КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Болдар Олена Леонідівна

УДК 624.074

ТРИШАРОВА ЗБІРНО-МОНОЛІТНА КОНСТРУКЦІЯ

КУПОЛЬНИХ ПОКРИТТІВ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському зональному науково-дослідному і проектному інституті по цивільному будівництву (ВАТ "КиївЗНДІЕП") Держбуду України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Волга Володимир Семенович,

ВАТ "КиївЗНДІЕП", керівник центру експериментального

проектування, будівництва і інвестицій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шмуклер Валерій Самуїлович, Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Максименко Валерій Петрович, Державний науково-дослідний інститут автоматизованих систем в будівництві, старший науковий співробітник відділу інформаційних технологій розрахунку несучих конструкцій будівель та споруд.

Провідна установа:

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ огороджувальних конструкцій будівель та споруд, Держбуд України, м. Київ.

Захист відбудеться 11 червня 2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 в Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський пр., 31.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський пр., 31.

Автореферат розісланий 6 травня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., с.н.с. Кобієв В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішим завданням будівельної науки і практики є створення ефективних і швидкозводимих конструкцій. Як відомо, вищою архітектурною формою покриттів будівель і споруд є куполи. З їхньою допомогою створюється повна єдність зовнішнього простору і внутрішнього об’єму конструкції. Купола вінчають більшість культових будинків і споруд практично всіх релігійних конфесій. Однак в умовах, що створилися в Україні, будівництво куполів проводиться без належного індустріального і нормативного забезпечення.

При зведенні куполів переважає використання стержневих конструкцій з металу і дерева і куполів-оболонок з залізобетону, армоцементу та ін. Якщо забезпечена надійна спільна робота каркаса і огороджуючих конструкцій, то стержневі куполи розглядають як оболонки. До такого типу куполів відносяться конструкції архітектурно-конструктивно-технологічної системи (АКТС) “ГІТОР”, розробленої в КиївЗНДІЕПі, які складаються з ребристо-кільцевого каркаса, розташованого на ньому плитного утеплювача і двох огороджуючих шарів гіпсобетону, що наносяться методом торкретування. Високі екологічні, технічні й експлуатаційні властивості матеріалів на гіпсових в'яжучих (легкість, міцність, вогнестійкість, здатність підтримувати оптимальний волого-повітряний режим), а також наявність великих сировинних ресурсів, роблять ефективним застосування гіпсу як в огороджуючих, так і в несучих конструкціях. Недоліками гіпсу є несумісність зі сталлю, що кородує в ньому навіть при захисті її цинком, а також зниження міцності гіпсу при зволоженні. Через це в конструкціях АКТС “ГІТОР” виникають складності по забезпеченню надійного зв'язку між зовнішнім і внутрішнім монолітними шарами гіпсобетону і зі сталевим каркасом. У зв'язку з цим, в роботі запропонована тришарова конструкція купола, у якій внутрішній монолітний шар замінений збірним шаром з будь-якого листового матеріалу, наприклад, із гіпсокартонних листів (ГКЛ), азбестоцементу, фанери і т.п., з’єднаного з плитним утеплювачем із мінеральної вати, пінополістиролу та ін. При зведенні монолітного шару збірна частина купола підтримується знімним тросо-кільцевим оснащенням. Напружено-деформований стан такої опалубної системи не досліджено. Тому розробка і наукове обґрунтування конструкції і способу зведення збірно-монолітних куполів із застосуванням незнімної опалубки є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи визначена дослідженнями, пов’язаними з розробкою куполів архітектурно-конструктивно-технологічної системи "ГІТОР" (шифр теми 147н/98, № державної

реєстрації 0102U003380), які проводились в Українському зональному науково-дослідному і проектному інституті по цивільному будівництву. Автор безпосередньо брала участь у виконанні цієї науково-дослідної роботи як співвиконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є створення ефективної конструкції збірно-монолітних куполів, що швидко зводяться, з матеріалів на гіпсових в'яжучих.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- розробити конструктивні і технологічні рішення, що забезпечують швидкий монтаж і достатню несучу здатність внутрішнього шару з ГКЛ у тришаровій збірно-монолітній конструкції куполів при укладанні гіпсобетону;

- розробити розрахункову скінченноелементну модель експериментального купола, що враховує умови його обпирання, закріплення вершини, піддатливість швів і вплив підсилюючих елементів при дії монтажного навантаження з використанням програмного комплексу (ПК) "Міраж";

- дослідити напружено-деформований стан збірної частини розробленої конструкції тришарового збірно-монолітного купола на стадії зведення його монолітного шару;

- провести випробування експериментального купола й оцінити адекватність розрахункової моделі;

- виконати доробку конструкції збірної частини купола на основі експериментальних і теоретичних досліджень його напружено-деформованого стану;

- розробити рекомендації з розрахунку, конструювання та зведення тришарових збірно-монолітних куполів.

Об'єкт дослідження: тришарова збірно-монолітна конструкція купола на стадії зведення.

Предмет дослідження: напружено-деформований стан збірної частини тришарового збірно-монолітного купола.

