Л3. Оболочки положительной гауссовой кривизны и принципы конструирования оболочек. ЖБ 3 страница

Наиболее ответственным и сложным узлом конструкции куполов всех типов является узел присоединения ребер к нижнему кольцу и опирания кольца на нижележащие конструкции. Нижнее растянутое кольцо конструируется обычно в виде сварного двутавра. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах для увеличения изгибной жесткости кольца в горизонтальной плоскости двутавр располагается лежа. Сетчатые купола сами по себе имеют большую пространственную жесткость в горизонтальном направлении, поэтому при их проектировании опорное кольцо стремятся развивать по вертикали. Вертикальное расположение двутавра обеспечивает также максимальную жесткость на восприятие равномерно распределенных по кольцу радиальных крутящих моментов, которые вызывают в кольце изгиб относительно горизонтальной оси. Узел должен быть правильно центрирован — оси стержней купола, примыкающих к кольцу, и ось вертикальной опорной реакции должны пересекаться в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести кольца. При этом осевая линия кольца не обязательно должна проходить через центр узла — фактический диаметр кольца может быть несколько уменьшен или увеличен.
Кольцо обычно шарнирно опирают на фундамент или вертикальные колонны. В большепролетных куполах желательно обеспечить свободу перемещений кольца в радиальном направлении. Это достигается использованием Катковых опор или коротких качающихся стоек.

Несущий каркас состоит из стержней и узловых деталей, соединяемых между собой на высокопрочных болтах. Каркас образует сетчатую поверхность с треугольными ячейками. Стержни изготавливаются из прессованного профиля с П-образным поперечным сечением. Открытый профиль сечения позволяет производить закручивание стержня вокруг его продольной оси до совмещения плоскостей симметрии торцевых сечений с осями узловых деталей, что необходимо для всех сетчатых оболочек, имеющих форму, отличную от сферической. Узловая деталь также изготавливается из прессованного алюминиевого профиля, имеющего поперечное сечение в виде звезды с шестью лучами. Каждый луч узловой детали имеет в основании утонченный участок — шейку, обеспечивающую возможность пластического отгиба в плоскости, перпендикулярной оси узловой детали на определенный угол. Стержни крепятся к лучам узловой детали двумя высокопрочными болтами, причем для одного из болтов — внутреннего — сверление отверстий в узловой детали и стержне производится по номинальному диаметру, а для другого болта отверстия выполняются с большим диаметром. Люфт в 2...3. мм обеспечивает возможность поворота стержня по лучу узловой детали на требуемый угол. При монтаже до завершения сборки всего каркаса болты не затягивают, и только после того, как все элементы установлены и конструкция приняла заданную геометрическую форму, производится затяжка болтов на заданный крутящий момент. Поверх стержней каркаса укладываются треугольные алюминиевые листы толщиной 1, 0... 1, 2 мм, являющиеся кровельным покрытием. Листы соединяются внахлест и крепятся к стержням каркаса с помощью прижимных реек таврового профиля. Водонепроницаемость покрытия обеспечивается размещением между листами по линиям нахлеста тонкого слоя нетвердеющего герметика.

рис. 12. Изготовление и монтаж куполов.

В процессе проектирования металлических куполов особое внимание должно быть уделено обеспечению точности изготовления и монтажа конструкций, которая определяет трудоемкость возведения и влияет на надежность и металлоемкость. Приближенные оценки начальных отклонений геометрической формы металлических сетчатых куполов могут быть выполнены по формулам. Достоверный прогноз погрешностей возведения большепролетных металлических куполов всех типов возможен лишь на основе статистической обработки результатов геометрического моделирования их монтажа. Монтаж ребристых и ребристо-кольцевых куполов осуществляют, как правило, с использованием стационарных или передвижных опор в виде башен и мачт. В большинстве случаев используется только одна центральная опора, на которой размещается верхнее кольцо. Предварительно собранные на земле полуарки устанавливают попарно друг против друга, опирая на верхнее и нижнее кольца. В процессе монтажа полуарки воспринимают нагрузку от собственного веса по балочной безраспорной схеме. Башня убирается после завершения монтажа каркаса. Способы монтажа сетчатых куполов более разнообразны. Сетчатые купола могут монтироваться на сплошных лесах поэлементно или блоками, а также с использованием отдельных опор, на которые опираются предварительно укрупненные части конструкций.
Проблема снижения трудоемкости монтажных работ имеет особо важное значение для покрытий пролетом 100 м и более. При таких пролетах из условия обеспечения устойчивости требуется значительное развитие сечений стержней в направлении нормали к поверхности и переход к двухсетчатым (двухслойным) системам.

