144595 (Разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами)

Дериглазов Олег Юрьевич

Разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск-2007

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Инжутов Иван Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Картопольцев Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент,

Пуртов Вячеслав Васильевич.

Ведущая организация ОАО «ЦНИИПромзданий»

Защита состоится «02» ноября 2007 г. в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 при ГОУ ВПО Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная, 2, 307/5.

Факс: (3822) 65-03-17, e-mail: tsuab@sibmail.com

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «28» сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скрипникова Н.К.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Общеизвестно, что пространственные конструкции на основе древесины более эффективны по сравнению с плоскостными. Они конкурентоспособны и по сравнению с аналогичными конструкциями одного класса из других традиционных материалов. Легкость конструкций из дерева дает возможность (при равенстве суммарного веса) перевезти их в пятнадцать раз больше по сравнению с металлическими, а, следовательно, в пятнадцать раз сократить расходы на эти цели.

Одними из наиболее распространенных пространственных конструкций с применением древесины являются ребристо-кольцевые купола. Купольные покрытия из сборных деревянных элементов удачно сочетают в себе архитектурную выразительность и эффективность пространственных конструкций с технологичностью арочных. Между тем, широкое внедрение куполов сдерживается отсутствием или недостаточной проработкой в нормативной, научно-технической и справочной литературе указаний и рекомендаций по конструированию и расчету таких конструкций. Также не имеется обстоятельных исследований куполов с учетом изменения физико-механических свойств древесины в процессе эксплуатации, обусловленных существенной податливостью в узловых соединениях конструкций, изменчивостью прочности и деформативности древесины в зависимости от длительности действия нагрузки, физической нелинейностью древесины.

Задачи повышения надежности, прочности и долговечности конструкций и сооружений, эффективного их использования, снижения материалоемкости и стоимости во все времена остаются важнейшей целью строительной отрасли.

Поэтому разработка, исследование и совершенствование купольных конструкций на основе древесины не только актуальны, но и определяют новизну.

Объект исследования: деревянный ребристо-кольцевой купол с блоками жесткости.

Предмет исследования: конструкторские особенности и напряженно-деформированное состояние деревянного ребристо-кольцевого купола.

Цель работы: разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами, отвечающими требованиям быстрого монтажа и демонтажа, оценка влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины.

Задачи исследования:

• обобщить и проанализировать опыт конструкторских разработок в направлении предпринятых автором исследований;

• разработать новую конструктивную форму ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости;

• разработать новые технические решения узлов для полученной конструктивной формы купола, обладающие надежностью, экономичностью, отвечающие требованиям быстрого монтажа и демонтажа;

• провести численный эксперимент для исследования напряженно-деформируемого состояния ребристо-кольцевого купола с использованием программных комплексов «SCAD» и «ЛИРА»;

• провести физический эксперимент по исследованию пролетного узла ребристо-кольцевого купола, выполненного в натуральную величину, с целью изучения характера его работы и проверки достоверности численного эксперимента;

• разработать рекомендации по расчету, конструированию и изготовлению деревянных ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости и сборно-разборными узлами;

• осуществить внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства.

Методология работы.

Физический эксперимент выполнялся с использованием современного аттестованного измерительно-вычислительного оборудования в лаборатории деревянных конструкций при Томском государственном архитектурно-строительном университете и в лаборатории испытания строительных конструкций Института архитектуры и строительства Сибирского федерального университета, что обеспечило необходимую достоверность полученных результатов.

Научная новизна работы:

• обоснована и исследована новая конструктивная форма ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости (новизна подтверждена патентом РФ на изобретение №2298618);

• предложены и исследованы новые варианты узловых соединений купола;

• разработана расчетная модель конструкции ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости;

• оценены влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины на напряженно-деформированное состояние ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости.

Практическая значимость работы: разработаны до стадии альбомов рабочих чертежей конструкции ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости, выполненных из цельной древесины для пролетов от 9 до 36 м, обладающие прочностью, надежностью и долговечностью, а также мобильностью и малой массой, применяемые для быстровозводимых зданий. Предложены рекомендации по формообразованию, конструированию, расчету, изготовлению, сборке и монтажу ребристо-кольцевых куполов, позволяющие снизить материалоёмкость, трудоёмкость изготовления и стоимость «в деле» по сравнению с известными типовыми решениями.

Достоверность теоретических положений, расчетных и физических моделей, обоснованность выводов обеспечивается корректностью поставленных задач и использованием общепринятых в механике твердого деформированного тела и строительной механике гипотез и допущений. Сравнение результатов численного эксперимента, выполненного посредством ВК «ЛИРА, лицензия №521821425» и «SCAD, лицензия №2E2DDBFB», подтверждаются хорошим согласованием с данными, полученными в ходе физического эксперимента.

Реализация результатов диссертационной работы:

Результаты исследований использованы при проектировании реальных конструкций разработанного ребристо-кольцевого купола в Красноярском «Гражданпроекте», ОАО «Томскводпроекте», ООО СП «Рекон» (г. Томск), ООО «Сибирской строительной компании – ТМ» (г. Томск).

Личный вклад диссертанта состоит:

• в разработке конструктивной формы ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости;

• в разработке технических решений сборно-разборных узлов купола;

• в разработке методики и проведении численного эксперимента ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости;

• в разработке методики и проведении численного и физического экспериментов пролетного узла ребристо-кольцевого купола.