Методи дослідження. Для дослідження напружено-деформованого стану конструкції купола використовувався метод скінченних елементів (МСЕ). Для визначення жорсткісних характеристик скінченних елементів (СЕ) використовувались результати експериментальних досліджень зразків гіпсокартону. Достовірність результатів розрахунку оцінювалась шляхом порівняння з результатами випробувань конструкції експериментального купола в натуральну величину.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблено методику побудови розрахункової скінченноелементної моделі збірної частини купола, в якій характеристики СЕ задані виходячи з експериментальних досліджень гіпсокартону на стиск;

- отримано теоретичні й експериментальні дані про напружено-деформований стан збірної частини купола при поступовому навантаженні її поверхні вантажами, вага яких дорівнює вазі монолітного шару бетону.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено нову конструкцію і спосіб зведення тришарового збірно-монолітного купола "ГІПСОПЛАСТОН";

- розроблено методику побудови розрахункової скінченноелементної моделі збірної частини купола, що може бути використана при інженерних розрахунках;

- розроблено рекомендації з конструювання, розрахунку та зведення тришарових збірно-монолітних куполів типу "ГІПСОПЛАСТОН";

- результати теоретичних досліджень використані при проектуванні і зведенні КиївЗНДІЕПом по АКТС "ГІТОР" головного купола Мусульманського центру по вул. Лук'янівській в м. Києві.

Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, конструктивні і технологічні рішення при проектуванні, виготовленні й випробуваннях збірної частини купола належать особисто автору дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи розглядалися на Науково-технічній раді КиівЗНДІЕП у 1998-2002 р.р.; на 61-й науково-практичній конференції Київського національного університету будівництва і архітектури (24-27 квітня 2000 р.); на звітній науково-технічній конференції співробітників Луганського державного аграрного університету за підсумками наукової діяльності за 2000 рік (11-15 січня 2001 р.); міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених "Теорія та практика експериментальних досліджень будівель та споруд" (23-25 жовтня 2002 р., м. Суми); на конференції молодих вчених "Будівництво та архітектура третього тисячоліття" (19 листопада 2002 р., м. Київ) .

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 8 працях, в тому числі: 2 статтях у наукових журналах, 4 статтях у збірниках наукових праць, 1 у матеріалах конференції і 1 патенті України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Робота викладена на 179 сторінках, містить 120 сторінок основного тексту, 73 малюнка, 23 таблиці, 106 найменувань використаних літературних джерел на 10 сторінках і 3 додатки на 19 сторінках.

Автор хоче підкреслити, що особливу роль у підготовці дисертаційної роботи відіграв перший науковий керівник доктор технічних наук, професор М.Й. Коляков, який передчасно помер у розквіті своїх творчих сил, і висловлює глибоку скорботу з приводу його смерті.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, викладено мету і задачі дослідження, сформульовані основні положення, які складають наукову новизну і практичне значення роботи.

У першому розділі приведено огляд конструкцій оболонок типу куполів, способів зведення та методів дослідження їх напружено-деформованого стану.

Розглянуто конструктивні особливості і способи зведення збірно-монолітних куполів при будівництві громадських будівель і споруд, як таких, що мають всі переваги збірних і монолітних конструкцій і забезпечують необхідний опір теплопередачі.

Виконано огляд конструкцій і методів монтажу незнімних опалубок, що виконують несучі, теплоізоляційні і облицювальні функції. Показано, що монтаж незнімних опалубок виконується, в основному, вручну на помості із застосуванням системи монтажних підпірок і тому виникає потреба у зменшенні його трудомісткості і підвищенні жорсткості і точності форми опалубки. Це може бути досягнуто при підйомі з горизонтального положення краном або іншими вантажопідйомними пристроями радіально розташованих елементів у вигляді пелюсток. Застосування пневмоопалубки також дозволяє швидко проводити монтаж збірних куполів, однак необхідність фіксації елементів на поверхні пневмоопалубки і складність регулювання їх положення знижує її ефективність.

Розглянуто конструкції і особливості зведення тришарових конструкцій куполів АКТС “ГІТОР”, розробленої в КиївЗНДІЕПі. При зведенні таких конструкцій на поверхню, утворену утеплювачем, розташованим між арками стержневого металевого каркаса, наносять гіпсобетон методом торкретування. Каркас забезпечує конструкції достатню жорсткість при нанесенні шарів гіпсобетону, але така конструкція має велику металоємність і трудомісткість виготовлення, а також складність торкретування внутрішньої поверхні. Окрім цього гіпсобетон має погану сумісність зі сталлю.

Показано, що розрахунок таких складних систем найбільш раціонально проводити за допомогою сучасних програмних комплексів для ЕОМ на основі МСЕ. Загальні принципи побудови моделей МСЕ викладені в роботах Городецького О.С., Зенкевіча О.К., Немчинова Ю.І., Розіна Л.О., Сахарова О.С., Шапошнікова М.М. та ін. Розглянуто особливості побудови розрахункових скінченноелементних моделей тришарових конструкцій куполів АКТС “ГІТОР”, а також збірних куполів з урахуванням швів і підсилюючих елементів.

