Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
технических наук: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и
сооружения. — Белорусский Национальный технический университет. —
Москва, 2011. — 44 с.
Цель работы: Создание эффективных решений покрытий
на основе тонколистовых металлических оболочек, обеспечивающих
снижение трудовых и материальных затрат. Экспериментальная
апробация новых конструктивных форм покрытий и решение
научно-технических вопросов, связанных с особенностями
разработанных конструктивных форм.
Научная новизна: Разработано и исследовано
направление по использованию конструктивно-анизотропных
металлических материалов для образования криволинейных поверхностей
в виде составных оболочек покрытий с высокой степенью
индустриализации;
проведены комплексные исследования составных металлических оболочек покрытий отрицательной гауссовой кривизны с пролетной конструкцией из конструктивно-анизотропных материалов.
Разработана методика определения усилий и перемещений составных металлических оболочек покрытий, позволяющая учитывать следующие особенности: конструктивную анизотропию пролетной конструкции, которая выражается в резком различии физических характеристик в направлении продольных и поперечных линейчатых образующих, а также в различных напряженных состояниях - моментном в продольном и безмоментном в поперечном направлениях; появление в пролетных конструкциях деформаций, необусловленных напряжениями; наличие перемещений, значительно превышающих приведенную толщину пролетных конструкций.
Превышение на порядок и более относительных деформаций в направлении поперечных линейчатых образующих над относительными деформациями в направлении продольных линейчатых образующих пролетной конструкции.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования диска покрытий из гиперболических панелей-оболочек, позволяющие учитывать особенности оболочечных покрытий при определении степени пространственной работы каркаса зданий и сооружений.
Определены возможности по регулированию усилий в составных металлических оболочках покрытий и получены аналитические зависимости по вычислению основных параметров напряженно-деформированных состояний пролетной конструкции и элементов опорного контура.
Получены экспериментальные схемы распределения напряжений в поверхностях отрицательной гауссовой кривизны из конструктивно-анизотропных материалов при наличии ослаблений и определены аналитические зависимости, позволяющие вычислять напряженное состояние вблизи отверстий в конечных поверхностях с учетом их размеров и размеров отверстий, формы распределения основных напряжений и расположения отверстий относительно эпюр основных напряжений.
Для не развертывающихся поверхностей в форме гиперболического параболоида получены экспериментальные результаты, определяющие условия и возможность их трансформирования в плоскость. На основании экспериментальных данных разработан аналитический метод по определению основных характеристик напряженно-деформированных состояний, возникающих в процессе трансформирования.
Практическая значимость: Разработана научная основа для совершенствования металлических покрытий, на основе составных оболочек, компонуемых из панелей-оболочек индустриального изготовления, с использованием конструктивно-анизотропных материалов.
Разработанные решения металлических покрытий позволяют существенно улучшить технико-экономические показатели объектов массового строительства за счет резкого сокращения количества конструктивных элементов, используемых в традиционных покрытиях, и переносом значительной части технологических операций в заводские условия. Кроме того, разработанные конструктивные решения позволяют в два-три раза уменьшить строительную высоту покрытий и, тем самым, уменьшить объем зданий и сооружений, что обеспечивает сокращение трудоемкости, материалоемкости и снижает эксплуатационные, прежде всего, энергетические затраты. Интерьер, создаваемый гиперболическими панелями-оболочками из конструктивно-анизотропных элементов, позволяет отказаться от применения подвесных потолков, что также способствует сокращению трудоемкости и материалоемкости строительных объектов, прежде всего, общественного назначения.
Разработанная методика расчета позволяет определять параметры напряженно-деформированных состояний составных оболочек покрытий, где в качестве пролетной конструкции используются элементы, обладающие резкой конструктивной анизотропией. Методика расчета позволяет определять напряжения и деформации с учетом геометрической нелинейности при больших перемещениях, при неравновесных нагрузках и при резко отличающихся размерах панелей-оболочек в плане. Разработанная методика расчета включена в Пособие по проектированию мембранных конструкций, предназначенное для инженерно-технических работников строительных и проектных организаций.
