Металлические купола

В восьмой глава дан анализ современного состояния норм проектирования металлических конструкций и приведены результаты сравнительной оценки надежности двух схем металлических куполов: ребристо-кольцевой и сетчатой.

В настоящее время является общепризнанным, что поведение реальной конструкции обусловлено взаимодействием многих случайных факторов, поэтому обоснованный подход к определению надежности и долговечности конструкций возможен только с позиций вероятностных методов. В современной трактовке под надежнстью строительных конструкций понимается способность сохранять эксплуатационные качества в заданных пределах в течение определенного времени. Мерой надежности является вероятность безотказной работы, которая может принимать любые значения в пределах от нуля до единицы. Применительно к строительным конструкциям отказ трактуется как событие, после которого невозможна нормальная эксплуатация здания или сооружения без проведения соответствующих ремонтных или восстановительных работ. Отказы вызваны влиянием случайных факторов, которые либо были заложены в систему при ее изготовлении и возведении, либо возникли и воздействуют на нее в процессе эксплуатации.'.

Трактовка отказа как случайного события во времени является основной предпосылкой построения теории надежности. Наиболее полную информацию о поведении системы во времени содержит функция надежности, которая определяет вероятность безотказной работы в любой момент времени.

Для построения функции надежности металлических куполов в работе использован метод статистических испытаний (Монте-Карло), который обладает целым рядом особенностей, выгодно отличающим его от других известных в настоящее время вычислительных методов: наглядная вероятностная ^трактовка, применимость к исследованию систем принципиально любой сложности, простая вычислительная схема, возможность оценки точности получаемых результатов, малая чувствительность к отдельным ошибкам, отсутствие накопления .ошибок, малая связность статистических алгоритмов. Метод статистических испытаний наиболее перспективен для исследования таких реальных процессов, аналитическое исследование которых либо чрезвычайно громоздко, либо вообще невозможно. Единственным существенным недостатком метода Монте-Карло является большой объем вычислений и, следовательно, большой расход процессорного времени ЭВМ. Однако, вычислительная техника развивается настолько быстрыми темпами, что ситуация в последние годы изменилась кардинальным образом. В настоящее время исследование надежности сложных строительных конструкций может быть выполнено не персональном компьютере. Время, необходимое для выполнения требуемого количества испытаний, обеспечивающего достаточную точность вычислений, не превышает времени подготовки и ввода в компьютер исходных данных для обычного статического расчета той же конструкции.

Разработана программа TEST, реализующая методику статистических испытаний металлических куполов- с любой расчетной схемой. В качестве исходных данных используются иззестные распределения нагрузок и усилия в стержнях каркаса от нагрузок единичной интенсивности. В программе TEST учтены случайные изменения следующих величин: площади сечения, предела текучести стали, эксцентриситета приложения продольного усилия для каждого из стержней конструкции, абсолютных величин постоянной, снеговой и ветровой нагрузок, степени неравномерности распределения снеговой нагрузки по поверхности купола, ориентации максимума снеговой нагрузки, направления ветра. Дискретизация непрерывного временного процесса загружения произведена с интервалом один месяц.

По программе TEST выполнено большое число серий статистических испытаний полусферических куполов диаметром 130 м, сечения которых, подбирались по нормативной методике для различных снеговых нагрузок. Рассмотрены две расчетные схемы - ребристо-кольцевая и сетчатая. Экспериментальные зависимости средней долговечности от величины нормативной снеговой нагрузки для обеих расчетных схем практически совпадают. Запроектированные для одних и

700 .в '

- 650 о

7 650 в

а 500 о

о 400 Ч

•с 300 х

Ч 250 •

& 200 о

150 100

500 1000 1500 2000 2500 3003

нормативная снеговая нагрузка (Па)

Испытания показали, что подбор сечений по нормативной методике не обеспечивает равнонадежности стержневых элементов куполов, т.к. преобладают отказы всего лишь одного-двух стержней каркаса. Предложена методика подбора сечений по критерию равнонадежности, которая позволяет при том же расходе стали добиться увеличения средней долговечности конструкции в полтора-два раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ зарубежного опыта строительства  металлических куполов показывает, что эта конструктивная форма  большепролетных покрытий получила  большое развитие. Построены тысячи  зданий и сооружений различного  назначения пролетом до 100 м. Наиболее  часто используются разнообразные  схемы односет-чатых и двухсетчатых  куполов. Ребристые купола используются  в настоящее время редко и  для перекрытия небольших пролетов. Самые большие однопролетные  здания в мире пролетом 200 и  более метров перекрыты сетчатыми  куполами.

2. Выполнено сравнение металлоемкости  двух расчетных схем полусферического  купола в широком диапазоне  размеров и нагрузок. Сравнение  показало, что металлоемкость сетчатых  куполов практически не зависит  от величины нормативной ветровой  негрузки, тогда как расход стали  ребристо-кольцевых куполов возрастает  на 15 - 40 % с ее увеличением. Во всем  диапазоне нагрузок и пролетов сетчатые купола имеют меньший расход стали, чем ребристо-кольцевые. Причем, при

малых величинах скоростного напора ветра (230 - 380 Па) разница показателей незначительна, но быстро растет с его увеличением.

