Металлические купола

Белгородский государственный технологический

 университет имени  В.Г.Шухова.

 

 

 

 

 

Реферат на тему: «Металлические купола»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент: Можайцев.Д.Г

Проверил: Дрокин.С.В

 

 

 

 

 

 

 

 

Белгород 2015г.

Актуальность проблемы. Различным областям народного хозяйства требуются здания с большими пролетами и высотами внутренних помещений. Такие сооружения необходимы для размещения ряда новых производств с частой сменой технологических схем и процессов, а также для сборочных цехоз и укрытий крупных технических объектов, таких как: океанские и морские суда, дирижабли, космические аппараты, генераторы импульсного напряжения, радиотелескопы и др. Большие пролеты необходимы также для многих общественных зданий - выставочных павильонов, крытых стадионов, залов собраний. В связи с освоением, • огромных пространств Сибири и Дальнего Востока в перспективе возникает еще одна важная область применения большепролетных конструкций - создание крытых населенных пунктов в районах с крайне суровыми климатическими условиями.

Использование традиционных плоскостных конструкций для покрытий проле- -том 60 - 100 м приводит к повышенному расходу материалов, большим трудозатратам при изготовлении и длительным срокам возведения. Пролеты более 100 м для рамно-балочных конструктивных схем практически недоступны.

Опыт проектирования и строительства показывает, что одной из наиболее рациональных конструктивных форм большепролетных покрытий, наряду с висячими конструкциями, являются металлические купола, особенно сетчатые купола-оболочки. Однако, применяемое конструкции сетчатых куполоз недостаточно технологичны в изготовлении и монтаже; кроме того, принципы их геометрического построения и используемые конструктивные решения позволяют создавать лишь простейшие формы поверхности - круговой цилиндр и сферу, что ограничивает возможности поиска оптимальных конструктивных и архитектурно-композиционных решений.

Потребность в большепролетных покрытиях непрерывно возрастает, поэ- . тому создание экономичных, технологичных в изготовлении и монтаже конструкций металлических куполов с различной формой поверхности и очертанием в плане является важной для народного хозяйства проблемой.

Целью работы является разработка новых принципов конструктивного формообразования и совершенствование методов расчета большепролетных купольных покрытий.

Для достижения этой цели:

• выполнен анализ современного состояния проектирования и строительства большепролетных куполов;

• проведено сравнение двух основных конструктивных схем ютюлов по показателю расхода стали; . <

• разработаны новые методы геометрического формообразования односет-чатых и двухсетчатых куполов-оболочек переменной кривизны;

• разработаны и внедрены в практику строительства новые конструктивные решения металлических куполов-оболочек, отличающиеся экономичностью, повышенной технологичностью изготовления и монтажа; 4

• предложены новые методы статического расчета, в том числе, с учетом геометрической и физической нелинейности;

• разработана лракточеская методика проверки устойчивости куполов;

• выполнено исследование долговечности и надежности сетчатых и ребристо-кольцевых куполов, сечения которых подобраны по нормативной методике;

• предложена методика подбора сечений по критерию равнонадежнасти стержневых элементов.

Объектом исследования являются металлические купола как конструктивная форма большепролетных покрытий промышленных и гражданских зданий. Результаты исследования могут быть использованы также при создании некоторых других специальных сооружений, например, башенных градирен.

Научная новизна работы' заключается в том, что "впервые:

• разработаны методы геометричесхого формообразования односетчатых и двухсетчатых оболочек, обеспечивающие возможность создания поверхностей переменной положительной и отрицательной гауссовой кривизны;

• разработан интерполяционный метод расчета, позволяющий изучать напряженно-деформированное состояние многоэпементных сетчатых оболочек с любой заданной точностью;

• разработаны теоретические основы учета физической и конструктивной нелинейности при расчете двухпоясных куполов с произвольным законом деформирования стержневых элементов;

• поставлены и решены задачи устойчивости односетчатых сферических оболочек по континуальной и дискретной расчетным схемам с учетом начальных несовершенств формы и неравномерности загружения;

• предложен критерий оценки нормативной жесткости, обеспечивающий устойчивость куполов;

• методом статистических испытаний получены оценки надежности и долговечности куполов, запроектированных по действующим строительным нормам и правилам.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

• разработаны и использованы в строительстве новые конструктивные решения односетчатых и двухсетчатых куполов с любой формой поверхности и конфигурацией плана при минимальном количестве типоразмеров стержневых элементов и узловы:: деталей;

