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

brief description

Дериглазов Олег Юрьевич. Разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами : диссертация ... кандидата технических наук : 05.23.01 / Дериглазов Олег Юрьевич; [Место защиты: Том. гос. архитектур.-строит. ун-т].- Томск, 2007.- 187 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/5133

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
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
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель -
профессор, доктор
технических наук И. С. Инжутов
Томск-2007

2 СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 15
1.1. Общие сведения о конструкциях куполов 15
1.1.1. Краткий исторический обзор развития купольных конструкций в мировой практике 15
1.1.2. Краткий исторический обзор развития купольных конструкций в отечественной практике 20
1.1.3. Краткий анализ современных конструктивных решений купольных покрытий с применением древесины 25
1.2. Области рационального применения сборных деревянных куполов
в отечественном строительстве 37
1.3. Обзор методов расчета пространственных систем типа сводчатых
и купольных покрытий 41
1.4. Обзор методов расчета ребристо-кольцевых куполов 52
1.5. Выводы и задачи исследования 56
2. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ДЕРЕВЯННОГО РЕБРИСТО-
КОЛЬЦЕВОГО КУПОЛА 60
2.1. Общие положения, принятые при разработке 60
2.2. Формообразование новой формы ребристо-кольцевого купола 63

2.2.1. Общие сведения 63
2.2.2. Меридионально-кольцевая система разрезки 63
2.2.3. Звездчатая система разрезки 64
2.2.4. Шахматная система разрезки 65
2.3. Конструирование деревянного ребристо-кольцевого купола с
блоками жесткости 68
2.4. Технические решения узловых сопряжений 74
2.4.1. Техническое решение наконечника РКК-12-СРД1 74

з
2.4.2. Техническое решение наконечника РКК-12-СРД2 76
2.4.3. Техническое решение наконечника РКК-12-СРДЗ 76

2.5. Области применения 79
2.6. Выводы по второй главе 83
3. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
РЕБРИСТО-КОЛЬЦЕВОГО КУПОЛА 84
3.1. Метод формирования матрицы жесткости стержневых конечных элементов с учетом их узловой податливости. Физическая нелинейность 84
3.2. Цели и задачи численного эксперимента 91
3.3. Методика численного эксперимента по исследованию напряженно-деформированного состояния ребристо-кольцевого купола пролетом 24 м 91
3.4. Результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния ребристо-кольцевого купола 103

3.4.1. Влияние податливости узловых соединений на НДС 103
3.4.2. Влияние схемы расстановки блоков жесткости на НДС 108
3.4.3. НДС купола при длительных нагрузках 112
3.4.4. Учет физической нелинейности древесины 113
3.5. Выводы по третьей главе 117
4. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО И ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТОВ
ПО ИССЛЕДОВАНИЮ НДС ПРОЛЕТНОГО УЗЛА КУПОЛА 119
4.1. Цели и задачи исследований 119
4.2. Методика проведения физического эксперимента. Оборудование
для испытаний 120
4.2.1. Испытательная установка. Материалы для испытаний 120
4.2.2. Измерительно-вычислительный комплекс. Тарировка 126
4.2.3. Этапы эксперимента 129
4.2.4. Определение механических характеристик деревянных

4
элементов 131
4.2.5. Построение расчетной модели численного эксперимента с
учетом неблагоприятных факторов 133
5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО И ФИЗИЧЕСКОГО
ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПРОЛЕТНОГО УЗЛА КУПОЛА 137
5.1. Исходные данные и сборка опытной конструкции 137
5.2. Результаты численного эксперимента по исследованию НДС пролетного узла ребристо-кольцевого купола 139
5.3. Испытания пролетного узла ребристо-кольцевого купола обкаточной нагрузкой 140
5.4. Результаты физического эксперимента пролетного узла ребристо-кольцевого купола 141
5.5. Выводы по пятой главе 145
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ, РАСЧЕТУ И
ИЗГОТОВЛЕНИЮ ДЕРЕВЯННЫХ РЕБРИСТО-КОЛЬЦЕВЫХ
КУПОЛОВ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ 146
Общие положения 146
Материалы 146
Конструирование и расчет 147
Технология изготовления, сборка и монтаж деревянного купола,
огне-биозащита 154
Сравнительная оценка экономической эффективности ребристо-кольцевых куполов с контрастными конструктивными схемами.... 157
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 163
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 165
ПРИЛОЖЕНИЯ 182