На основі аналізу експериментальних досліджень куполів, проведених Базаровим А.Б., Жуковським Е.З, Львовим Г.Н., П’ятикрестовським К.П., Хайдуковим Г.К., Чаруйським Ю.В., Шаблею В.Ф. та ін., зроблено висновок, що пружна просторова робота збірних оболонок залежить від жорсткості самих елементів і їх з'єднань, і в найбільшій мірі виявляється при частковому, а також несиметричному навантаженні поверхні оболонки.

Виходячи з аналітичних досліджень прийнято рішення вилучити з конструкції “ГІТОР” металевий каркас і виконати внутрішній шар купола з листових матеріалів, наприклад, з гіпсокартону, а армуючі елементи – з дерева, алюмінієвих сплавів. Для зведення збірної конструкції і підсилення її при замонолічуванні стиків і торкретуванні гіпсобетоном запропоновано тросо-кільцеве оснащення, яке переміщуються по центральній опорі з нижнього положення в проектне.

В кінці розділу сформульовано основні задачі дослідження.

Другий розділ присвячено розробці й обґрунтуванню нової конструкції і технології зведення тришарових збірно-монолітних куполів.

Дослідження напружено-деформованого стану конструкції головного купола Мусульманського центру, збудованого КиївЗДНІЕПом у м. Києві по вул. Лук’янівській, за допомогою ПК “ІСКРА” при частковому зволоженні показали, що внутрішній шар гіпсобетону у цих умовах не втрачає несучої здатності при наявності металевого каркасу. Зовнішній шар гіпсобетону також характеризується малонапруженим станом. На основі цього зроблено висновок, що легкі і міцні листи на основі гіпсу можуть бути застосовані в якості незнімної опалубки в новій конструкції тришарових куполів (рис. 1).

Гіпсокартон в порівнянні з фанерою або азбестоцементом мають меншу вагу, хороші тепло- і звукоізоляційні властивості, достатню вогнестійкість та легко піддаються механічній обробці. Однак фізико-механічні властивості гіпсу в значній мірі залежать від його вологості, а в літературних джерелах немає даних про властивості ГКЛ при зволоженні і висиханні в природних умовах. Тому автором були проведені експериментальні дослідження ГКЛ при стисканні і локальному навантаженні (вдавлюванні сталевого шарика по методу Брінеля) у стані природної вологості (відносно сухий стан) (рис.2) і в зволоженому стані (при висиханні після водонасичення) при температурі навколишнього середовища 18-28?С. Використовуючи діаграму (див. рис.2) визначено модуль пружності:

(1)

де Pв – навантаження у точці В, що відповідає закінченню ділянки пружного стану;

hБ – висота зразка у точці Б, що відповідає початку пружного опору зразка;

Fmin – найменша площа поперечного перерізу зразка по висоті;

?hБ-В – деформація зразка між точками Б і В.

Для відносно сухих зразків, при температурі оточуючого повітря 18-21?С модуль пружності дорівнював 2940 МПа, а для дещо зволожених зразків – 2200 МПа.

При водонасиченні зразків ГКЛ до 43-48% і їх висиханні при температурі 28-30?С вже через добу модуль пружності дорівнював 4200 – 4750 МПа. Однак зростання міцності і твердості гіпсокартону спостерігалось лише при зменшенні вологи до 8%, а пружна стадія опору зразка – при зменшенні вологи до 3%.

При розробці методики випробувань зразків ГКЛ на твердість по методу Брінеля було застосовано коефіцієнт Kw, який враховує зменшення сили, прикладеної до шарика, у зв’язку з порушенням структури гіпсу:

(2)

де ?h – глибина проникнення шарика в матеріал за час витримки сили;

h – глибина відтиску, яка визначалась виходячи з діаметра відтиску d.

Встановлено, що при корегуванні сили, прикладеної до шарика, через кожні 10-30 с на протязі 180 с коефіцієнт Kw не перевищує 3%.

Одержані показники міцності при стисканні та модуль пружності були використані при вивченні напружено-деформованого стану збірної частини купола за допомогою МСЕ та встановленні величини навантаження, яке може витримувати сферичний купол радіусом 3-12 м. Ці дослідження дозволили зробити висновок, що ГКЛ можна використовувати в якості нижнього шару (незнімної опалубки) у тришаровій конструкції купола. Також було визначено, що нанесення бетонної суміші на кожний ряд (ярус) трапецієподібних елементів збірної частини купола краще проводити послідовно переходячи із одного сектору (чверті) в протилежний, аніж в сусідній сектор.

Розроблено конструкцію і спосіб зведення збірної частини купола (рис. 3, 4), який полягає в наступному.

Пелюстки, що складаються з гнучко з'єднаних тканиною трапецієподібних елементів з ГКЛ і плитного утеплювача, розкладають і закріплюють на розміщеному на горизонтальній площадці металевому тросо-кільцевому оснащенні (див. рис.4, а, б). При підйомі оснащення по центральному стояку 3 пелюстки завдяки кільцям 1 оснащення і меридіональним розкладкам 11 (див. рис. 3) сходяться одна з одною й приймають своє проектне положення (див. рис. 4, в).

Після цього шви між трапецієподібними елементами замонолічують гіпсовим розчином і підсилюють дерев'яними поясами 4, 5 (див. рис.3). Далі на зовнішню поверхню збірної частини купола встановлюють армуючі сітки 8 і наносять бетонну суміш методом торкретування. Від'єднання тросо-кільцевого оснащення проводять після переміщення купола на його постійне місце на будівлі.

