Проектирование и расчет мембранно-стержневых предварительно напряжённых сооружений

Данная работа посвящена разработке новых мембранно-стержневых предварительно напряжённых сооружений многоцелевого назначения.

Студенты 4 курса Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. В. под руководством профессора кафедры ТСК Кима Алексея Юрьевича разработали несколько вариантов мембранно-стержневых предварительно напряженных быстровозводимых сооружений универсального назначения.

Предлагаемые сооружения при пролетах до 100 метров отличаются высокими технико-экономическими показателями и могут быть успешно применены не только в промышленно-гражданском, но и в транспортном строительстве, например, при строительстве городских пешеходных мостов. Сооружение при этом состоит из ряда мембранно-стержневых перекрытий линейно-протяжённых и прямоугольных в плане. Но если в покрытиях зданий больших пролётов стальные мембраны могут иметь толщину, равную 1–2 мм, то в пешеходных мостах, где нагрузка в несколько раз больше, мембраны должны составлять не менее 5 мм, а в автодорожных мостах — 10 мм и более. [2, c. 11]

Пространственное предварительно напряжённое сооружение содержит внешний опорный контур и облегчённое мембранно-стержневое перекрытие с нижней вогнутой и верхней выпуклой мембранами. Мембраны закреплены во внешнем опорном контуре и усилены канатами, соединёнными между собой распорками. Опорный контур сооружения выполнен в виде шарнирно стержневой фермы, опёртой на колонны, и имеет прямоугольное или шестиугольное очертание в плане (Cм. рис. 1,2).

Предварительно напряжённое мембранно-стержневое перекрытие сооружения, с целью повышения жесткости мембран и их долговечности, может быть усилено за счёт пневматического эффекта. В этом случае сооружение снабжается воздухонагнетательным вентилятором с воздуховодами и датчиками давления воздуха. Мембранно-стержневое перекрытие сооружения содержит нижнюю вогнутую и верхнюю выпуклую мембраны. Мембраны соединены между собой распорками и образуют герметически замкнутую полость с избыточным давлением воздуха. Мембраны перекрытия выполняются из металла или синтетических полупрозрачных плёнок в зависимости от назначения сооружения.

В отличие от воздухоопорных сооружений, линзообразные пневматические сооружения не требуют герметизации гибких оболочек и устройства шлюзов [1, с.4].

Уклон покрытия за счёт выпуклого очертания верхней мембраны обеспечивает необходимый водоотвод естественных осадков. Удаление снега с покрытия можно осуществлять подачей нагретого воздуха в пневмолинзу.

Относительно низкая материалоемкость и стоимость сооружения в сочетании с надежностью и долговечностью конструкций обеспечивают высокую экономическую эффективность сооружения. За рубежом построено более 100 тысяч мембранно-пневматических сооружений различного типа благодаря их низкой себестоимости. (См. рис.3)

Рис. 1. Опорный контур сооружения в виде стержневой фермы

Рис. 2. Расчетная схема сооружения, выполненного из металлических мембран

Рис. 3. Мембранно-стержневое сооружение

Расход стали в капитальных сооружениях со стальным мембранно-пневматическим перекрытием при пролетах порядка 60 м составляет в среднем 50 кг / кв. м., что в 3–4 раза меньше, чем в капитальных сооружениях традиционного типа. При этом, чем больше пролет перекрытия, тем меньше относительная материалоемкость мембранно-пневматических сооружений по сравнению с традиционными. [3, c.9]

Авторами разработан алгоритм расчёта пространственных предварительно напряжённых линзообразных перекрытий сооружений больших пролётов шаговым методом последовательных нагружений с поэтапным применением метода конечных элементов [5, с.334].

Алгоритм расчёта позволяет учитывать геометрическую и конструктивную нелинейность системы. На каждом шаге приращения параметров системы применяется итерационная процедура Эйлера-Коши третьего порядка точности. Достаточную для инженерных расчётов точность результатов можно получить итерационным расчётом уже при одном шаге нагружения. В тех же случаях, когда канаты могут временно выключаться из работы, требуется многошаговый процесс расчёта системы. Расчёты выполнены на ЭВМ типа ПК по программе на языке «VisualBasic». [4, c.68]

Приведём пример статического расчёта системы с диаметром 60 м. Стержни фермы — стальные трубы диаметром 20 см, диаметр канатов — 50 мм, распорки двухпоясных систем — трубы диаметром 15 см. Общее число узлов K=194, усилие в верхнем канате — 270 кН, усилие в нижнем канате — 420 кН. Высота сооружения H=16.087 м.