5 ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в России наблюдается возрождение интереса к конструкциям на основе древесины. Вместе с тем, развитие конструкций из древесины испытывает здесь существенные трудности, связанные с со¬кращением объема поставок на отечественный рынок лесоматериалов с развитыми размерами поперечных сечений. В частности, эта проблема от¬разилась в отказе, в большинстве случаев, от использования в строительст¬ве традиционных плоскостных конструкций, хорошо зарекомендовавших себя ранее. Заметим, что вершинник (тонкая часть ствола) не используется должным образом, а складируется и сжигается в большинстве леспромхо¬зов.
Общеизвестно, что пространственные конструкции на основе древе-сины более эффективны по сравнению с плоскостными, при этом с увели-чением пролетов эффективность возрастает. Снижение стоимости про-странственных конструкций по сравнению с плоскостными клеедощатыми конструкциями достигает 30-40 %. Они конкурентоспособны и по сравне-нию с аналогичными конструкциями одного класса из других традицион-ных материалов.
Задачи повышения технического уровня и качества конструкций и со-оружений, увеличения эффективности их использования, снижения мате-риалоемкости и стоимости во все времена остается важнейшей целью строительного производства.
Проблемы совершенствования конструкторских решений, расчета и долговечности деревянных конструкций содержатся в работах Г.Г. Карл-сена, В.Ф. Иванова, И.С. Инжутова, А.А. Журавлева, Б.В. Лабудина, В.В. Стоянова, А.В. Туркова, В.А. Большакова, Г.Н. Свенцицкого, М.Е. Когана, В.А. Освенского, Ю.В. Слицкоухова, и др. Исследованием различных ви¬дов соединений элементов деревянных конструкций занимались П.А. Дмитриев, Е.М. Знаменский, В.М. Коченов, В.В. Пуртов и др. Проводятся

6
научно-исследовательские работы в области технологии изготовления, контроля качества и экономики этих конструкций (Л.М. Ковальчук, B.C. Сарычев, С.Н. Пластинин, В.А. Куликов, А.Ф. Новожилов, Н.И. Баранов-ская и др.)
Разработкой, исследованием, а также координацией этих работ в на¬шей стране занимаются крупные научно-исследовательские институты: ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИЭППромзданий, ОАО НАУЧДрев-пром - ЦНИИМОД, ЦНИИЭП им. Б.С. Мезенцева, ЦНИИЭПСельстрой, ЦНИИФ, кафедры и лаборатории строительных, лесотехнических и поли¬технических институтов, университетов (МГСУ, СПбГАСУ, НАС СФУ, ТГАСУ, НГАСУ, РГСУ УралГТУ, АЛГТУ и др.) проектные организации (ГипроНИсельхоз, Гипролеспром, "Проектный институт" (ПИ-1) и др.). Вопросы индустриального производства и применения деревянных конст¬рукций обсуждаются в проходящих ежегодно международных научно-технических конференциях в Одессе, Москве, Санкт-Петербурге, Новоси¬бирске, Красноярске, в ряде семинаров, выставок.
Все это позволило решить большой комплекс проблем и задач по соз-данию и совершенствованию различных видов деревянных конструкций, в том числе и новых. Однако, многие из них требуют своего решения в связи с меняющимися технологическими принципами, появлением новых мате-риалов и конструкций. Так не получили еще должного развития простран-ственные конструкции на основе древесины.
Между тем, опыт предыдущих лет со всей очевидностью показал, что пространственные конструкции начала XX века являются эффективными, несмотря на то, что страдают существенным недостатком - многодельно-стыо и неиндустриальностью. Но это препятствие может для некоторых конструкций преодолено сегодня благодаря наличию высокопроизводи¬тельного заводского оборудования по изготовлению и обработке элемен¬тов ДК. Перед проектировщиками встает задача выбрать среди простран¬ственных конструкций такие, которые бы отвечали всем требованиям ин-