Конструкція збірної частини купола діаметром основи 6м була спроектована і виготовлена автором в науково-дослідному інженерному випробувальному центрі КиївЗНДІЕПу. Для відпрацювання технології зведення купола розкладки приклеювали до ГКЛ лише по одній стороні, а дві протилежні пелюстки виконувались без розкладок, що давало змогу працювати усередині купола до його встановлення на опори (див. рис. 4, в). Незважаючи на порівняно низьку точність виготовлення трапецієподібних елементів з ГКЛ (від 4 до 7-го класу точності) і кілець оснащення (від 7 до 9-го класу), завдяки переміщенню кілець по тросах 1 (див. рис. 4, а) було досягнуто повну збіжність пелюсток у вузлах, кільцевих і меридіональних стиках (див. рис. 3, в).

Третій розділ містить чисельні дослідження напружено-деформованого стану збірної частини експериментального купола при поступовому навантаженні його поверхні вагою першого шару гіпсобетону. Дослідження проводились за допомогою ПК "Міраж" в лінійній постановці. При цьому гіпсокартон вважався пружним, однорідним та ізотропним. Кількість пластинчастих СЕ, що заміняють кожен трапецієподібний лист гіпсокартону, визначено шляхом поступового згущення сітки доки різниця між результатами відгуків (величинами переміщень) для верхніх, більш навантажених рядів стане не більшою 5%. Жорсткість спеціальних двовузлових СЕ, які моделюють роботу замонолічених швів, визначено по діаграмі стискання гіпсокартону у відносно сухому стані (див. рис. 2) як силу, що викликає одиничне переміщення. Жорсткість спеціальних одновузлових СЕ, що моделюють спільну роботу оснащення і купола, визначено як добуток модуля пружності гіпсокартону, одержаного з діаграм стискання, на площу контакту між кільцем оснащення і ГКЛ, яку визначено з урахуванням величини зминання ГКЛ 0,2 мм (див. рис. 2).

Методикою досліджень передбачалось послідовне ускладнення початкової розрахункової моделі купола, в якій кожен трапецієподібний елемент замінено 16 пластинчастими СЕ, закріплення верхньої частини елементів 5-го ряду прийнято жорстким, а спирання опорного кільця у 16-ти точках - шарнірно рухомим.

У першій розрахунковій схемі в меридіональні шви вводили двовузлові СЕ з жорсткістю 1,5МН, що моделюють замонолічені шви (поз. 4, рис. 5).

В наступній схемі в усі точки контакту трапецієподібних елементів з кільцями тросо-кільцевого оснащення вводили одновузлові СЕ з найменшою жорсткістю – 0,25МН (див. поз. 5, рис. 5). Після цього в кільцеві шви вводили двовузлові СЕ з жорсткістю 1,5 МН. Далі у вузли пластинчастих СЕ вводили стержневі СЕ, (див. поз. 6 рис. 5), що моделюють дерев’яні пояси перерізом 25х40 мм, в вершини багатогранника вводили двовузлові СЕ з жорсткістю 1,5 МН. Потім в меридіональні шви між трапецієподібними збірними елементами вводили таврові елементи (розкладки) перерізом 25х25х1,5 мм (див. поз. 7, рис. 5). Між тавровими елементами і пластинчастими СЕ, а також між пластинчастими СЕ і опорним кільцем вводили двовузлові СЕ з жорсткістю 1,5 МН. Після цього жорсткість одновузлових СЕ задавали різною для кожного ряду елементів купола в залежності від радіусів кілець оснащення. І в останній схемі, зважаючи на швидкість висихання ГКЛ і гіпсобетонної суміші в замонолічених швах (див. рис. 5), жорсткість двовузлових СЕ в меридіональних швах підвищили з 1,5 до 6,0 МН.

Чисельні дослідження показали, що найбільші переміщення спостерігаються в центрах трапецієподібних елементів. В останній розрахунковій схемі максимальне значення переміщення центрів трапецієподібних елементів 4-го ряду не перевищує 1/10 частини від допустимого значення, яке становить 7500 мкм (1/400 від радіусу основи купола).

По останній розрахунковій схемі було досліджено також характер розподілу напруг по області трапецієподібних елементів при навантаженні всієї поверхні збірної частини експериментального купола. Встановлено, що найбільш небезпечні для ГКЛ розтягуючі напруги виникають в нижніх рядах у кільцевому напрямку, а в верхніх – у меридіональному напрямку. У цілому ці напруги не перевищують розрахункового опору ГКЛ при розтяганні - 0,6 МПа. У зв’язку з цим при виготовленні трапецієподібних елементів для більш ефективного використання властивостей гіпсокартону його листи розміщували в нижніх рядах так, щоб волокна картону були спрямовані по кільцю, а в верхніх рядах - по меридіану. Ці особливості конструкції є новими і захищені патентом.

