из состояния равновесия используются начальные несовершенства геометрии элементов конструкции или условные отклоняющие нагрузки (на один-два порядка меньше расчетных);
- выполняются расчеты системы в геометрически нелинейной постановке с определением критических нагрузок;
- определяются коэффициенты расчетной длины (μ) элементов системы;
- выполняется проверка устойчивости элементов комбинированной арочной системы по нормативной методике.
Для обоснования методики расчета комбинированных арочных систем на устойчивость вначале были проведены численные исследования несложных задач, для которых известны теоретические решения — продольный изгиб прямолинейных стержней; определение коэффициентов расчетной длины (μ) и критических нагрузок (Pкр) для простых арок (круговой, параболической; бесшарнирной, двухшарнирной и т. д.). Исследования показали возможность моделирования потери устойчивости арок с использованием вычислительных комплексов, реализующих метод конечных элементов в геометрически нелинейной постановке. Выявлено, что для получения решений (с необходимой для инженерных задач точностью) требуется выполнение следующих условий. Арку следует разбивать на конечные элементы с отношением ds/S ≤ 0,007 (где: ds — длина конечного элемента, S — общая длина оси арки); количество этапов метода последовательных нагружений (учет геометрической нелинейности) должно быть не менее 40 (п ≥ 40); должно выполняться условие: ni/n ≥ 0,9, где n — общее количество этапов приращения нагрузки; ni — i-й шаг последовательного нагружения, на котором определяется (фиксируется) потеря устойчивости.
В нормах по проектированию стальных конструкций расчет на устойчивость сжато-изгибаемых элементов выполняется с учетом гибкости стержня и формы его поперечного сечения, изгибно-крутильных деформаций, начальных несовершенств (случайные эксцентриситеты, погиби), наличия в элементах конструкции остаточных напряжений от сварки, прокатки или холодной правки и т. д. Кроме того, учитывается развитие в сечении пластических деформаций. В численных исследованиях сложно учесть все отмеченные выше факторы. Поэтому необходима проверка устойчивости арки по нормативной методике, используя максимальный коэффициент расчетной длины (μ), определяемый по результатам численных расчетов.
Известно, что нормальные напряжения криволинейного и прямолинейного бруса различны. В нормах рассматриваются прямолинейные элементы. Однако применяемые в строительных конструкциях арки в большинстве случаев относятся к стержням малой кривизны, у которых радиус очертания оси существенно превышает размеры сечения (Rо/h ≥ 10). Для таких стержней допускается пользоваться формулами для прямолинейного стержня.
При решении задачи устойчивости комбинированных арочных систем учитывались следующие факторы: геометрическая нелинейность (конструктивная схема, включающая гибкие элементы и шарнирно-подвижный узел опирания, достаточно деформативна); конструктивная нелинейность, определяемая историей этапов монтажа и предварительного напряжения системы, а в ряде случаев обусловленная выключением из работы растянутых гибких элементов (тяжи, подвески) или сжатых распорок, которые могут потерять устойчивость раньше более жесткого верхнего пояса (меняются конструктивная и соответственно расчетная схемы).
В большинстве существующих программных расчетных комплексов задача устойчивости (Buckling) решается в линейной постановке — предполагается, что все внутренние силы возрастают пропорционально увеличению уровня нагрузки, а их соотношение и распределение в системе остается неизменным. Для нелинейно работающих систем такое допущение не корректно. Поэтому некоторые программные комплексы определяют два значения критической нагрузки — первое является наименьшим значением решения линейных уравнений эйлерова типа, а второе определяется как интенсивность нагрузки, при которой теряется положительная определенность матрицы жесткости в процессе шаговой процедуры нагружения. Величины критических нагрузок могут значительно отличаться друг от друга в зависимости от постановки задачи, при этом линейный расчет дает завышенные значения (табл. 2.6).
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Выполнены численные исследования устойчивости четырех схем комбинированных арочных схем в геометрически нелинейной постановке. Целью исследований было определение: максимального коэффициента расчетной длины (μ) верхнего сжато-изогнутого пояса в плоскости системы; минимального коэффициента устойчивости (К) для системы в целом; влияние на значения коэффициентов (μ) и (К) предварительного напряжения и выключения из работы гибких растянутых или сжатых элементов.