Толщина стальных мембран — 1,4 (мм). Модуль упругости стальных элементов всех групп E_S = 2,1E+05 (МПа).

Коэффициент температурного расширения стали ALT = 1,2E-05.

Силовая нагрузка — снеговая нагрузка q = 100 (кН/м²) по всей площади покрытия в виде сосредоточенных в верхних узлах сил P = 27000(H).

Внешний диаметр покрытия D = 60 (м).

Длина пролета системы L=42 (м).

Высота сооружения H=16.087 (м).

Длина панели LP=6 (м).

Число групп стержней GR=8; число узлов системы K=194.

Число узлов, имеющих искомое перемещение KH=176.

Номер первого промежуточного узла K1=177.

Площади поперечных сечений стержней соответствующих групп:

FS(1)=5.97E-04(м²);FS(2)=5.97E-04(м²);FS(3)=5.97E-04(м²);

FS(4)=2.34E-03(м²);FS(5)=3.88E-05(м²);FS(6)=4.9E-02(м²);

В случае, когда мембранно-стержневое перекрытие сооружения выполнено пневматическим, необходимое предварительное напряжёние перекрытия может быть достигнуто за счёт избыточного давления воздуха пневмолинзы, и число распорок в двухпоясном перекрытии может быть уменьшено. Наибольший экономический эффект достигается тогда, когда распорки в мембранно-пневматическом перекрытии вообще отсутствуют. Перекрытие при этом становится наиболее лёгким, материалоёмкость сооружения снижается, но появляется зависимость несущей способности перекрытия от технического состояния специального оборудования, а именно вентилятора и щелочного аккумулятора. (См. рис. 4)

РАСЧЁТНАЯ СХЕМА ПОКРЫТИЯ

Рис. 4. Расчетная схема шестиугольного мембранно-стержневого сооружения

При равномерно распределённой по покрытию снеговой нагрузке q = 100 кг/кв. м. прогиб в середине покрытия составил 0, 047 м. Канаты из работы не выключаются. На рис. 2 пунктирными линиями показана эпюра прогибов узлов верхних канатов. При этом введён повышающий масштабный коэффициент, равный 5. (См. рис.5)

Рис. 5. Эпюра прогибов узлов верхнего пояса сооружения

Авторы данного доклада надеются, что материалы их исследований заинтересуют ученых во многих странах Европы и данные виды сооружений займут достойное место при капитальном строительстве спортивных комплексов и сооружений культурно-развлекательного назначения.

Литература:

1. Ким А. Ю., Нургазиев Р. Б. Экспериментальное исследование статической работы линзообразного мембранно-пневматического покрытия на модели. Саратовский гос. агроинженерный ун-т, Саратов, 1997. — 12 с. Депонирована в ВИНИТИ РАН 09.09.97, № 2826 — В97.
2. Ким А. Ю., Нургазиев Р. Б. Проектирование мембранно-пневматических сооружений с использованием новых компьютерных технологий. Рекламный проспект. Изд-во Саратовского ЦНТИ, Саратов, 1998–15 с.
3. Ким А. Ю., Нургазиев Р. Б. и др. Моделирование статической работы цилиндрических воздухоопорных систем. Саратовский государственный агроинженерный университет, Саратов, 1998–8с., Депонирована в ВИНИТИ РАН 28.07.98, № 2436 — В98.
4. Петров В. В. Метод последовательных нагружений в нелинейной теории пластинок и оболочек. — Саратов: Изд-во СГУ, 1975. — 118 с.
5. Хауг Э. Проектирование и расчет пневматических конструкций с использованием метода конечных элементов. — В кн.: Пневматические строительные конструкции / В. В. Ермолов, У. Бэрд, Э. Бубнер и др. Под ред. В. В. Ермолова — М.: Стройиздат, 1983, с. 333–361.