Теоретичні дослідження впливу навантаження рядів збірної частини купола по протилежних секторах на переміщення вершин його трапецієподібних елементів (в горизонтальній площині) показали, що початкові переміщення контрольних точок в I секторі, який навантажують першим, змінюються таким чином. Переміщення контрольних точок в ряду, який навантажують, зменшуються в процесі навантаження секторів цього ряду (в послідовності I, III, IV, II) (рис. 6).

При навантаженні верхніх рядів, контрольні точки в нижніх рядах, навантажених раніше, збільшують свої переміщення назовні купола (див. рис. 6).

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням збірної частини купола при поступовому навантаженні його поверхні вантажами, що моделювали вагу першого шару гіпсобетону. Випробування натурної конструкції експериментального купола проведено для визначення адекватності розрахункової моделі, оцінки ефективності конструктивних рішень та технологічних рекомендацій. Характер просторової роботи експериментального купола оцінювався по переміщенням контрольних точок. Для цього експериментальний купол (див. рис. 4, в) було поставлено на 16 бетонних опор, кільцеві і меридіональні шви замонолічено гіпсобетонною сумішшю марки ДС-31. Випробування було проведено двома циклами на 7-8-й добі після замонолічування, коли суміш має міцність більшу, ніж 2 МПа. Навантаження проводили штучними вантажами масою 3, 5 і 10 кг. В першому циклі проводили навантаження тільки 1 і 2-го рядів по протилежних секторах, причому навантаження на кожний сектор ряду прикладали трьома ступенями. В другому циклі 1 і 2-й ряди навантажували по суміжних секторах, а 3-5-й ряди – по протилежних секторах.

Наприкінці I i II циклів проводили контрольні вимірювання після того, як контрольні точки у найбільш жорстких – I і III секторах, в яких не було технологічних пелюсток (рис. 7), поверталися у початкове положення (через 13 і 15 годин, відповідно).

При випробуваннях купола було застосовано три групи приладів (див. рис.7) – індикатори годинникового типу ІЧ-10М (ціна поділки 0,01 мм), багатообертові індикатори 1МИГ і 2МИГ (ціна поділки, відповідно, 0,001 і 0,002 мм) та прогиноміри Максимова (ціна поділки 0,01 мм).

За допомогою індикаторів ІЧ-10М вимірювали переміщення центрів трапецієподібних елементів зсередини і ззовні купола в напрямку, перпендикулярному поверхні елементів, за допомогою індикаторів 1МИГ і 2МИГ – переміщення контрольних точок опорного кільця, а за допомогою прогиномірів – вертикальні і горизонтальні переміщення вершин трапецієподібних елементів.

Як показали випробування, переміщення вершин трапецієподібних елементів 1-го ряду в двох протилежних секторах (I і III), які навантажують першими, направлені усередину купола, а при навантаженні двох наступних секторів цього ж ряду – в протилежний бік, що свідчить про тенденцію до вирівнювання переміщень у всіх секторах після навантаження ряду елементів. Ці дані співпадають з результатами теоретичних досліджень. При цьому переміщення центрів трапецієподібних елементів 1-го ряду в більш жорстких (I і III) секторах були в 1,8 разів більшими, ніж в інших (II і IV) секторах (рис.8). Така різниця в переміщеннях пояснюється тим, що незважаючи на більшу конструктивну жорсткість I і III секторів, трапецієподібні елементи 1-го ряду в цих секторах мають більший нахил всередину тому, що вони були навантажені першими. При навантаженні 2-5-го рядів переміщення центрів трапецієподібних елементів 1-го ряду в усіх секторах змінюються на малу величину – в середньому на 16-35% (див. ділянку від точки 1,2 до 4,5 на рис. 8). При цьому вершини елементів переміщуються по горизонталі в напрямку із середини купола в усіх секторах на кожному етапі навантаження 3-5-го рядів, що свідчить про відхилення трапецієподібних елементів в тому ж напрямку. Це пояснює деяке зменшення переміщень центрів елементів 1-го ряду при навантаженні 4 і 5-го рядів (див. ділянку 3 – 4,5 на рис. 8).

Аналіз переміщень контрольних точок 2-4-го ряду показав, що чим далі від опори знаходиться ряд елементів, тим менше впливають умови їх спирання на переміщення його контрольних точок. Максимальні переміщення (1,1 мм) мають місце в центрах трапецієподібних елементів 4-го ряду.

Центри елементів верхнього (5-го) ряду мають в 5 разів менші переміщення, ніж центри елементів 4-го ряду, завдяки меншим розмірам елементів, більш жорсткому верхньому кільцю оснащення і закріпленню елементів на незнімному металевому кільці.

Порівняння результатів експерименту і розрахунку показало, що переміщення контрольних точок мають однаковий характер (рис. 9) і на більшості етапів навантаження співпадають з різницею, меншою ніж 20%, особливо у I циклі. У II циклі різниця досягає 30%. Встановлено, що більша відмінність виникає через те, що в розрахунковій схемі не враховується тривалість навантаження та його витримка у зв’язку з відліком показань приладів. Крім цього виявлено, що жорсткість швів у експерименті була дещо меншою, ніж у розрахунковій схемі.

Таким чином встановлено, що як і при чисельних дослідженнях, в експерименті в процесі навантаження секторів відбувається виправлення форми купола, особливо це стосується 1-го ряду елементів купола.

