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

В табл. 1 приведены данные по расходу основных материалов разработанного купола пролетом 12 м с тремя различными видами наконечников, а также в качестве сравнительного примера представлен расход древесины и стали ребристо-кольцевых куполов с традиционными конструктивными решениями меридиональных арок на 1 м² плана (для IV снегового района). Из данных табл. 1 следует, что в куполах с многоугольными ребрами расход древесины меньше на 28-33% при перерасходе металла на 8%. Однако, следует иметь в виду, что стоимость прямолинейных клееных элементов в 5-6 раз дороже неклееной древесины, а стоимость криволинейных клееных элементов на 30% выше, чем прямолинейных клееных.

В третьей главе приведены результаты численного эксперимента и оценка напряжённо-деформированного состояния разработанного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости с учетом влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины.

Задачи численного эксперимента являлись следующее: изучить с использованием вычислительных комплексов «SCAD» и «Лира» НДС деревянный ребристо-кольцевой купол с блоками жесткости с учетом влияния податливости узлового соединения; исследовать влияние схемы расстановки блоков жесткости на НДС куполов с контрастными схемами; выявить зависимость деформаций и усилий исследуемого купола при длительных нагрузках; выявить зависимость деформаций и усилий исследуемого купола с учетом физической нелинейности древесины.

Объектом численного эксперимента являлся деревянный ребристо-кольцевой купол с блоками жесткости, расставленными в шахматном порядке пролетом 24,0 и высотой 6,0 м, образованный шестнадцатью меридиональными ребрами, пятью кольцами прогонов, тридцатью двумя раскосами. Панели меридиональных ребер имели длину 2,73 м. Сечения всех элементов равны d = 120 мм.

Элементы расчетной схемы моделировались для признака схемы № 5 (шесть степеней свободы в узле). В качестве конечного элемента был выбран универсальный пространственный стержень КЭ-10, имеющий возможность располагаться в плоскости произвольно. Узлы ребристо-кольцевого купола в расчетной схеме принимались шарнирными.

Напряженно-деформированное состояние ребристо-кольцевого купола изучалось по пространственной схеме от действия сосредоточенных сил, приложенных в узлы сходимости меридиональных и кольцевых элементов. Расчет выполнялся для двух схем загружения:

- полная нагрузка (снеговая для IV района и постоянная) приложена симметрично к куполу;

- постоянная нагрузка приложена симметрично по всей поверхности купола, а снеговая – несимметрично.

Заметим, что наибольшие значения несимметричных снеговых нагрузок прикладывались в четверти пролета купола.

Расчет узловых соединений конструкций на основе древесины проводили по деформируемой схеме с использованием условного модуля деформативности Е_y .

Условный модуль деформативности вычислялся в соответствии с методикой, разработанной И.С. Инжутовым, А.Ф. Рожковым по формуле

,

(1)

где Е – исходный модуль упругости; δ – расчетное предельное значение деформаций податливости, принимаемое в зависимости от предельной деформации узлового соединения (на лобовых врубках и торец в торец - 1,5 мм; на нагелях всех видов - 2,0 мм; в примыканиях поперек волокон - 3,0 мм); l – длина стержня, м; k_кр – коэффициент учитывающий кратковременность действия нагрузки, при кратковременной нагрузке k_кр = 0,5, при длительной - k_кр = 1; R_см - расчетное сопротивление древесины местному смятию.

Заметим, что в этом методе условный модуль деформативности стержня не зависит от величины продольного усилия и площади поперечного сечения элемента.

Длительный модуль упругости, зависящий от влажности древесины и длительности эксплуатации конструкций с учетом развития деформаций последействия, рассчитывался в соответствии с методикой, разработанной В.А. Цепаевым по формуле

,

(2)

где - кратковременный модуль упругости, определяемый для древесины хвойных пород с влажностью w (%); - коэффициент длительной деформативности при действии неизменной нагрузки в течение всего срока службы конструкций.

Учет в расчетах неупругих деформаций древесины позволяет выявить дополнительные резервы несущей способности конструкции. В основу современных расчетов строительных конструкций положены диаграммы деформирования конструкционных материалов.

Автором были проведены экспериментальные исследования стандартных образцов древесины сосны при растяжении и сжатии. Всего испытано по 10 образцов для каждого вида напряженного состояния. Эксперименты проведены в разрывной машине Р-5 на действие статической нагрузки. Деформации образцов измерялись посредством тензометрических преобразователей. Измерения проведены в реальном масштабе времени расчетно-измерительным комплексом.

Результаты экспериментов представлены в виде диаграмм растяжения и сжатия на рис. 7.

Рис. 7. Диаграмма σ–ε для стандартных образцов древесины сосны при растяжении и сжатии вдоль волокон

Предел пропорциональности при сжатии составил β_DP = 15 МПа. Соответствующие деформации ε_с = 15∙10^-4 . Сжатые образцы разрушены напряжением σ_с.max = 32,3 МПа. При растяжении упругие деформации не превысили ε_р = 35∙10^-4 .

Полученные диаграммы работы образцов были аппроксимированы и представлены в виде уравнений.

сжатие		(3)
растяжение		(4)

Неизвестными х₁ и х₂ приняты значения точек аппроксимации, расположенных по оси абсцисс, ε_с и ε_р – соответствующие им полученные деформации для сжатия и растяжения.

Физическую нелинейность учитывали предложенным автором коэффициентом относительных напряжений k , отражающим запас несущей способности конструкции при возможном увеличении временной нагрузки или при уменьшении расчетного сечения стержней

,

(5)

где σ_i – значения сжимающих напряжений, для сжатых и растянутых стержней; R_н – нормативное значение расчетного сопротивления.

Физически нелинейный модуль упругости Е_ф , определяемый для области неупругих деформаций вследствие учета коэффициента относительных напряжений k , определялся по формулам

- сжатие ,	(6)
- растяжение ,	(7)

где σ_с,i , σ_р,i – значения сжимающего напряжения в i-точке кривой диаграммы σ–ε для сжатых и растянутых стержней соответственно; ε_с,i , ε_р,i –деформации для i-точки кривой диаграммы σ–ε для сжатых и растянутых стержней соответственно; N_i – возникающее в стержнях купола продольное усилие; j– коэффициент продольного изгиба; F – площадь поперечного сечения элемента с учетом его ослабления.

Результаты исследования показали, что при действии симметричной статической нагрузки напряженно-деформированное состояние панелей меридиональных ребер не зависит от количества и месторасположения блоков жесткости.

При исходном модуле упругости и несимметричном статическом нагружении купола наибольшие расчетные значения перемещений узлов составили 1/900 диаметра купола.