Нагрузки, действующие на купол. Основными нагрузками, определяющими напряжённое состояние купола, являются собственный вес оболочки купола и снеговая нагрузка. Обе нагрузки принимают действующими симметрично относительно вертикальной оси оболочки (нагрузка осесимметричная). Ветровая нагрузка при пологих купольных покрытиях решающего значения не имеет и поэтому при расчетах она не учитывается. Собственный вес оболочки купола при постоянной её толщине рассматривается как равномерная нагрузка, распределённая по поверхности купола, а снеговая нагрузка принимается как равномерно распределённая по горизонтальной проекции купола.

6. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КУПОЛОВ. СБОРНЫЙ КУПОЛ.

Членение сборного купола на монтажные элементы может осуществляться по меридиональному и меридионально-кольцевому направлениям. При членении по меридиональному направлению монтажный элемент имеет криволинейное очертание Из условия транспортировки длина сборного элемента не должна превышать 18м, а ширина – 3, 5м. Данные рекомендации могут быть выполнены при условии, если диаметр опорного кольца не превышает 40м. Сборные элементы купола усиливаются контурными и промежуточными рёбрами. Членение купола по меридионально-кольцевым направлениям позволяет получать как криволинейные, так и плоские монтажные элементы.Плоские панели проще в изготовлении, но ухудшают внешний вид купола и работу оболочки, так как в местах стыков будут переломы, приводящие к возникновению дополнительных изгибающих моментов.

1 - башенный кран КБ—160.2; 2—ригель; 3 — временная монтажная опора; 4— башенный кран БК-400

рис. 13. Схема монтажа купола ребристой конструкции.

На рисунке показана схема монтажа конструкций ребристо-кольцевого купола цирка из укрупненных железобетонных элемен­тов. В данном случае купол монтировали двумя кранами, движу­щимися по рельсовому пути, опоясывающему кольцом зрительМый зал цирка. При этом кран БК-400 устанавливал ригели купола с их опиранием на опорное контурное кольцо и центральную метал­лическую монтажную стойку. Краном КБ-100-2 монтировали плиты покрытия и другие легкие элементы. Так как эти краны имеют раз­ную колею, рельсовый путь укладывали из трех рельсов. Внутрен, -ний рельс был общим. При монтаже применя­ют ферму, которая одним концом опирается на поворотное устрой­ство на башне крана, а другим (с помощью тележки) перемещает­ся по кольцевому рельсу на уровне опорного кольца. Ферма слу­жит шаблоном при установке плит, которые выверяли с помощью установленных на ферме винтовых домкратов. Монтаж купола на­чинают с первого кольцевого пояса. Консольный конец панели за­крепляют с помощью гибких подвесок к стойкам, установленным по периметру купола по одной на каждую панель яруса. Затем ферму перемещают на смежную позицию. После сборки кольцево­го яруса, сварки закладных частей и замоноличивания швов под­вески снимают.

1 — оттяжка канатная; 2 — скоба-упор; 3 — стяжная муфта; 4 — монтажный эле­мент купола.

рис. 14. Схема монтажа ку­польного покрытая методом навесной сборки

а- цилиндрическая длинная; б- то же, короткая; в- купольная (парусная); г- коноидальная; д- параболоидная; е- гипербалоидная; ж- гиперболоидно- параболическая; з- складчатые

рис. 15. Виды оболочек.

а- размерами в плане от 18х18 до 36х36м; б-размером 18, 6х25, 5.

Рис. 16. Пространственные покрытия из купольных оболочек.

Литература

1. Тур, В. И. Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности [Текст] / В. И. Тур. - М.: Изд-во АСВ, 2004.

2. Ухов, Б. С. Технология возведения многоугольных железобетонных куполов небольших и средних пролетов методом укрупнительной сборки.

Л6. Конструктивные решения предварительно-напряженных листовых конструкций и их проектирование – 1 час.

Содержание:

1. Понятие предварительно- напряженные конструкции.

2. Листовые конструкции.

3. Резервуары.

4. Бункеры, силосы.

5. Газгольдеры.

Литература

1. ПОНЯТИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО – НАПРЯЖЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ.

Под предварительными напряжениями строительных конструкций в общем и стальных конструкций, в частности, понимают различные приемы регулирования напряжений в них – изменения их напряженно-деформированного состояния с целью получения в конструкциях новых качеств.

Целями использования предварительного напряжения в стальных конструкциях являются: экономия металла и средств во вновь возводимых конструкциях благодаря более выгодному распределению внешних усилий, увеличению области упругой работы и применению материалов высокой прочности, работающих только на растяжение; повышение несущей способности конструкций, находящихся в стадии эксплуатации или реконструкции в связи с повышением нагрузок; снижение деформативности всей конструкции или отдельных ее элементов, уменьшение частоты или амплитуды колебаний; повышение устойчивости отдельных элементов или всей конструкции в целом; увеличение выносливости отдельных элементов при циклических нагрузках за счет улучшения характеристики цикла и др.