У п’ятому розділі приведено остаточні проектні рішення і технологічні рекомендації, а також рекомендації по конструюванню і розрахунку тришарових збірно-монолітних куполів.

Для перевірки можливості навантаження збірної частини купола одразу після замонолічування швів, було проведено розрахунок експериментального купола при зволожених швах. Аналіз результатів показав, що переміщення центрів трапецієподібних елементів трьох нижніх рядів збільшуються на 38-47% у порівнянні з відносно сухими швами, але не перевищують допустимих значень. Це свідчить про те, що торкретування збірної частини купола можна проводити при вищезгаданих умовах, але для зменшення прогинів слід підсилити елементи нижніх рядів. У роботі пропонується приклеїти до утеплювача нижніх рядів елементів додаткові дерев’яні бруски перпендикулярно основі трапецій і виконати дискретні міжшарові дротові зв’язки (рис.10).

Окрім цього, при зведенні збірної частини купола на будівельному майданчику необхідно передбачити в тросо-кільцевому оснащенні нижнє кільце, що підпирає трапецієподібні елементи 1-го ряду в їх центрах (див. рис.3, а).

Для обґрунтування найбільш раціональної технології зведення монолітного шару купола проведено аналіз напружено-деформованого стану збірної частини купола при різних варіантах нанесення бетонної суміші. Визначено, що серед трьох варіантів нанесення бетонної суміші - при торкретуванні знизу-вгору (1-й варіант), згори-вниз (2-й варіант) і при торкретуванні верхніх (5 і 4-го) рядів, а потім 1, 2 і 3-го рядів (3-й варіант), найменші переміщення спостерігаються при торкретуванні за першим варіантом.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено рекомендації по конструюванню, розрахунку та зведенню нової конструкції тришарових збірно-монолітних куполів. В рекомендаціях приведено область застосування і вибір матеріалів в залежності від вогнестійкості конструкції. Показано, що по витратах основних матеріалів (гіпсобетону та сталі) розроблена конструкція має переваги в порівнянні з аналогічною конструкцією куполів АКТС “ГІТОР”. Приведено методику побудови розрахункової скінченноелементної моделі для інженерних розрахунків збірної частини купола при навантаженні монолітним шаром торкрет-бетону.

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача, що полягає в створенні ефективної конструкції тришарових збірно-монолітних куполів, в яких зовнішній монолітний шар виконується з торкрет-бетону, середній шар - з плитного утеплювача, а внутрішній збірний шар - з листового матеріалу, наприклад, ГКЛ. Задачу вирішено шляхом теоретико-експериментальних досліджень напружено-деформованого стану збірної частини купола, яка підтримується зсередини знімним тросо-кільцевим оснащенням. Основні результати, отримані в дисертаційній роботі, такі.

1. На основі аналізу вітчизняного і закордонного досвіду будівництва куполів громадських будівель обґрунтовано доцільність розробки і досліджень тришарових збірно-монолітних куполів з використанням матеріалів на гіпсових в'яжучих і сумісних з ними матеріалів.

2. Розроблено нову конструкцію тришарового збірно-монолітного купола, збірна частина якого виконана з листового матеріалу і утеплювача і служить опалубкою, що залишається при нанесенні зовнішнього монолітного шару бетону. Для монтажу збірної частини купола і забезпечення її жорсткості при нанесенні на неї бетонної суміші використовується знімне тросо-кільцеве оснащення.

3. Для чисельних досліджень напружено-деформованого стану збірної частини розробленого купола було прийнято МСЕ, який дозволив досить повно врахувати такі особливості конструкції, як піддатливість швів між збірними елементами, умови спирання збірної частини купола на кільця тросо-кільцевого оснащення, та обґрунтувати необхідність застосування підсилюючих елементів.

4. Для визначення жорсткостей СЕ було використано міцністні і деформативні характеристики гіпсокартону в стані природної вологості при температурі навколишнього середовища 18-28?С, які були отримані в результаті випробування зразків ГКЛ на стиск і твердість.

5. В результаті чисельних розрахунків встановлено, що в процесі навантаження купола по протилежних секторах рівномірно розподіленим навантаженням, рівним вазі першого шару гіпсобетону, відбувається вирівнювання початкових викривлень форми, отриманих через несиметричне навантаження. При цьому, завдяки наявності тросо-кільцевого оснащення зсередини купола і зовнішніх дерев'яних поясів, максимальні напруги не перевищують розрахункових опорів ГКЛ на розтягання і стиск, а переміщення характерних точок поверхні купола менше допустимих приблизно на порядок.

6. Випробування експериментального купола у вигляді сегменту сфери діаметром основи 6 м показали, що при навантаженні, яке замінює перший шар гіпсобетону, конструкція працює в пружній стадії. Деформативність купола залежить від швидкості прикладання навантаження та висихання гіпсобетонної суміші у швах, а також жорсткості тросо-кільцевого оснащення і зовнішніх дерев'яних поясів.

7. При зіставленні чисельних і експериментальних даних про переміщення характерних точок експериментального купола отримано якісний і кількісний їхній збіг з різницею менше 20% на більшості етапів навантаження поверхні купола, що свідчить про адекватність розрахункової моделі.