е разработана методика назначения основных конструктивных параметров;

• обоснована и практически доказана возможность навесной сборки большепролетных сетчатых куполов крупными блоками полной стоительной готовности без вспомогательных опор. Разработана и апробирована практическая методика расчета геометрических параметров монтажных блоков с учетом их деформации во время монтажа, а также методика корректировки геометрических размеров по данным геодезических измерений формы поверхности;

• все разработанные методики геометрического и статического расчета, методики оценки, надежности' и долговечности реализованы в виде программ для ЭВМ и использовались при проектировании реальных сооружений.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

• новые конструктивные решения металлических сетчатых куполов-оболочек;

• результаты сравнительного анализа металлоемкости ребристо-кольцевых и сетчатых куполов;

• методы формообразования односетчатых оболочек с произвольной формой поверхности и очертанием в плане;

• метод геометрического формообразования двухсетчатых оболочек вращения из однотипных пространственных блоков;

• обобщенный подход к расчету геометрических параметров пространственных конструкций, включающий решение задачи моделирования процесса монтажа и оценки на'.-альных несовершенств формы;

» интерполяционный метод расчета, позволяющий изучать напряженно-деформированное состояние больших стержневых систем с необходимой для практики точностью;

• способ регулирования усилий в двухсетчатых куполах при навесной сборке;

• основы методикирасчета большепролетных двухпоясных куполов с учетом конструктивной и физической нелинейности работы стержневых элементов;

• • методика проверки устойчивости сетчатых сферических оболочек;

• принцип назначения изгибной жесткости куполов, гарантирующей их устойчивость и оптимальное использование прочностных свойств материала;

• . практическая методика оценки надежности и долговечности пространственных конструкций.

Внедрение результатов работы. На основе проведенных исследований под руководством и с участием автора разработаны проекты около двадцати металлических сетчатых куполов различных пролетов и назначения.

Структура диссертационной работы подчинена цели наиболее полно и ясно изложить основные результаты работы. Она включает четыре необходимых и взаимосвязанных между собой направления исследований, а именно:

• анализ существующих и разработка новых конструктивных решений металлических сетчатых куполов (главы 1, 2 и 4);

• исследование методов геометрического формообразования односетчатых и двухсетчатых оболочек с переменной кривизной поверхности (глава 3);

совершенствование методов расчета и изучение напряженно-деформированного состояния в линейной постановке (глава 5), а также с учетом геометрической (глава 6) и физической нелинейности (глава 7);

• сравнительная оценка надежности металлических куполов (глава 8).

Принцип построения каркасной пространственной купольной конструкции известен человечеству с древнейших времен. Купола строились из естественного природного материала - древесины. Сталь впервые была использована в 1811 году при сооружении купола, перекрывающего центральную часть зернового рынка в Париже. С тех пор металл является основным конструкционным материалом для куполов.

Широкое распространение металлические купола получили благодаря следующим качествам:

• выпуклая форма поверхности обеспечивает снижение снеговых нагрузок вдвое по сравнению с плоскими покрытиями;

• ветровая нагрузка распределяется равномерно, ее равнодействующая направлена вверх, противоположно вектору гравитационных сил;

• статическая схема рациональна - напряженное состояние от действия основных нагрузок характеризуется относительно равномерным распределением преимущественно осевых усилий в стержневых элементах каркаса;

• купола дают архитекторам возможность создания выразительных пространственных композиций; . _ ..

• ^ в купольных покрытиях лепсо реализуется принцип совмещения функций несущих и ограждающих конструкций;

• строительная высота купольной конструкции минимальна, перекрываемая площадь и внутренний объем могут быть рационально использованы.

Купола диаметром 15 - 40 м конкурентноспособны с любыми плоскостными конструкциями. При увеличении пролета их преимущества возрастают.

Конструктивные схемы металлических куполов можно разделить на три типа: ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые.

На примерах коккрзтных сооружений показано, что до конца девятнадцатого века строились исключительно ребристые купола .Затем, постепенно они были вытеснены ребристо-кольцевыми. С появлением сетчатых схем начался следующий этап совершенствования конструктивной формы металлических куполов. Первые сооружения появились еще в двадцатые годы, однако массовый характер строительство сетчатых куполов приобрело в послевоенные годы,

Сетчатый купол является частным случаем сетчатой оболочки. Сетчатая оболочка может иметь произвольную форму поверхности. Сетчатую оболочку называют сетчатым куЛолом, если ее форма представляет собой выпуклую вверх поверхность, перекрывающую близкую к кругу площадь. В работе используется термин "сетчатая оболочка" в тех случаях, когда результаты исследований полностью справедливы как для сетчатых куполов, так и для более широкого класса конструкций - сетчатых оболочек.