Суть предварительного напряжения конструкций или их элементов в том, что в них создаются усилия или перемещения, вектор которых направлен в сторону противоположную соответствующему вектору внешних нагрузок. Многочисленные исследования показали, что несущая способность конструкций повышается на величину предварительного напряжения. Эффективным оказалось предварительное напряжение и для строительных металлических конструкций. Регулировать внутренние усилия в них начали в середине XIX столетия. В России первые предварительно напряженные металлические конструкции применены академиком В.Г.Шуховым на строительстве Московского ГУМа в 1893 г. и Нижегородской промышленной выставки в 1895 году. Производство высокопрочных сталей ускорило их совершенствование. Основоположником теории предварительно напряженных металлических конструкций принято считать Г. Маньеля (Бельгия), который разработал конструкцию ферм покрытия ангара в Брюсселе. Наибольшее распространение в практике строительства получили конструкции предварительное напряжение в которых осуществлено с помощью затяжек, устанавливаемых в районе нижнего пояса или повторяющих эпюру моментов изгибаемых элементов. Исследования балок и ферм показали, что в этом случае повышается жесткость конструкции за счет введения дополнительного элемента (затяжки) увеличивающего момент инерции сечения. При строительстве мачт оттяжки подвергают натяжению, чтобы создать предварительные напряжения для повышения жесткости всей системы. Пространственную жесткость мачт или башен можно повысить установкой предварительно напряженных раскосов в диафрагмах конструкций. Предварительное напряжение конструкций биметаллических балок повышает область упругой работы высокопрочного материала почти до исчерпания несущей способности. Весьма эффективным оказалось предварительное напряжение при усилении всех видов конструкций. В ряде случаев оно оказывается единственно возможным способом продления их эксплуатации. По сравнению с обычными металлическими конструкциями, предварительно напряженные обладают меньшей или весьма малой вероятностью разрушения. Предварительное напряжение позволяет менять модуль упругости материала. Это достигается предварительной вытяжкой канатов, тросов применяемых в качестве затяжек балок, оттяжек мачт и колонн. Предварительное напряжение повышает статическую и динамическую прочность металлических конструкций, их общую и местную устойчивость, снижает вероятность хрупких разрушений и повышает выносливость. Однако, предварительно напряженные конструкции не лишены и недостатков. Одним из них является отпуск металла затяжки, снижающий уровень предварительного напряжения. Нормами допускается потеря предварительного напряжения до 5 %.

а – седловидное по аркам; б – то же, с опиранием на изогнутый контур; в – гиперболический параболоид (гипар) с жестким контуром;

г – то же, с контуром в виде троса-подпора; д – то же, по вертикальным аркам; е – покрытие с опиранием на жесткий опорный диск или объем и наклонную арку; ж – тентовое покрытие с опиранием на жесткий диск и устойчивую стенку; и – то же, с опиранием на несущие и стабилизирующие тросы; к – покрытие, опертое по продольной оси на два главных троса пролетом 126 м; 1 – несущие тросы; 2 – предварительно напряженные стабилизирующие тросы; 3 – жесткий опорный контур; 4 – оттяжки; 5 – стойки-оттяжки; 6 – опорные мачты; 7 – трос-подбор; 8 – опорные арки; 9 – опорный объем; 10 – тент; 11 – устойчивая стена; 12 – опорный узел; 13 – железобетонные балки-распорки; 14 – главные тросы, поддерживающие сетчатое покрытие.

рис. 1. Висячие предварительно напряженные покрытия облегченного типа.

Другим, не менее существенным недостатком предварительно напряженных конструкций является увеличение трудозатрат на изготовление, а также большой расход металла на анкерные устройства и элементы, предотвращающие провисание затяжек. В месте крепления анкерных устройств предварительное напряжение в затяжке, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, создает в стенке балки локальные напряжения, превышающие предел текучести материала. Это увеличивает вероятность хрупкого разрушения металла и снижения выносливости конструкций. В процессе изготовления балок центр тяжести затяжки должен находится строго по центру тяжести сечения. Смещение приводит к депланации и потере общей устойчивости. Разработаны многочисленные способы предварительного напряжения балок:

конструкций ограждения;

листовых;

перекрестно-стержневых;

вантовых конструкций

2. ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ.