8. Розроблено рекомендації щодо конструювання, розрахунку та зведення розробленої конструкції тришарових збірно-монолітних куполів типу "ГІПСОПЛАСТОН". В порівнянні з куполами АКТС "ГІТОР" на нову конструкцію витрачається значно менше гіпсобетону і сталі.

9. Запропоновано методику побудови розрахункової моделі збірної частини збірно-монолітних куполів типу "ГІПСОПЛАСТОН" з урахуванням реальної жорсткості матеріалу збірної частини купола в стиках між елементами й в місцях контакту купола з кільцями знімного оснащення.

10. Основні методичні підходи до розробки розрахункової моделі збірної частини купола пройшли апробацію при оцінці напружено-деформованого стану головного купола Мусульманського центру по вул. Лук'янівській в м. Києві, а також при проектуванні і будівництві експериментального купола типу "ГІПСОПЛАСТОН".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Коляков М.И., Болдарь Е.Л. Исследование напряженно-деформированного состояния нижнего слоя трехслойной конструкции купола // Конструкции гражданских зданий. – К.: КиевЗНИИЭП. –1999. –С.100-108.

2. Болдар О.Л., Коляков М.Й. Напружено-деформований стан просторових конструкцій АКТС “ГІТОР” на стадії зведення та експлуатації // Будівництво України. – 2000. - №4. – С. 25-28.

3. Коляков М.И., Болдарь Е.Л. Исследование влияния увлажнения гипсокартона на его прочность и твердость // Збірник наукових праць Луганського держ. аграрного ун-ту. Сер. техн. наук. – Луганськ: Видавництво ЛДАУ. - 2001. - № 10 (22). – С.216-224.

4. Коляков М.И., Болдарь Е.Л. Особенности конструкции и технологии возведения экспериментального купола // Конструкции гражданских зданий. – К.: КиевЗНИИЭП. – 2001. – С.74-78.

5. Болдарь Е.Л. Испытания сборной части трехслойного сборно-монолитного экспериментального купола “ГИПСОПЛАСТОН” // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного ун-ту. Сер. техн. наук. – Луганськ: Видавництво ЛНАУ. - 2001. - № 17(29). – С.154-161.

6. Коляков М.Й., Болдар О.Л. Особливості технології зведення тришарової конструкції купола “ГІПСОПЛАСТОН” // Будівництво України. – 2002. - № 2. –С.27-30.

7. Пат. 50819 Україна, МПК 7 Е04 G 11/04. Спосіб зведення оболонки / М.Й. Коляков, О.А. Гофштейн, О.Л. Болдар, В.М. Левченко. - № 99105586; Заявл. 13.10.99; Опубл.15.11.2002, Бюл. № 11 – 18 с. ил.

8. Болдар О.Л. Тришарова збірно-монолітна конструкція куполів "ГІПСОПЛАСТОН" // Матеріали конференції молодих вчених "Архітектура та будівництво третього тисячоліття". – К.: КиївЗНДІЕП. – 2002. – С.44-47.

В роботі [1] автором проведено аналіз результатів досліджень напружено-деформованого стану тришарового купола, внутрішній шар якого виконано з ГКЛ. В роботі [2] автором запропоновано основні методичні підходи до розробки розрахункової моделі купола. В роботі [3] дисертанту належать методика і результати дослідження зразків гіпсокартону при стисканні і визначенні твердості. В роботі [6] автором розроблено технологію зведення тришарової збірно-монолітної конструкції купола, а також методику дослідження впливу зволоження на фізико-механічні властивості матеріалу нижнього шару купола – гіпсокартону. В роботах [4,7] дисертантом розроблені конструктивні рішення, що забезпечують точність і швидкість монтажу збірної частини купола.

Болдар О.Л. Тришарова збірно-монолітна конструкція купольних покриттів будівель і споруд. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2003.

Дисертацію присвячено створенню ефективної конструкції тришарових збірно-монолітних куполів, що швидко зводяться, із застосуванням матеріалів на гіпсових в’яжучих. Запропоновано нову конструкцію збірної частини купола із листового матеріалу і утеплювача, яка служить незнімною опалубкою при нанесенні зовнішнього монолітного шару бетону. Для монтажу збірної частини і забезпечення її жорсткості в процесі нанесення монолітного шару торкрет-бетону запропоновано конструкцію знімного тросо-кільцевого оснащення. На основі проведених експериментальних досліджень поведінки гіпсокартону розроблено конструкцію експериментального купола із гіпсокартону і пінополістиролу (збірна частина). Проведено статичний аналіз роботи збірної частини купола з тросо-кільцевим оснащенням за допомогою розробленої скінченноелементної розрахункової моделі, в якій жорсткості скінченних елементів визначено за даними експериментальних досліджень гіпсокартону. Випробування експериментального купола статичним навантаженням підтвердили адекватність розрахункової моделі і дозволили виконати доробку конструкції купола. Розроблено рекомендації з конструювання, розрахунку та зведення запропонованої конструкції та методику побудови скінченноелементної розрахункової моделі купола.