Исследования панелей-оболочек с предварительными (собственными) напряжениями позволяют регулировать усилия в промежуточных ригелях составных оболочек и снижать деформативность пролетной конструкции. Результаты исследований использовались при разработке рабочих чертежей панелей-оболочек с зенитными фонарями. Регулирование усилий было внедрено при строительстве Оздоровительного центра в городе Минске, где зенитные фонари применялись в качестве напрягающих элементов.
Коэффициенты пространственной работы, полученные по результатам исследований диска покрытия из стальных гиперболических панелей-оболочек, позволяют вести расчет с учетом перераспределения усилий, уменьшают значения расчетных усилий в элементах поперечных рам и обеспечивают снижение материалоемкости несущих конструкций. На основании проведенных исследований определены коэффициенты пространственной работы для наиболее распространенных зданий с металлическими покрытиями в виде составных оболочек.
Формулы по определению напряженных состояний оболочек вблизи ослаблений, полученные на основании проведенных исследований, позволяют определять значения напряжений в растянутых конечных поверхностях из конструктивно-анизотропных элементов и обоснованно проектировать усиления в местах расположения технологического оборудования.
Исследования напряженно-деформированного состояния оболочек отрицательной гауссовой кривизны при их трансформировании в плоскость, в том числе, с уже уложенными элементами кровли, позволяют определять характеристики напряженно-деформированного состояния и без необратимых деформаций переводить панели-оболочки в плоское состояние, что существенно упрощает процесс устройства кровли, а также транспортирование и складирование панелей-оболочек. Результаты исследований по трансформированию гиперболических панелей-оболочек нашли применение при строительстве Складского здания в Минске.
По результатам проведенных исследований осуществлено проектирование и строительство общественных и производственных зданий на территории Республики Беларусь. Наиболее значимыми объектами являются: Универмаг Беларусь и Оздоровительный центр в Минске, Общественное здание и Цех гидролиза в Гомеле. Разработанная проектная документация пригодна для повторного применения.
На основании экспериментальных и теоретических исследований, опыта проектирования и строительства разработанных конструктивных решений, а также на основании многолетних наблюдений за построенными объектами, составлены таблицы по подбору сечений основных элементов составных оболочек покрытий из конструктивно-анизотропных материалов.
проведены комплексные исследования составных металлических оболочек покрытий отрицательной гауссовой кривизны с пролетной конструкцией из конструктивно-анизотропных материалов.
Разработана методика определения усилий и перемещений составных металлических оболочек покрытий, позволяющая учитывать следующие особенности: конструктивную анизотропию пролетной конструкции, которая выражается в резком различии физических характеристик в направлении продольных и поперечных линейчатых образующих, а также в различных напряженных состояниях - моментном в продольном и безмоментном в поперечном направлениях; появление в пролетных конструкциях деформаций, необусловленных напряжениями; наличие перемещений, значительно превышающих приведенную толщину пролетных конструкций.
Превышение на порядок и более относительных деформаций в направлении поперечных линейчатых образующих над относительными деформациями в направлении продольных линейчатых образующих пролетной конструкции.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования диска покрытий из гиперболических панелей-оболочек, позволяющие учитывать особенности оболочечных покрытий при определении степени пространственной работы каркаса зданий и сооружений.
Определены возможности по регулированию усилий в составных металлических оболочках покрытий и получены аналитические зависимости по вычислению основных параметров напряженно-деформированных состояний пролетной конструкции и элементов опорного контура.
Получены экспериментальные схемы распределения напряжений в поверхностях отрицательной гауссовой кривизны из конструктивно-анизотропных материалов при наличии ослаблений и определены аналитические зависимости, позволяющие вычислять напряженное состояние вблизи отверстий в конечных поверхностях с учетом их размеров и размеров отверстий, формы распределения основных напряжений и расположения отверстий относительно эпюр основных напряжений.