7
дустриальности, начиная с изготовления и кончая монтажом ДК. К числу таких конструкций можно отнести купольные покрытия. Купола издавна применялись в нашей стране, известны многочисленные примеры их при-менения [15, 16, 37, 56, 64, 92,122].
Купольные покрытия из сборных деревянных элементов удачно соче-тают в себе архитектурную выразительность и эффективность пространст-венных конструкций с технологичностью арочных. Между тем, широкое внедрение куполов сдерживается отсутствием или недостаточной прора-боткой в нормативной, научно-технической и справочной литературе ука-заний и рекомендаций по конструированию и расчету таких конструкций. Также не имеется обстоятельных исследований куполов с учетом измене¬ния физико-механических свойств древесины в процессе эксплуатации, достаточно подробно рассмотренных в трудах СМ. Ванина, Е.Н. Квасни-кова, Л.М. Перелыгина, А.В. Прыгункова, Е.Н. Серова, В.В. Фурсова, свя¬занных, в первую очередь, с ползучестью и обусловленных существенной податливостью в узловых соединениях конструкций.
Предшествующий опыт эксплуатации деревянных куполов для зда¬ний различного функционального назначения показал, что не во всех слу¬чаях они имели достаточную надежность и долговечность. Так, например, в условиях длительной эксплуатации наблюдалось развитие деформаций и, как следствие, появление трещин в покрытии купола. Все это в конечном счете приводило к аварийному состоянию здания, вследствие того, что при проектировании конструкций не было учтено влияние фактора времени на механические свойства материала, прочность и деформативность конст¬рукции в целом. Среди различных факторов, влияющих на показатели дол¬говечности конструкций из древесины, изменчивость прочности и дефор-мативности материалов, обусловленная их зависимостью от длительности действия нагрузки, играет определяющую роль. Решение данного вопроса занимались В.А. Цепаев, Р.Б. Орлович, Е.М. Панюжев, Е.М. Знаменский, В.В. Быков и др.

8
Учитывая эти обстоятельства, в диссертационной работе рассматри-ваются вопросы теоретического исследования разработанной нами новой конструктивной формы ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости (патент РФ на изобретение №2298618 [168]), его формообразование, оп¬ределяется влияние симметрии нагрузки на купол, учитывается упругая податливость узлов, длительность действия нагрузки и физическая нели¬нейность.
В работе анализируется отечественный и зарубежный опыт исследо-вания, проектирования и строительства деревянных куполов и методы их расчета, ставятся задачи исследования. Даются технические решения узлов сопряжения элементов купола. Проводится физический эксперимент по исследованию пролетного узла купола, полученные опытные данные ана-лизируются и сопоставляются с данными полученными при численном эксперименте. Для расчета экспериментальной конструкции определяются необходимые механические характеристики материала и соединений. Со-ставляется программа и методика проведения физического эксперимента.
Проводится численный эксперимент по определению усилий и пере-мещений узлов купола при контрастных схемах пространственного рас-крепления связями с учетом упругой податливости узлов. Полученные значения сравниваются с новой конструктивной формой, где блоки жест-кости устанавливаются в шахматном порядке (адресная установка).
Таким образом, актуальность работы обусловлена:
- ростом объемов работ по строительству малоэтажных зданий разно-образного назначения, потребностью комплексной, рациональной перера-ботки древесины и необходимостью разработки новых эффективных кон-струкций;
- отсутствие^ надежной методики инженерного расчета деревянных ребристо-кольцевых куполов как пространственно стержневой системы;