Ключові слова: купольні покриття будівель, тришарові збірно-монолітні куполи, збірна частина купола, тросо-кільцеве оснащення, гіпсокартонний лист, напружено-деформований стан, скінченноелементна розрахункова модель, жорсткість скінченного елемента, послідовність навантаження.

Болдарь Е.Л. Трехслойная сборно-монолитная конструкция купольных покрытий зданий и сооружений. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2003.

Диссертация посвящена созданию эффективной, быстровозводимой конструкции трехслойных сборно-монолитных куполов с применением материалов на гипсовых вяжущих.

В первом разделе изложено состояние вопроса проектирования легких, быстровозводимых сборно-монолитных конструкций куполов. Рассмотрены и проанализированы конструкции и способы возведения сборных куполов и оставляемых опалубок сборно-монолитных куполов. Рассмотрены методы расчета сборных куполов, особенности построения дискретных моделей метода конечных элементов. Показано, что сборно-монолитные конструкции куполов архитектурно-конструктивно-технологической системы "ГИТОР", разработанной в КиевЗНИИЭПе, являются удачным техническим решением, однако способ возведения и конструкция сборной части нуждаются в усовершенствовании.

Второй раздел посвящен разработке и обоснованию новой конструкции трехслойных сборно-монолитных куполов, сборная часть которых состоит из тонкого листового материала и утеплителя и служит оставляемой опалубкой при нанесении на ее поверхность бетонной смеси методом торкретирования. Проведенные экспериментальные исследования прочности при сжатии и твердости гипсокартонных листов различной влажности позволили применить их в качестве листового материала в сборной части экспериментального купола.

Третий раздел посвящен разработке расчетной конечноэлементной модели сборной части экспериментального купола, учитывающей его граненость, швы между сборными элементами, работу усиливающих поясов и съемной тросо-кольцевой оснастки, находящейся изнутри купола, а также анализу напряженно-деформированного состояния конструкции. Предложена упругая модель МКЭ, в которой сборные элементы смоделированы плоскими четырехугольными конечными элементами, усиливающие деревянные пояса – стержневыми конечными элементами, а работа швов и тросо-кольцевой оснастки учтена с помощью специальных двухузловых и одноузловых конечных элементов, соответственно. Для определения жесткости этих элементов использованы результаты испытаний образцов гипсокартона в состоянии естественной влажности. С помощью разработанной расчетной модели проведен анализ напряженно-деформированного состояния экспериментального купола при постепенном нагружении его поверхности монолитным слоем гипсобетона.

Четвертый раздел посвящен экспериментальным исследованиям сборной части купола в виде сегмента сферы диаметром основания 6м, высотой 2м при статической нагрузке от веса монолитного слоя, замененного штучными грузами. Получены экспериментальные данные о перемещениях контрольных точек поверхности в четырех секторах купола. Установлено, что купол работает в упругой стадии. Максимальные перемещения получены в центрах трапециевидных элементов четвертого от опоры ряда (яруса) – 1,1мм и не превышают допустимых. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало, что перемещения контрольных точек имеют одинаковый характер и совпадают с разницей до 20 % на большинстве этапов нагружения поверхности купола, что свидетельствует об адекватности расчетной модели.

Пятый раздел посвящен разработке окончательных проектных решений и рекомендаций по конструированию, расчету и технологии возведения трехслойных сборно-монолитных куполов. На основании результатов испытаний экспериментального купола проведена доработка конструкции сборной части купола и анализ ее напряженно-деформированного состояния с учетом внесенных конструктивных изменений. Обоснована рациональная последовательность укладки бетонной смеси на сборную часть купола. Даны рекомендации по выбору материалов в зависимости от требуемой огнестойкости конструкции. Приведена методика построения расчетной конечноэлементной модели для инженерного расчета сборной части трехслойного сборно-монолитного купола на стадии его возведения.

В выводах приведены основные результаты работы. Отмечается, что предложенная конструкция обладает меньшим весом и расходом материалов по сравнению с аналогичной конструкцией - куполом типа "ГИТОР". Сборная часть трехслойного купола типа "ГИПСОПЛАСТОН" обладает достаточной жесткостью и прочностью при монтажных нагрузках благодаря эффективной работе усиливающих элементов и съемной тросо-кольцевой оснастки.

Ключевые слова: купольные покрытия зданий, трехслойные сборно-монолитные купола, сборная часть купола, тросо-кольцевая оснастка, гипсокартонный лист, напряженно-деформированное состояние, конечноэлементная расчетная модель, жесткость конечных элементов, последовательность нагружения.

Boldar O.L. The three-layer built-up-monolithic construction of dome cover of buildings and structures. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by specialty 05.23.01 - Building Structures, Building and Constructions. Kyiv State University of Building and Architecture, Kyiv, 2003.

The thesis is devoted to creation of the effective, quickly-erect structure of the three-layer built-up-monolithic domes with application materials on gypseous astringents. The new structure of stretch part of the dome consists of a sheet material and heating serve as a keep desk in the time of cover the external monolithic layer of concrete are proposed. The structure of the take off rope-ring rig for assembling the stretch part of dome and securing of rigidity in process of cover the monolithic layer of torcret-concret are proposed based on the result of the experimental studies of the behavior gyps-cardboard sheets are worked out the structure of experimental dome, made of gyps-cardboard