Большой вклад в развитие этой конструктивной формы большепролетных . покрытий внэсли Берке, Дю Шато, Клеппель, Ледерер, Линд, Маковский, Маппет, Менгерингхаузен, Пиньеро, Райт, Рюлле, Фуллер, Юнгблют, и др. Вопросам конструктивного формообразования и развитию методов расчета посвящен ряд работ росийских ученых: В.В.Ермолова, ААЖуравлева, С.А.Иванова, А.Н.Косо-лапова, Е.ВЛебедя, И.В.Ломбардо, М.ЕЛипницкого, Л.НЛубо, Ю.А.Мелагона, И.В.Молева, Р.И.Молевой, Б.Г.Мухина, Г.Н.Павлова, ВЛ.Посяникова, ГА.Пше-ничного, Б .А.Сперанского, В.Д.Таирова, М.С.Туполева, В.И.Тура, Р.И.Хисамова и др.

Металлическими сетчатыми куполами перекрыты самые большие однопро-летные здания в мире. Достигнутый уровень распространения характеризуется "следующими цифрами: построены тысячи сооружений с сетчатыми покрытиями пролетом до 60 метров, сотни - пролетом от 60 до 100 метров и десятки - 100 и более метров. Покрытия пропетом до 100 м проектируются, как правило, односет-чатыми (однопоясными), свыше 100 м - двухсетчаггыми (двухпоясными). Максимальный пролет - 265.5 м имеет купол крьггого стадиона в Г.Детройт (США).

Монтаж, куполов в основном производится поэлементно с использованием вспомогательных лесов и подмостей. Отдельные сооружения смонтированы навесным методом.

Обращено внимание на то, что подавляющее большинство металлических куполов, особенно при пролетах более 100 м, очерчены по сферической поверхности; методы геометрического формообразования оболочек с переменной кривизной поверхности не разработаны. -

Отмечена изелючительная трудность решения задачи узлового соединения элементоз сетчатых оболочек. Она объясняется тем, что в сетчатых оболочках в отличие от плоскостных систем оси стержневых элементов не только не лежат в одной плоскости, но в каждом из узлов имеют различные комбинации взаимного расположения в пространстве. Это существенно усложняет выполнение несущих и ограждающих элементов и, кроме того, приводит к увеличению количества их типоразмеров; поэтому изготовление многих конструкций сетчатых куполов, получивших распространение за рубежом; производилось с применением специального оборудования, которое отсутствует на отечественных заводах строительных металлоконструкций.

С конструктивной точки зрения ребристые и ребристо-кольцевые купола мало чем отличаются друг от друга. Кольцевые элементы присутствуют в обеих конструкциях. Разница заключается в том, что в ребристо-кольцевых куполах кольца наряду с ребрами являются элементами основного несущего каркаса, воспринимая продольные усилия. В ребристых же куполах горизонтальные кольца являются всего лишь вспомогательными элементами - кровельными прогонами, поэтому они должны быть присоединены к ребрам таким образо/л, чтобы передавать только вертикальный реакции, не шраничивая свободу перемещения ребра в радиальном направлении. Но, кроме того, прогоны должны выполнять функции распорок, соединяющих ребра со связями, и тем самым обеспечивать их устойчивость из плоскости. Конструктивно совместить выполнение этих условий затруднительно, поэтому, как только появились расчетные методы достоверной оценки степени включения кольцевых элементов в работу каркаса, ребристые купола уступили в практике строительства место ребристо-кольцевым. Можно определенно утверждать, что ребристо-кольцевая схема как по металлоемкости, так и по показателям технологичности изготовления и монтажа предпочтительнее ребристой.Преимущество же сетчатых куполов перед ребристо-кольцевыми не столь очевидно. Сетчатые купола, являясь пространственными фермами, хорошо воспринимают несимметричные нагрузки и обладают повышенной жесткостью и устойчивостью. Вместе с тем, они более многодельны, чем ребристо-кольцевые, так как имеют большее число стержневых элементов и более сложные узловые соединения.