9
- малочисленностью конструктивных решений узлов ребристо-кольцевых куполов для сборно-разборных сооружений;
- в нормативной литературе не отражено влияние длительности дейст-вия нагрузки и физической нелинейности древесины для реальных условий эксплуатации.
Учитывая вышеизложенное, целью работы является разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами, отвечающими требо-ваниям быстрого монтажа и демонтажа, оценка влияния податливости уз-лового соединения, длительности действия нагрузки и физической нели-нейности древесины.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следую-щие задачи:
- обобщить и проанализировать опыт конструкторских разработок в направлении предпринятых автором исследований;
- разработать новую конструктивную форму ребристо-кольцевого ку-пола с блоками жесткости;
- разработать новые технические решения узлов для полученной кон-структивной формы купола, обладающие надежностью, экономичностью, отвечающие требованиям быстрого монтажа и демонтажа;
- провести численный эксперимент для исследования напряженно-деформируемого состояния (НДС) ребристо-кольцевого купола с исполь¬зованием программных комплексов «SCAD» и «ЛИРА»;
- провести физический эксперимент по исследованию пролетного узла ребристо-кольцевого купола, выполненного в натуральную величину, с це-лью изучения характера его работы и проверки достоверности численного эксперимента;
- разработать рекомендации по расчету, конструированию и изготов-лению деревянных ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости и сборно-разборными узлами;

10
- осуществить внедрение результатов исследований в практику проек¬
тирования и строительства.
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 жест¬кости.
Достоверность теоретических положений, расчетных и физических моделей, обоснованность выводов обеспечивается корректностью постав-ленных задач и использованием общепринятых в механике твердого де-формированного тела и строительной механике гипотез и допущений. Сравнение результатов численного эксперимента, выполненного посредст-вом ВК «ЛИРА, лицензия № 521821425» и «SCAD, лицензия № 2E2DDBFB», подтверждаются хорошим согласованием с данными, по-лученными в ходе физического эксперимента.
Практическая значимость работы заключается в том, что разрабо-таны до стадии альбомов рабочих чертежей конструкции ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости, выполненных из цельной древе¬сины 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 формообразо¬ванию, конструированию, расчету, изготовлению, сборке и монтажу реб¬ристо-кольцевых куполов, позволяющие снизить материалоёмкость, тру-

11
доёмкость изготовления и стоимость «в деле» по сравнению с известными типовыми решениями.
В первой главе приведен исторический обзор развития купольных конструкций в мировой и отечественной практике, представлен анализ со-временных конструктивных решений купольных покрытий с применением древесины, приведены области рационального применения сборных дере-вянных куполов, рассмотрен обзор методов расчета пространственных систем типа сводчатых и купольных покрытий.
Во второй главе изложены основные принципы формообразования ребристо-кольцевых куполов, рассматривается конструирование ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости, приведен пример реализации по¬ложений в разработке купола пролетом 12 м, с различными техническими решениями узловых сопряжений. Показана область применения и вариан¬ты внутренней планировки купола.
Третья глава содержит задачи, методику и анализ результатов чис-ленных экспериментов по исследованию напряжённо-деформированного состояния разработанного ребристо-кольцевого купола с блоками жестко-сти с учетом влияния податливости узлового соединения, длительности действия нагрузки и физической нелинейности древесины. Сопоставляется картина деформирования куполов с контрастными схемами расстановки блоков жесткости (блоки жесткости отсутствуют; блоки жесткости распо-ложены в шахматном порядке по поверхности полусферы; блоки жестко¬сти расположены по всей поверхности полусферы).
Численные эксперименты проведены с использованием вычисли-тельных комплексов SCAD (Лицензия № 2E2DDBFB) и ЛИРА (Лицензия №521821425).
В четвертой главе представлена цель и методика численного и фи-зического эксперимента по исследованию НДС пролетного узла ребристо-кольцевого купола, выполненного в натуральную величину, с техническим решением наконечника РКК-12-СРДЗ. Рассматривается построение рас-

12
четной модели эксперимента с учетом неблагоприятных факторов оказы-вающих влияние на НДС узлов купола. Описывается испытательная уста-новка, оборудование использованное в эксперименте. Находятся физико-механические характеристики древесины, используемой в эксперименте и необходимые для дальнейшего построения расчетной модели.
Пятая глава посвящена анализу результатов численного и физиче-ского экспериментов пролетного узла ребристо кольцевого купола. Дана оценка технологичности изготовления натурной конструкции. Выполнена оценка несущей способности и деформативности разработанного пролет-ного узла ребристо-кольцевого для купола пролетом 12 м, с учетом небла-гоприятных факторов. Основные результаты представлены в виде графи-ков и таблиц.
В конце диссертации приводятся рекомендации по конструирова-нию, расчету и изготовлению деревянных ребристо-кольцевых куполов с блоками жесткости. Указана технология изготовления, сборка и монтаж разработанной конструкции, а также представлена огне-биозащита древе-сины и металла.
Произведена сравнительная оценка экономической эффективности ребристо-кольцевых куполов с контрастными конструктивными схемами.
Достоверность научных положений и результатов основывается на использовании современных конечно-элементных методов расчета и про-граммных средств и подтверждается хорошей сходимостью результатов численных и физических экспериментов с опытной конструкцией.
Апробация работы.
Основные положения диссертаций докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2005-2006 г.г.), на региональных научно-технических конференциях «Проблемы строи-тельства и архитектуры» (Красноярск, 2005-2007 г.г.), на Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс» (Одесса, 2006 г.), на Международной научно-технической

13
конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2007 г.). В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенном научном семинаре кафедры «Металлические и деревянные конструкции» ТГАСУ в 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 диссерта-ции опубликовано 8 печатных работ.
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 со-единения, 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.
Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, рекомендаций, общих выводов, списка литературы из 171 на-именования, в том числе 25 наименований на иностранных языках. Общий объем работы 187 страницы, 84 рисунка, 9 таблиц.

14
Работа выполнялась на кафедрах «Металлические и деревянные кон-струкции» ТГАСУ и «Строительные конструкции» ИАС СФУ.
Автор выражает искреннюю благодарность уважаемому научному руководителю - доктору технических наук, профессору Ивану Семеновичу Инжутову; доктору технических наук, профессору Петру Андреевичу Дмитриеву за ценные консультации во время работы над диссертацией, а также коллективам кафедр «МиДК» ТГАСУ и «СК» ИАС СФУ за внима-ние, помощь и критические замечания, сделанные в процессе подготовки диссертационной работы.

bibliography

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Сформулированы принципы формообразования и конструирования ребристо-кольцевого купола со связями с применением калиброванного, в том числе тонкомерного бревна, для зданий различного функционального назначения. Предложена новая конструктивная форма ребристо-кольцевого купола, техническая новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение.
2. Проведен конструкторский поиск рациональных узловых сопряже-ний деревянного ребристо-кольцевого купола. Разработано три варианта технических решений узлов сопряжения элементов купола. Установлено, что наименее металлоемким является узел, основанный на наконечнике РКК-12-СРДЗ.
3. В результате численного эксперимента установлено, что: учет по-датливости узловых соединений приводит к увеличению расчетных значе-ний перемещений узлов до 1/760 диаметра купола; учет длительности дей-ствия нагрузки приводит к дальнейшему увеличению расчетных значений перемещений узлов до 1/580 диаметра купола; учет коэффициента относи-тельных напряжений k = 2,15 и физически нелинейного модуля упругости увеличивает расчетные значения перемещения узлов до 1/330 диаметра купола.
4. Анализ результатов численного и физического экспериментов про-летного узла ребристо-кольцевого купола позволил установить, что: опыт-ная конструкция характеризуется малой деформативностью, технологич-ностью принятого конструктивного решения и высокой скоростью монта¬жу и демонтажу. Показано, что начальные эксцентриситеты узловых соп-ряжений стержней влияют на значения перемещений узла не более, чем на 2 %.
5. Значения перемещения пролетного узла купола составили 1/478 диаметра купола при численном эксперименте и 1/438 диаметра купола при физическом эксперименте.

164
6. Разработанная конструкция пролетного узла купола обладает дос-таточной прочностью, жесткостью и надежностью с коэффициентом безо-пасности по нагрузке 1,2.
7. Сравнительная оценка экономической эффективности ребристо-кольце-вых куполов с различными конструктивными схемами показывает, что предлагаемая конструкция является конкурентоспособной.