Для не развертывающихся поверхностей в форме гиперболического параболоида получены экспериментальные результаты, определяющие условия и возможность их трансформирования в плоскость. На основании экспериментальных данных разработан аналитический метод по определению основных характеристик напряженно-деформированных состояний, возникающих в процессе трансформирования.
Практическая значимость: Разработана научная основа для совершенствования металлических покрытий, на основе составных оболочек, компонуемых из панелей-оболочек индустриального изготовления, с использованием конструктивно-анизотропных материалов.
Разработанные решения металлических покрытий позволяют существенно улучшить технико-экономические показатели объектов массового строительства за счет резкого сокращения количества конструктивных элементов, используемых в традиционных покрытиях, и переносом значительной части технологических операций в заводские условия. Кроме того, разработанные конструктивные решения позволяют в два-три раза уменьшить строительную высоту покрытий и, тем самым, уменьшить объем зданий и сооружений, что обеспечивает сокращение трудоемкости, материалоемкости и снижает эксплуатационные, прежде всего, энергетические затраты. Интерьер, создаваемый гиперболическими панелями-оболочками из конструктивно-анизотропных элементов, позволяет отказаться от применения подвесных потолков, что также способствует сокращению трудоемкости и материалоемкости строительных объектов, прежде всего, общественного назначения.
Разработанная методика расчета позволяет определять параметры напряженно-деформированных состояний составных оболочек покрытий, где в качестве пролетной конструкции используются элементы, обладающие резкой конструктивной анизотропией. Методика расчета позволяет определять напряжения и деформации с учетом геометрической нелинейности при больших перемещениях, при неравновесных нагрузках и при резко отличающихся размерах панелей-оболочек в плане. Разработанная методика расчета включена в Пособие по проектированию мембранных конструкций, предназначенное для инженерно-технических работников строительных и проектных организаций.
Исследования панелей-оболочек с предварительными (собственными) напряжениями позволяют регулировать усилия в промежуточных ригелях составных оболочек и снижать деформативность пролетной конструкции. Результаты исследований использовались при разработке рабочих чертежей панелей-оболочек с зенитными фонарями. Регулирование усилий было внедрено при строительстве Оздоровительного центра в городе Минске, где зенитные фонари применялись в качестве напрягающих элементов.
Коэффициенты пространственной работы, полученные по результатам исследований диска покрытия из стальных гиперболических панелей-оболочек, позволяют вести расчет с учетом перераспределения усилий, уменьшают значения расчетных усилий в элементах поперечных рам и обеспечивают снижение материалоемкости несущих конструкций. На основании проведенных исследований определены коэффициенты пространственной работы для наиболее распространенных зданий с металлическими покрытиями в виде составных оболочек.
Формулы по определению напряженных состояний оболочек вблизи ослаблений, полученные на основании проведенных исследований, позволяют определять значения напряжений в растянутых конечных поверхностях из конструктивно-анизотропных элементов и обоснованно проектировать усиления в местах расположения технологического оборудования.
Исследования напряженно-деформированного состояния оболочек отрицательной гауссовой кривизны при их трансформировании в плоскость, в том числе, с уже уложенными элементами кровли, позволяют определять характеристики напряженно-деформированного состояния и без необратимых деформаций переводить панели-оболочки в плоское состояние, что существенно упрощает процесс устройства кровли, а также транспортирование и складирование панелей-оболочек. Результаты исследований по трансформированию гиперболических панелей-оболочек нашли применение при строительстве Складского здания в Минске.
По результатам проведенных исследований осуществлено проектирование и строительство общественных и производственных зданий на территории Республики Беларусь. Наиболее значимыми объектами являются: Универмаг Беларусь и Оздоровительный центр в Минске, Общественное здание и Цех гидролиза в Гомеле. Разработанная проектная документация пригодна для повторного применения.
На основании экспериментальных и теоретических исследований, опыта проектирования и строительства разработанных конструктивных решений, а также на основании многолетних наблюдений за построенными объектами, составлены таблицы по подбору сечений основных элементов составных оболочек покрытий из конструктивно-анизотропных материалов.