3. Разработано и внедрено в практику строительства новое конструктивное решение каркасно-обшивных односетчатых алюминиевых оболочек, а также методы их геометрического формообразования: метод сетей с равносторонними ячейками и метод изометрического преобразования, которые позволяют из сборных элементов с ограниченным количеством типоразмеров создавать покрьпия пролетом от 20 до 60 метров с любой формой поверхности и очертанием в плане.

4. Разработан метод геометрического  формообразования двухсетчатых  оболочек вращения с любой  формой меридиана из однотипных  двухпоясных элементов. Теоретически  обоснована и практически доказана  осуществимость навесного монтажа  большепролетных сетчатых куполов  крупными блоками полной строительной  готовности без вспомогательных  опор. Установлено, что областью  рационального применения этого  решения являются покрытия пролетом  от 60 до 500 метров, а также башенные  градирни высотой 100 - 250 м.

Предложен и реализован в программе GECON общий метод решения геометрических задач проектирования пространственных металлических конструкций.

5. Обоснована возможность эффективного  использования метода дискретного  аналога для статического линейного  расчета больших стержневых систем  при решении оптимизационных  задач и вариантном проектировании.

Разработан приближенный интерполяционный метод расчета регулярных стержневых конструкций типа структурных плит и сетчатых оболочек, который дает возможность осуществлять линейный расчет любых по сложности пространственных систем, с учетом необходимой для каждой конкретной задачи точности вычислений и технических возможностей используемой вычислительной техники.

6. На основе анализа существующих методик проверки устойчивости сетчатых оболочек показано, что известные решения, основанные на использовании критерия нижней критической нагрузки и полученные в предположении упругой работы материала дают завышенные значения критических нагрузок. Для практических расчетов рекомендуется применять верхнюю критическую нагрузку, которую следует определять с учетом несовершенств формы, неравномерности загружсния и величины предела текучести материала. - . ,

7. На основе проведенных исследований  зависимости верхней критической  нагрузки от параметра относительной  густоты сети установлены границы  применимости континуальной и  дискретной расчетных схем. Разработан  метод дискретного расчета пологих  шарнирно-сгержневых оболочек, основанный  на использовании симметрии пологих  сетчатых поверхностей с ячейками, близкими к равностороннему треугольнику. С использованием этого метода  исследованы кососим-метричные формы  потери устойчивости. Выявлено существование  вторичных бифуркационных точек в системах, имеющих начальные несовершенства формы при неравномерном загружении.

Установлена возможность существенного повышения устойчивости одно-сетчатых оболочек путем создания больших начальных отклонений отдельных узлов каркаса.

Предложен критерий нормативной жесткости сетчатых оболочек, гарантирующий устойчивость и обеспечивающий высокий уровень коэффициента использования прочностных свойств материала.

3. Разработана практическая методика  пассивного перераспределения усилий  между поясами большепролетных  двухсетчатых куполов за счет  неупругой податливости узловых  соединений.

Предложен и экспериментально проверен конструктивный прием, обеспечивающий контролируемую величину узловой податливости.

9, Разработан алгоритм расчета  двухпоясной фермы с .треугольной решеткой на заданные перемещения ее торцов при произовольной диаграмме деформирования поясной панели. Использование этого алгоритма в программе, реализующей один из итерационных алгоритмов, позволяет выполнять анализ напряженно-деформированного состояния большепролетных двухсетчатых конструкций с учетом реальных характеристик физичесхой и конструктивной нелинейности работы элементов каркаса.

10. Разработана методика исследования  надежности и долговечности пространственных  стержневых конструкций методом  статистических испытаний. Методика  реализована в программе TEST для IBM-совместимых  персональных компьютеров. Установлено, что при построении экспериментальной  фунгции надежности с точностью, равной точности исходных данных, достаточно выполнить 400 испытаний. Исследования, выполненные по программе TEST, показали, что запроектированные  для одних и тех же условий  по нормативной методике, ребристо-кольцевой  и'сетчатый купола равнонадёжны, ко равнонадежность. обеспечивается при большем расходе стали у ребристо-кольцевых куполов. Для обеих

схем куполов функция надежности может быть аппроксимирована экспоненциальным законом.

На основе информации о распределении отказов в различных типах стержней разработана методика подбора сечений по критерию равнокадежности. Она позволяет добиться при том же расходе стали увеличения средней договечности конструкций примерно в полтора-два раза.

11. Статистика аварий показывает, что чаще всего обрушения конструкций  связаны не с естественным  разбросом случайных парметров, а с нарушением норм и технических  условий. Ошибки людей возникают  чаще, чем большие отклонения  прочности материала или нагрузок. Поэтому, уникальные большепролетные  покрытия, отказы которых приводят  к катастрофическим последствиям, необходимо проектировать живучими. Под живучестью понимается сохранение конструкцией способности воспринимать расчетную нагрузку при выходе из строя любого сплошностенчатого элемента.

Сформулированные и обоснованные в диссертации научные положения, разработанные методы и полученные результаты можно квалифицировать как теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы создания эффективных покрытий большепролетных зданий в виде металлических куполов, имеющей важное народнохозяйственное значение.