Совершенствование методов расчета и новые конструктивные формы мембранно-стержневых и вантовых сооружений



Статья посвящена разработке новых форм быстровозводимых предварительно напряжённых мембранно-стержневых и вантовых сооружений многоцелевого назначения. Предлагаемые системы изготовлены из алюминия или стали, поэтому являются капитальными сооружениями, отличающимися высокими технико-экономическими показателями при пролетах до 100 метров.

Студенты 4 курса Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. под руководством профессора кафедры ТСК Кима Алексея Юрьевича разработали несколько вариантов мембранно-стержневых и вантовых покрытий быстровозводимых сооружений универсального назначения. Публикаций в нашей стране на данную тему очень мало, поэтому данная тема является актуальной.

В области теории сооружений последние пятьдесят лет в СССР, а потом Российской Федерации интенсивно развивались теоретические и экспериментальные исследования по выявлению действительной работы металлических сооружений. Они складывались из следующих разделов: методы расчета по предельным состояниям с использованием теории вероятности; методы статического и динамического расчета конструкций с учетом нелинейных факторов; развитие и разработка новых математических методов исследования облегчённых металлических конструкций с использованием ЭВМ. [1, c. 48]

Совершенствование методов расчета — одна из необходимых предпосылок эффективности строительства. Необходим учет пространственной работы сооружения, выбор расчетной модели с учетом физической, геометрической и конструктивной нелинейности системы, анализ нелинейной упругости, ползучести и релаксации материалов и т. д. Надо исследовать всё то, что сказывается на экономичности, надежности и долговечности сооружений. Расчет авторы данного сооружения вели с помощью программного комплекса Лира-Сапр. [2, c. 3]

Разработанное авторами статьи пространственное предварительно напряжённое сооружение содержит внешнее опорное кольцо и облегчённое мембранно-стержневое покрытие с нижней вогнутой и верхней выпуклой мембранами. Мембраны закреплены во внешнем опорном кольце и усиленными канатами, соединёнными между собой распорками (См. рис. 1). [3, c.9].

Опорное кольцо покрытия сооружения выполнено сквозным в виде шарнирно-стержневой фермы, опёртой на внутренние колонны и имеющей прямоугольное или шестиугольное очертание в плане.

Предварительно напряжённое мембранно-стержневое покрытие сооружения, с целью повышения жесткости мембран и их долговечности, может быть усилено за счёт пневматического эффекта. В этом случае сооружение снабжено воздухонагнетательным вентилятором с воздуховодами и датчиками давления воздуха. Сооружение имеет мембранно-стержневое покрытие с нижней вогнутой и верхней выпуклой мембранами, закрепленными во внешнем опорном кольце. Мембраны соединены между собой распорками, которые образуют герметически замкнутую полость с избыточным давлением воздуха. [5, c. 9]

В случае, когда мембранно-стержневое покрытие сооружения выполнено пневматическим, необходимое предварительное напряжение его может быть достигнуто за счёт избыточного давления воздуха пневмолинзы и число распорок в двухпоясном покрытии может быть уменьшено. Наибольший экономический эффект достигается тогда, когда распорки в пневматическом покрытии вообще отсутствуют (См. рис. 2). [4, c.197]

В отличие от воздухоопорных сооружений, линзообразные пневматические сооружения не требуют герметизации внутреннего помещения и устройства шлюзов.

На рис. 3 показано сооружение с оконным витражом, расположенным по внешнему контуру покрытия, на рис. 4 — интерьер внутреннего помещения.

Научным руководителем авторов статьи разработан алгоритм расчёта пространственных предварительно напряжённых линзообразных покрытий сооружений больших пролётов шаговым методом последовательных нагружений с поэтапным применением метода конечных элементов [6, c. 276].

Относительно низкая материалоемкость и стоимость сооружения в сочетании с надежностью и долговечностью конструкций обеспечивают высокую экономическую эффективность сооружения.

Рис. 1. Расчетная схема мембранно-стержневого сооружения

Рис. 2. Расчетная схема мембранно-канатного сооружения

За рубежом построено более 100 тысяч мембранно-пневматических сооружений различного типа благодаря их низкой себестоимости.

Расход стали в капитальных сооружениях со стальным мембранно-пневматическим покрытием при пролетах порядка 70 м обычно в несколько раз меньше, чем в сооружениях с традиционным покрытием. При этом, чем больше пролет покрытия, тем меньше материалоемкость мембранно-пневматических сооружений по сравнению с традиционными. (См. рис. 3)

Рис. 3. Быстровозводимое мембранно-пневматическое сооружение, усиленное канатами

Алгоритм расчёта позволяет учитывать геометрическую и конструктивную нелинейность системы. На каждом шаге приращения параметров системы применяется итерационная процедура Эйлера-Коши третьего порядка точности.

Рис. 4. Внутренний интерьер мембранно-пневматического сооружения

Достаточную для инженерных расчётов точность результатов можно получить итерационным расчётом уже при одном шаге нагружения. В тех случаях, когда канаты могут временно выключаться из работы, осуществляется многошаговый процесс расчёта системы. [7, c. 208]

Авторы статьи надеются, что разработанные сооружения найдут достойное применение в современной инфраструктуре Российской Федерации.

Литература:

1. Ермолов В. В. Воздухоопорные здания и сооружения/В. В. Ермолов М.: Стройиздат, 1980. — 304 с.
2. Ким А. Ю. Мембранно-каркасное воздухоопорное сооружение/А. Ю. Ким Саратовский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды. Саратов. 1997. — 4 с.
3. Ким А. Ю. Мембранно-каркасное воздухоопорное сооружение средних пролетов/А. Ю. Ким. СГАУ. Саратов. 1995. — 12 с. Библиограф. 3 названия. Рукопись депонирована в ВИНИТИ РАН 09.08. 95, № 2410 — В95.
4. Ким А. Ю., Нургазиев Р. Б. Расчёт пространственных мембранно-стержневых систем/А. Ю. Ким, Р. Б. Нургазиев. СГАУ. Саратов. 2001. — 201 с. Монография депонирована в ВИНИТИ РАН 31.08.01 № 1916- В2001.
5. Ким А. Ю. Патент РФ № 2095534 на изобретение «Мембранно-каркасное воздухоопорное сооружение»/А. Ю. Ким. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 10 ноября 1997 г.- 12 с.
6. Ким А. Ю. Статический и динамический расчёт воздухоопорных и линзообразных мембранно-пневматических систем/А. Ю. Ким Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова. Монография деп. в ВИНИТИ РАН № 909 В2003 от 12.05.03. — 308 с.
7. Ким А. Ю. Численное исследование нелинейных мембранно-пневматических систем/А. Ю. Ким. СГАУ. Саратов, 2001. — 263 с. Монография депонирована в ВИНИТИ РАН 28.04.01 № 1122- В2001.