На защиту выносятся:

• Разработанное автором конструктивное решение ребристо-кольце-вого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами;

• методика и результаты численных экспериментов по исследованию НДС разработанного купола с учетом влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины;

• результаты натурного испытания пролетного узла ребристо-кольце-вого купола пролетом 12 м;

• рекомендации по проектированию, изготовлению, сборке и монтажу деревянных ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости.

Апробация работы.

Материалы диссертации были доложены, обсуждены и получили положительную оценку: на научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2005-2006 гг.), на региональных научно-технических конференциях «Проблемы строительства и архитектуры» (Красноярск, 2005-2007 гг.), на Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс» (Одесса, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2007 г.).

Публикации.

По материалам диссертационных исследований получен 1 патент РФ на изобретение, опубликованы 1 авторская (3 стр.) и 1 соавторская (8 стр.) статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Всего по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, рекомендаций, общих выводов, списка литературы из 171 наименования, в том числе 25 наименований на иностранных языках. Общий объем работы 183 страницы, 84 рисунка, 9 таблиц.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность проводимых исследований, дана краткая характеристика состояния вопроса, сформулирована цель работы, раскрыта её научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Отмечается, что проблемами совершенствования конструкторских решений, расчетами и исследованиями различных видов соединений элементов посвящены работы многих ученых: В.А. Большакова, П.А. Дмитриева, А.А. Журавлева, Е.М. Знаменского, Г.Н. Зубарева, В.Ф. Иванова, И.С. Инжутова, Г.Г. Карлсена, М.Е. Когана, В.Г. Котлова, В.М. Коченова, Л.Р. Куправа, Б.В. Лабудина, Б.К. Михайлова, В.А. Освенского, В.В. Пуртова, К.П. Пятикрестовского, Ю.В. Слицкоухова, В.В. Стоянова, А.В. Туркова и др. Вопросы изучения изменения физико-механических свойств древесины в процессе эксплуатации и длительности действия нагрузки рассмотрены в трудах В.В. Быкова, С.М. Ванина, Е.Н. Квасникова, Р.Б. Орловича, Е.М. Панюжева, Л.М. Перелыгина, А.В. Прыгункова, Е.Н. Серова, В.А. Цепаева, В.В. Фурсова и др.

В первой главе приведен краткий исторический обзор развития купольных конструкций в мировой и отечественной практике. Автором отмечается какие величайшие купольные конструкции были построены. Из них выделяется купол Пантеона, это самый большой купол в мире XIX века, его диаметр 43,5 м. Среди сооружений новейшего времени, особенно замечательными по своей величине, искусной конструкции и изяществу являются купола московского храма Христа Спасителя и петербургского Исаакиевского собора.

Анализ современных конструктивных решений купольных покрытий с применением древесины показывает, что наиболее широкое распространение в гражданском и промышленном строительстве получили ребристо-кольцевые купола. Конструктивные решения таких куполов можно представить следующими примерами. Спортивный зал с деревянным куполом в Монтана (США), пролет которого 91,5 м, высота 15,3, основными несущими элементами которого являются меридиональные арки – ребра. Уникальное здание Олимпийского тренировочного комплекса в Такома (США) с деревянным куполом диаметром 256 м является самым крупным в мире по размеру пролета из клееной древесины.

Также в первой главе приводятся области рационального применения сборных деревянных куполов, и дается обзор методов расчета ребристо-кольцевых куполов.

Во второй главе приведен анализ формообразования, приведен пример реализации положений в разработке ребристо-кольцевого купола пролетом 12 м с различными конструктивными решениями узловых сопряжений.

При разработке опытной конструкции автор исходил из целесообразности, необходимости и возможности: использовать рациональную конструктивную форму; эффективно использовать свойства применяемых в конструкциях материалов; руководствоваться принципом упрощения конструктивной формы при одновременном уменьшении общей массы конструкции; создать сборно-разборную конструкцию с отсутствием врубок, подтесок и т.п.; конструировать узлы с учетом требований скоростного монтажа и демонтажа, многократного использования, транспортабельности конструкций, мобильности; наделить конструкцию высокими эстетическими качествами; простотой устройства проемов – ворот, дверей, окон; выполнения конструкции и из других современных материалов и изделий; обеспечения пространственной работы купольной конструкции постановкой системы связей.

Обоснованию выбора геометрической схемы купола автор уделил особое внимание, поскольку именно от этого зависят число типоразмеров элементов, конструкция узлов сопряжения, способы изготовления и монтажа элементов и, в конечном итоге, эффективность и надежность конструкции.

Предложенная новая (патент РФ на изобретение №2298618) конструктивная форма купола, которая базируется на синтезе наилучших свойств двух систем разрезки: меридионально-кольцевой и звездчатой.

С

а)

б)

уть меридионально-кольцевой системы разрезки заключается в членении поверхности вращения меридиональными и параллельными плоскостями на треугольные (у полюса) и трапециевидные элементы (рис. 1).

Рис. 1. Меридионально-кольцевая разрезка (а) и разрезка сферы двумя пучками меридиональных плоскостей с взаимно перпендикулярными осями (б)

К достоинствам этой системы, по мнению автора, следует отнести простоту формы и исполнения узловых сопряжений элементов. К очевидным недостаткам можно отнести неэффективность работы при воздействии несимметричных нагрузок, что может быть устранено в многосвязной системе, например, в системе звездчатого типа.