Численные исследования с учетом предварительного напряжения выполнялись в два этапа: этап 1 — преднапряжение системы; этап 2 — продолжение счета с увеличением нагрузки до критического уровня. По мере нагружения системы моделировалось выключение из работы гибких стержней, если в них возникало сжатие, и сжатых стоек-распорок, теряющих устойчивость раньше арочного верхнего пояса.
Исследования устойчивости комбинированных арочных систем с использованием стандартных вычислительных комплексов выполнялись в несколько этапов.
1. Определение линейным расчетом (Buckling) общего для всей системы коэффициента запаса по устойчивости kev. В случае kev≤1,0 — корректировалась конструктивная (расчетная) схема (увеличивалась жесткость элементов или менялся тип узлового сопряжения элементов и т. п.) и выполнялся повторный расчет.
2. Проведение расчета в геометрически нелинейной постановке. Нагрузка принималась с коэффициентом kl, равным в первом приближении коэффициенту запаса по устойчивости kev, найденным по п. 1. Определение критической нагрузки Ркр выполнялось на основании анализа зависимости перемещений (напряжений) от нагрузки (рис. 2.7) или ряда расчетных параметров на каждом шаге приращения нагрузки (увеличение угла поворота одного из элементов >10°; превышение допуска итерационной сходимости ≥ 0,001; изменение знака диагонального члена одного из уравнений ≤ 0).
3. Проверка двух условий:
а) приращения нагрузки с приближением к ее критическому значению должны быть достаточно малы (ni/n ≥ 0,9, где п — общее количество этапов приращения нагрузки; ni — i-й шаг последовательного нагружения, на котором фиксируется потеря устойчивости). При несоблюдении этого условия величины критических нагрузок могут быть как занижены, так и завышены (до 30 %);
б) нагрузочный коэффициент запаса по устойчивости (kl) для всей системы, найденный нелинейным расчетом, должен быть не меньше 1,4.
В случае невыполнения условия «а» корректировался нагрузочный коэффициент kl. При kl ≤ 1,4 (невыполнение условия «б») корректировалась конструктивная схема. Далее проводился повторный расчет по п. 2.
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

В результате численных исследований были получены величины коэффициентов (μ) и (К) для четырех исследуемых схем (рис. 2.8-2.11, табл. 2.7-2.10).
Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Конструктивное решение светопрозрачного покрытия

Анализ результатов показал следующее:
- максимальные коэффициенты расчетной длины верхнего сжато-изогнутого пояса в плоскости системы оказались для схем 1, 2 и 3 (μ = 0,4/0,58), для схемы 4 этот показатель уменьшается более чем в 2 раза (μ = 0,25);
- величины коэффициента устойчивости (К) для системы в целом составили: для схемы 1 — 11, для схемы 2 — 91, для схемы 3 — 117, для схемы 4 — 108. Арочная система с лучевыми затяжками (схема 1) имеет низкий коэффициент устойчивости, так как ввиду пологости системы (f/l = 1/10) невозможно полностью использовать работу лучевых затяжек;
- выключение из работы комбинированной арочной системы подвесок или стоек приводит к значительному (в 3/4 раза) понижению показателя общей устойчивости. При этом коэффициенты расчетной длины верхнего пояса увеличиваются не более чем на 10 %;
- влияние предварительного напряжения на устойчивость системы незначительно (до 10 %);
- комбинированная система, состоящая из выпуклого сжато-изогнутого пояса, провисающего растянутого нижнего пояса и двух V-образных стоек, объединяющих пояса (схема 4), — наиболее оптимальна по показателям устойчивости.
На основании анализа рассмотренных вариантов институтом «Курорт-проект» при участии ЦНИИСК им. Кучеренко было предложено окончательное решение конструкции покрытия в виде комбинированной системы, состоящей из выпуклого сжато-изогнутого верхнего пояса (арки), провисающего растянутого нижнего пояса и двух V-образных стоек, объединяющих пояса (см. рис. 2.2).
Похожие новости