Листовыми конструкциями называются такие конструкции, в которых стальные листы составляют главную часть сооружения, образуя стальные оболочки. Они предназначаются для хранения газообразных, жидких или сыпучих тел или их технологической переработки. От типа и размеров листовых конструкций зависят их эксплуатационные качества (величина потерь от испарения жидкостей, хранимых в резервуарах; эксплуатационные расходы резервуарных и газгольдерных парков; надежность и долговечность конструкций; расходы на защиту от коррозии и др.) и стоимость строительства, определяемая расходом металла и других строительных материалов, топлива, электроэнергии, а также затраты труда и транспортные расходы при изготовлении, перевозке и монтаже конструкций. Экономия металла, обеспечение технологичности при изготовлении, ускорение монтажа и улучшение эксплуатационных качеств листовых конструкций являются основой их рационального проектирования. Листовые конструкции по сравнению с другими металлическими конструкциями имеют следующие основные особенности: Швы листовых конструкций должны удовлетворять требованиям не только прочности, но и плотности (непроницаемости), и качество их должно быть еще выше, чем в обычных строительных конструкциях. Листовые конструкции представляют собой сплошные тонкостенные емкостные конструкции, что обусловливает их двухосное напряженное состояние, тогда как стержни сквозных строительных конструкций испытывают обычно одноосное напряженное состояние. В сопряжениях различных оболочек листовых конструкций и в защемлении оболочек у колец жесткости и у днищ возникают локальные напряжения краевого эффекта, которые необходимо учитывать при проектировании. Листовые конструкции всегда совмещают функции несущих и ограждающих конструкций. Условия работы листовых конструкций весьма разнообразны: они могут быть надземными, наземными, полузаглубленными, подземными; могут воспринимать статическую и динамическую нагрузки, работать под низким, средним и высоким давлением, под вакуумом, под воздействием низких (от —254 до —40°С), средних (от —40 до +200°С) и высоких (более 200° С) температур, под действием нейтральных и агрессивных сред и т. д. Листовые конструкции характеризуются относительно большой протяженностью соединений, превышающей на одну тонну примерно вдвое протяженность швов обычных металлоконструкций. При изготовлении листовых конструкций применяются операции, не требующиеся при производстве обычных металлоконструкций: фасонный раскрой листового проката; вальцовка листовых заготовок, обечаек и колец; изготовление рулонных заготовок; штамповка, отбортовка и обкатка габаритных выпуклых днищ; сборка и сварка габаритных цилиндрических конструкций на роликовых стендах и др. Основной тип сварных соединений листовых конструкций —соединение встык, причем все швы должны выполняться либо двусторонней сваркой, либо односторонней сваркой с подваркой корня или на подкладке. Для цилиндрических и шаровых листовых конструкций, работающих под высоким давлением, применяются крупноразмерные листы шириной до 3000 и длиной до 9000 мм. Возможность использования для листовых конструкций толщиной до 4 мм рулонной холоднокатаной стали по ГОСТ 8596—57 шириной 1500—2300 мм и для конструкций толщиной до 10 мм— рулонной горячекатаной стали по ГОСТ 8597—57 шириной 1500—2300 мм. Автоматическая сварка применяется при монтаже негабаритных листовых конструкций. Электрошлаковая сварка применяется при монтаже для вертикальных стыковых швов и швов, расположенных под углом до 45°, в конструкциях из листов толщиной 20—50 мм. Возможность использования для специальных листовых конструкций не только стали, алюминия и алюминиевых сплавов, но и биметалла, меди, латуни, титана, никеля, металлопласта и других материалов. Развитие листовых металлических конструкций позволит внедрить двуслойные и трехслойные корпуса вертикальных цилиндрических резервуаров большой емкости, крупные шаровые резервуары, трубопроводы высокого давления, аппараты нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Возможно также использование предварительного напряжения листовых конструкций путем обжатия оболочки высокопрочной проволокой.

В листовых конструкциях применяются все четыре основных типа сварных соединений: угловое соединение, встык; впритык; внахлестку.

Соединение встык без накладок обеспечивает наибольшие возможности для экономии металла и электродной проволоки, оптимальные условия работы, а также наилучшие условия для контроля качества швов и околошовной зоны физическими методами. Швы габаритных стальных листовых конструкций, выполняемые на заводе металлоконструкций, проектируют обычных сечений. Соединения выполняют автоматической и полуавтоматической дуговой сваркой. Большинство листовых конструкций являются тонкостенными оболочками вращения. Рассчитывают оболочки методами теории упругости и теории оболочек. Листовые конструкции рассчитывают на прочность, устойчивость и выносливость.

Различают следующие виды листовых конструкций:

газгольдеры — для хранения и распределения газов;

резервуары для хранения воды, % нефтепродуктов и других жидкостей;

бункеры для хранения сыпучих тел (руды, угля, цемента и т. п.);

специальные конструкции металлургической, химической и других отраслей промышленности (домны, воздухонагреватели, автоклавы, различные крупные химические аппараты и т. д.);

трубы и трубопроводы больших диаметров, используемые на металлургических, химических и других заводах, гидроэлектростанциях и т. д.

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы они делятся на: