Донбаська національна академія будівництва і архітектури

Сивоконь Юлія Володимирівна

УДК 624.014:624.074:725.85/.89(043.3)

мембранні оболонки покриттів над трибунами стадіонів З великими вирізами на еліптичному плані

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури (м. Макіївка) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Мущанов Володимир Пилипович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Кінаш Роман Іванович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри архітектурних конструкцій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Лебедич Ігор Миколайович, ВАТ “УкрНДІпроектстальконструкція” ім. В.М. Шимановського, завідувач відділу нових типів конструкцій.

Провідна установа: Одеська державна академія будівництва та архітектури, кафедра конструкцій з металу, дерева і пластмас Міністерства освіти і науки України (м. Одеса).

Захист дисертації відбудеться “5” липня 2007 р. о 10:00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий “4” червня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Зайченко М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із видів просторових великопрольотних конструкцій, які найбільш динамічно розвиваються і представляють інтерес в архітектурному й конструктивному відношенні, є стаціонарні покриття над трибунами стадіонів, що зводяться відповідно до вимог міжнародних футбольних організацій. Плановане проведення EURO 2012 викликало будівництво в різних містах України нових стадіонів, витрати на зведення яких надзвичайно великі. Разом з тим, проведення реконструкції існуючих споруд дозволяє на порядок знизити ці витрати. Наявний міжнародний досвід проектування і зведення подібних споруд, які реконструюються, у тому числі і в Росії (перекриття трибун стадіону в Лужниках, Москва), не знайшов ще свого застосування в Україні. Крім того, більшість стадіонів в Україні мають менші параметри (спочатку 40 ... 45 тис. глядачів, а після оснащення індивідуальними сидіннями – 28 ... 31 тис. глядачів), що знижує ефективність просторової роботи використовуваних конструкцій і вимагає додаткових досліджень щодо встановлення їх раціональних геометричних форм, розробки інженерної методики розрахунку й проектування, необхідної для швидкого аналізу варіантів конструктивних схем проектованої конструкції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає актуальним напрямам науково-технічної політики України в галузі оцінки технічного стану експлуатованих будівель і споруд відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України №409 від 05 травня 1997 р. і №1331 від 8 жовтня 2004 р. у напрямі забезпечення надійності конструкцій на всіх стадіях їх життєвого циклу. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру виконані в межах держбюджетних науково – дослідницьких тем за замовленням Міністерства освіти і науки України: № Д-2-4-03 “Розробка теоретичних основ та програмного забезпечення для проектування покриттів у вигляді оболонок довільної форми на підставі принципів будівельної інформатики” (№0103U000586), № Д-2-02-06 “Дослідження оптимальних конструктивних форм комбінованих просторових покриттів будівель та споруд” (№0106U002950), науково – дослідної роботи №107-01ПК “Обстеження й оцінка технічного стану несучих і огороджувальних конструкцій центрального стадіону “Шахтар” з підготовкою технічного звіту з висновками і рекомендаціями про можливість їх часткового зносу, посилення і ремонту конструкцій, що не підлягають розбиранню”. Здобувач є виконавцем указаних тем.

Мета і задачі дослідження. Установити загальні закономірності зміни параметрів напружено-деформованого стану великопрольотної мембранної оболонки покриття позитивної гаусової кривизни з великим вирізом на еліптичному плані залежно від її просторових і жорсткісних характеристик і на їх основі розробити наближену методику розрахунку і проектування.

Для досягнення поставленої мети поставлені й вирішені такі задачі:

- виконати аналіз конструктивних рішень мембранних покриттів над трибунами стадіонів, методів їх монтажу і розрахунку;

- на основі загальних рівнянь лінійної теорії пологих оболонок уточнити систему безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів для мембранної оболонки, що виключають масштабний чинник при дослідженні напружено-деформованого стану (НДС);

- провести чисельний експеримент для отримання залежностей параметрів НДС досліджуваної оболонки від просторово-жорсткісних параметрів;

- виготовити моделі досліджуваної оболонки покриття і за допомогою проведення експериментальних досліджень уточнити встановлені теоретично закономірності в змінах напружено-деформованого стану і параметри, необхідні для розрахунку;

- на підставі теоретичних й експериментальних досліджень розробити наближену методику розрахунку мембранних покриттів позитивної гаусової кривизни з великими отворами на еліптичному плані.

Об'єкт дослідження – мембранна великопрольотна оболонка стаціонарного покриття стадіону з великим вирізом на еліптичному плані.

Предмет дослідження – напружено-деформований стан великопрольотної мембранної оболонки покриття з великим вирізом на еліптичному плані.

Методи досліджень. В основу теоретичних й експериментальних дослід-жень покладені методи будівельної механіки, математичного моделювання, теоретичний метод скінчених елементів (МСЕ), метод фізичного моделювання із застосуванням методів теорії подібності, експериментальні методи дослідження напружено-деформованого стану. Достовірність отриманих результатів підтверджена даними теоретичних й експериментальних досліджень із застосуванням для обробки результатів загальноприйнятих методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дослідження складають:

- уточнена система безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів стосовно мембранної оболонки;

- результати теоретичних й експериментальних досліджень, що відображають загальні закономірності зміни НДС мембранної оболонки позитивної гаусової кривизни з великим вирізом на еліптичному плані при дії основних розрахункових навантажень;

- функціональні залежності між безрозмірними просторово-жорсткісними параметрами оболонки й безрозмірними параметрами НДС.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена за результатами досліджень методика розрахунку і проектування дозволяє:

- здійснити раціональне призначення геометрії оболонки на стадії проектування;

- з достатньою точністю (погрішність до 18%) здійснити розрахунок НДС досліджуваної конструкції, що має важливе значення для реалізації стадії варіантного проектування і формування вихідних даних остаточного розрахунку конструкції на ЕОМ.

Особистий внесок здобувача. Представлені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:

- уточнена система безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів конструкції, що визначають її поведінку під дією статичного навантаження;

- запропоновані підходи щодо встановлення раціональної геометричної фор-ми мембранного покриття позитивної гаусової кривизни з великим вирізом на еліптичному плані;

- виготовлена великомасштабна модель мембранного покриття позитивної гаусової кривизни з великим вирізом на еліптичному плані й проведені експериментальні дослідження;

- розроблені параметри моделі, схема проведення експериментальних до-сліджень й обробка результатів при випробуваннях на вітрове навантаження;

- розроблена наближена методика розрахунку й проектування мембранної оболонки позитивної гаусової кривизни на еліптичному плані.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на: VIII Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції: погляд в минуле і майбутнє” (Київ, 2004р.); Ювілейній міжнародній науково-практичній конференції “Строительство-2004”, присвяченій 60-річчю Ростовського державного будівельного університету (Ростов-на-Дону, 2004р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Реконструкция Санкт-Петербург-2005” (Санкт-Петербург, 2005); IX міжнародній конференції “Modern Building Materials, Structures and Techniques” (Вільнюс, 2007р.); науково-технічних конференціях ДонНАБА (Макіївка, 2003-2007 р.р.).

У повному обсязі закінчена дисертаційна робота доповідалася на розширеному засіданні кафедри металевих конструкцій Донбаської національної академії будівництва і архітектури (березень 2007 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований в 11 друкованих роботах, з яких шість опубліковані в спеціальних виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 141 найменувань і шести додатків.

Загальний обсяг роботи - 273 сторінки, зокрема: 117 сторінок основного тексту, сім повних сторінок з рисунками й таблицями, 13 сторінок списку використаних джерел, 140 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні результати, які одержані автором, показані їх наукова новизна, практичне значення й реалізація.

У першому розділі розглянуто сучасний стан питання – проведений аналіз конструктивних рішень покриттів над трибунами стадіонів у вигляді мембранних оболонок з великим вирізом на еліптичному плані.

Основи розрахунку оболонок були закладені ще у XIX столітті. У 30-х роках XX століття теорія оболонок інтенсивно розвивалася. У цей період були одержані й проаналізовані основні рівняння лінійної технічної теорії оболонок, для розвитку якої зробили великий внесок такі учені: В.З. Власов, Б.Г. Галеркін, О.О. Гвоздьов, А.І. Лур’є, Х.М. Муштарі, О.О. Назаров, В.В. Новожилов, С.П. Тимошенко. Великий внесок у теорію розрахунку й проектування сучасних великопрольотних просторових оболонок зробили П.Г. Єремєєв, М.В. Канчеллі, І.М. Лебедич, І.Г. Людковський, В.П. Мущанов, В.І. Трофимов та ін. Вивченням питань про навантаження на просторові конструкції займалися А.Я.Дрівінг, Р.І. Кінаш, В.А. Пашинський, С.Ф. Пічугін та ін.

На основі аналізу розглянутих типів конструкцій стаціонарних покриттів над трибунами стадіонів, зокрема у вигляді мембранних оболонок з великими вирізами на еліптичному плані, сформульовані основні переваги, властиві даному типу конструкцій:

- менша витрата матеріалу (сталі) порівняно з іншими типами конструкцій покриттів над трибунами стадіонів (опуклими стержньовими оболонками й провисаючими стержньовими оболонками, сформованими системою згинно-жорстких ниток);

- більш виражена просторова робота досліджуваних оболонок порівняно з вищезгаданими;

- поєднання несучої й огороджувальної функцій, що властиво листовим конструкціям.

Враховуючи складність розрахункової схеми конструкції (податливі опорні закріплення, високий ступінь статичної невизначеності, нелінійний характер роботи конструкції, несиметричні схеми навантаження, необхідність обліку послідовності монтажу при формуванні розрахункової схеми) при проведенні чисельних досліджень, особлива увага приділена використанню метода скінчених елементів як універсального методу будівельної механіки. На основі вивчення конструкцій мембранних покриттів над трибунами стадіонів, визначена конструктивна схема мембранного покриття (рис. 1). Сформульовані мета і задачі досліджень.

Рис. 1 Мембранне покриття позитивної гаусової кривизни з великим вирізом на еліптичному плані.

У другому розділі викладений підхід, розроблений для отримання системи безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів, які на початковому етапі розрахунку дозволять визначити жорсткісні характеристики основних несучих елементів конструкції, що є одним з найважливіших етапів досліджень, які проводяться. Для цього мембранну оболонку з системою елементів постелі приводимо до еквівалентної континуальної оболонки, товщина якої t*=t+Aelring/Selring+Aelrad/Selrad, де t – товщина мембрани, Selring, Selrad відповідно площі поперечного перерізу кільцевого й радіального елементів, Selring, Selrad - крок кільцевих й радіальних елементів.

Розглядаючи систему рівнянь рівноваги по лінії примикання оболонки до контурів (рис. 2), була записана система безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів, одержаних для опуклої стержньової оболонки з великим вирізом на еліптичному плані (2).

Основою послужила система диференціальних рівнянь рівноваги елементу оболонки, записана з урахуванням допущень лінійної теорії пологих оболонок:

Рис. 2. Схеми примикання мембранної оболонки: а - до внутрішнього опорного контура, б - до зовнішнього опорного контура.

Використовуємо раніше одержані просторово-жорсткісні безрозмірні параметри для опуклої стержньової оболонки:

Для їх уточнення і встановлення впливу поздовжньої жорсткості контурів на роботу конструкції, запишемо рівняння рівноваги мембранної оболонки в переміщеннях: |

()

Тут , де f(x,y)=h(1-x2/a2+y2/b2) функція поверхні оболонки (h- провис у центрі оболонки), для еліптичного параболоїда, B=(Et*)/(1-µ2). Використовуючи стандартні значення безрозмірних параметрів переміщень і відносних координат, після проведення необхідних перетворень у сукупності з раніше отриманими значеннями, уточнена система безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів набуває вигляду:

, , , , | ()

, , , .

Проведений аналіз системи диференціальних рівнянь дозволив виділити параметри , , , як основні, які найбільш впливають на зміну НДС конструкції. З цієї системи окремо слід виділити параметри і , причому ступінь впливу цих параметрів практично однаковий. З урахуванням цих даних була сформована матриця планування експерименту і проведений чисельний експеримент, який дозволив одержати основні залежності параметрів НДС від безрозмірного просторово-жорсткісного параметра . У ході чисельного експерименту варіювалися: нормативне значення снігового навантаження, прикладеного до покриття; схеми навантаження сніговим навантаженням (рис. 3); жорсткість, розміри й радіус кривизни внутрішнього опорного контура, розміри внутрішнього опорного контура.

Рис. 3. Схеми навантажування сніговим навантаженням.

У процесі проведених чисельних досліджень одержані залежності безрозмірних параметрів: максимальних вертикальних переміщень , радіальних і кільцевих напружень в мембрані , поздовжніх зусиль в опорних контурах , згинаючих моментів в опорних контурах у вертикальній і горизонтальній площинах від безрозмірного параметра .

де у- абсолютне значення напруження в елементі, Па; a- розмір у плані великої піввісі покриття, м; b- розмір у плані мала піввісь, м; E- модуль пружності матеріалу оболонки Па; (t*)- приведена товщина матеріалу оболонки, м, що враховує не тільки товщину самої мембрани, але й стабілізуючі елементи; N- абсолютне значення зусилля в контурі, Н; EF- поздовжня жорсткість контура, Н; EI- згинальна жорсткість контура, Нм2; M- абсолютне значення згинального моменту Нм; w- абсолютне значення максимального переміщення в оболонці, м; f- стріла провису оболонки, м.

Графіки деяких залежностей з виділенням області значень, що рекомендуються для проектних рішень (у яких практично з невеликим коректуванням виконуються вимоги 1-го і 2-го граничного станів) наведені на рис. 4.

В ході чисельного експерименту управління безрозмірним параметром досягалося в результаті “звищення” (зміни радіусу кривизни внутрішнього опорного контура у вертикальній площині R2) до значень, що приводять, зрештою, до виконання вимог 2-го граничного стану.

Аналіз одержаних у ході чисельних досліджень даних дозволив зробити такі висновки:

- найбільше впливають на зміну безрозмірних параметрів НДС безрозмірні параметри і , ступінь впливу яких практично однаковий;

- найбільш раціональна область використання безрозмірних параметрів поздовжньої жорсткості (зокрема ), складає:

- 0.85-1.8 для оболонок з площею, що становить 42%-49% площі стадіону;

- 0.9-1.9 для оболонок з площею, що становить 50%-60% площі стадіону;

- 0.95-2 для оболонок з площею, що становить 61%-65% площі стадіону;

- 1-2.3 для оболонок з площею, яка перевищує від 65% до 70% площі стадіону;

- при коректуванні конструктивної схеми за допомогою “звищення” (згину внутрішнього опорного контура у вертикальній площині) максимальні вертикальні переміщення зменшуються у 3-5 разів, радіальні і кільцеві напруження в мембрані зменшуються в середньому на 30-50%, поздовжні зусилля у внутрішньому опорному контурі знижуються до 20%.

Рис. 4. Залежності безрозмірних параметрів НДС оболонки від безрозмірного параметра

У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень на статичне й вітрове навантаження.

Для перевірки результатів чисельного експерименту й адекватності фактичної конструкції математичної моделі споруди (розрахункової схеми) були проведені експериментальні дослідження на моделі покриття, виконаного у вигляді просторової мембранної оболонки позитивної гаусової кривизни з поверхнею у вигляді еліптичного параболоїда. Вид моделі в процесі випробувань представлений на рис. 5. При моделюванні використаний принцип прямої геометричної подібності з масштабним коефіцієнтом ml=1/100. Конструкція покриття, опорні контури й радіальні елементи моделі виконані з пластика ПВХ, колони – з фанери ФК. Модель випробовувалася в пружній стадії на статичні навантаження. Під час експерименту вимірювалися відносні деформації зовнішнього, внутрішнього опорних контурів, мембрани, та переміщення.

Рис. 5. Загальний вигляд моделі мембранного покриття в процесі випробувань.

Для уточнення фактичних жорсткісних характеристик елементів моделі проведені дослідження фізико-механічних характеристик матеріалу (пластика ПВХ). На рис. 6 показана діаграма розтягування пластика. Геометричні розміри моделі покриття в плані 2a x 2b=2.46x1.7 м м. зі стрілою провису f=0.09 м. Загальні розміри моделі спроектовані відповідно до розмірів трибун ЦС “Шахтар” у м. Донецьку.

Рис. 6. Діаграма розтягування пластика ПВХ.

Схема розміщення вимірювальних приладів наведена на рис. 7. Застосовані в ході експерименту схеми навантаження моделі використані відповідно до попереднього досвіду раніше проведених досліджень для подібного класу споруд.

Рис. 7. Схема розміщення вимірювальних приладів.

Навантаження прикладалося у вигляді пакетів з піском. Величина розподіленого навантаження склала відповідно для постійного і тимчасового навантажень q=0.004 кН/мІ, s=0.019 кН/мІ. Дані, одержані в ході експериментальних досліджень, оброблялися способом найменших квадратів за допомогою програмного продукту Excel.

Результати порівняння експерименту й теоретичних досліджень, виконаних за допомогою чисельного моделювання з використанням універсального програмного комплексу SCAD 7.31, в геометрично нелінійній постановці наведені на рис. 9. Результати експерименту збігаються з даними теоретичного розрахунку (відхилення складає 13…19%).

Рис. 8. Позначення точок на розгортці (розшифровка графіків).

На рис. 8 показана розшифровка точок на графіках по розгортці за результатами експериментальних даних у порівнянні з даними, які були отримані по наближеній методиці й по SCAD

Рис. 9. Графіки вертикальних переміщень внутрішнього опорного контура, горизонтальних переміщень зовнішнього опорного контура й радіальних напружень по результатам експерименту.

Метою експериментальних досліджень на дію вітрового навантаження, зважаючи на складність конструктивної форми й інші чинники, що впливають на значення аеродинамічних коефіцієнтів, було: визначення аеродинамічних коефіцієнтів, визначення найбільш невигідного напряму вітру, де аеродинамічні коефіцієнти набувають максимальних значень. Випробування були проведені на моделі, виготовленій в масштабі 1:500 спільно з кафедрою аеродинаміки Варшавського політехнічного інституту. В результаті випробувань моделі в аеродинамічній трубі одержані ізополя релятивного тиску для трьох напрямів вітру для зовнішньої і внутрішньої поверхонь покриття. На рис. 10 і 11 показані розташування моделі під час випробування в аеродинамічній трубі й загальний вигляд моделі.

Рис. 10. Розташування моделі під час випробування в аеродинамічній трубі.

Рис. 11. Загальний вигляд моделі покриття для аеродинамічних випробувань.

Схема розташування вимірювальних приладів при аеродинамічних випробуваннях моделі показана на рис. 12.

Рис. 12. Схема розташування перерізів і вимірювальних точок. Римські цифри – номери перерізів, арабські цифри – номери вимірювальних отворів (точок).

Релятивні тиски для атаки вздовж малої осі, вздовж великої осі і вздовж діагоналі укладаються в діапазон -0.4 ... 0.7 (аеродинамічні коефіцієнти відповідно 0.6 ... 1.7). Найбільш невигідні напрями атаки – уздовж великої і уздовж малої осі.

Ізополя релятивного тиску для верхньої поверхні оболонки показані на на рис. 13.

Рис. 13. Ізополя аеродинамічних коефіцієнтів для верхньої поверхні оболонки. а - напрям атаки уздовж малої осі, б - напрям атаки уздовж великої осі.

У четвертому розділі на підставі отриманих результатів теоретичних й експериментальних досліджень розроблений алгоритм наближеної методики розрахунку мембранної оболонки з великим вирізом на еліптичному плані, яка дозволяє визначити й оцінити геометричні параметри, жорсткісні характеристики основних несучих елементів і параметри НДС даного об’єкту. Наближена методика розроблена на основі даних чисельного експерименту, в ході якого варіювалися безрозмірні просторово-жорсткісні параметри і (поздовжня жорсткість контурів, геометрія оболонки). Реалізація наближеної методики, представленої у вигляді блок-схеми (рис. 14), передбачає такі етапи:

1. Задавання геометричних параметрів мембранної оболонки на еліптичному плані: t- товщина мембрани, ф- період часу, на який розраховується конструкція; a, b- півосі оболонки; a1, b1- півосі вирізу, навантаження на розрахункову схему.

2. Задавання площі поперечного перерізу внутрішнього опорного контура з урахування, що його об'єм повинен приблизно дорівнювати об'єму вирізу Fint.

3. Задавання площі поперечного перерізу зовнішнього опорного контура Fext з урахуванням, що Fext=Fint/k, де k[0.75…0.95]

4. Обчислення безрозмірного просторово-жорсткісного параметру - перше наближення.

5. Обчислення оптимального значення з урахуванням мінімального значення безрозмірного параметра переміщень с зважаючи на обмеження .

6. Обчислення параметрів НДС оболонки за залежностями наближеної методики. Визначення безрозмірних параметрів зусиль і максимальних переміщень в мембрані за залежностями наближеної методики розрахунку ,, - напружень* у мембрані в радіальному і кільцевому напрямі; , , ,, , - зусиль* і згинальних моментів * у вертикальній і горизонтальній площині у внутрішньому опорному контурі; , , ,, , - зусиль і згинальних моментів* у вертикальній і горизонтальній площині в зовнішньому опорному контурі; - максимального переміщення, *(де індекси відповідають: a - мала піввісь, b - діагональ, с - велика піввісь). Визначення зусиль і максимальних переміщень в мембрані за співвідношеннями через геометричні параметри конструкції та відповідні безрозмірні параметри. При цьому ви-значальною схемою навантаження при розрахунку мембрани по 1-у граничному стану слід приймати схему навантаження “власна вага + снігове навантаження, рівномірно розподілене по всьому покриттю”; при розрахунку опорних контурів по 1-у граничному стану визначальним навантаженням буде “власна вага + снігове навантаження, рівномірно розподілене по всьому покриттю”, але слід зробити додаткові розрахунки на навантаження “власна вага + снігова симетрично відносно великої осі”. Визначальною схемою навантаження по 2-у граничному стану так само є навантаження “власна вага + снігова симетрично відносно великої осі”, але додатково слід зробити розрахунок на навантаження “власна вага + снігова симетрично щодо великої осі” і “власна вага + снігова симетрично відносно малої осі”.

Рис. 14. Блок-схема наближеної методики розрахунку й проектування мембранного покриття з великим вирізом

7. Перевірка міцності конструкції.

8. Якщо перевірка по 1-у граничному стану не виконується, то коректування параметра (збільшення, якщо не виконується перевірка міцності).

9. Обчислення Fext, Fint з системи рівнянь

, де - скоректоване значення параметра, k[0.75…0.95].

10. Конструювання поперечних перерізів: опорних контурів, елементів пос-телі.

11. Уточнення навантажень відповідно до чинних норм.

12. Складання розрахункової схеми. Розрахунок конструкції на ЕОМ МСЕ.

13. Перевірка жорсткості конструкції.

14. Якщо перевірка по 2-му граничному стану не виконується і період часу експлуатації ф=25років, обчислення параметрів НДС оболонки з тими ж параметрами але для депланованого внутрішнього опорного контура.

15. Якщо перевірка по 2- му граничному стану не виконується для депланованого внутрішнього опорного контура з періодом часу експлуатації ф=25 років, або для конструкції з періодом часу експлуатації ф =50 років корегування розрахункової схеми шляхом “звищення”.

16. Остаточний розрахунок оболонки з урахуванням законструйованих перерізів на ЕОМ.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. На основі загальних рівнянь теорії пологих оболонок уточнена система просторово-жорсткісних параметрів для мембранних оболонок. Найбільш значущими для мембранних оболонок є безрозмірні параметри і , що залежать від поздовжньої жорсткості зовнішнього та внутрішнього опорних контурів, а також параметр , що використовується для стержневих оболонок та залежить від згинальної жорсткості та величини “звищення” внутрішнього опорного контуру.

2. Для одержаної уточненої системи безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів, , , , , , встановлений їх взаємозв'язок з безрозмірними параметрами напружено-деформованого стану , , , , що дозволяє надалі виключити масштабний чинник на етапах розрахунку й проектування.

3. Проведені експериментальні дослідження на моделі оболонки щодо статичних навантажень з вирізом підтвердили правильність установлених залежностей. При цьому максимальні відмінності складають до 13% за максимальними значеннями вертикальних переміщень, до 15% за радіальними і кільцевими напруженнями в мембрані, до 19% за поздовжніми зусиллями в опорних контурах.

4. Проведені аеродинамічні випробування моделі досліджуваного покриття дозволили встановити значення релятивних тисків Prel на покриття, що змінюються в діапазоні -0.4...0.7 (при відповідних значеннях аеродина-мічних коефіцієнтів cp 0.6...1.7). При цьому максимальні значення аеродинамічних коефіцієнтів виникають при напрямі вітру уздовж малої та великої осей в околі осі, яка співпадає з напрямом вітру.

5. На основі результатів теоретичних й експериментальних досліджень розроблена наближена методика розрахунку й проектування досліджуваних конструкцій, що дозволяє з погрішністю до 18% визначити параметри НДС в основних елементах і з погрішністю до 13% встановити їх жорсткісні характеристики на етапах попереднього розрахунку й варіантного проектування конструкції.

6. Запропонована методика апробована при розробці проектних пропозицій щодо комплексної реконструкції центрального стадіону “Шахтар” м. Донецька і прийнята до включення в “Посібник до Державних будівельних норм України “Сталеві конструкції. Норми проектування й виготовлення”.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Мущанов В.Ф., Сивоконь Ю.В. Оптимизация мембранной оболочки с большим вырезом на овальном плане // Металеві конструкції. – Макіївка: УАМК. – 2006. – Т.10, №2 – С. 113-118.

2. Мущанов В.Ф., Сивоконь Ю.В. Напряженно-деформированное состояние большепролетных мембранных покрытий с вырезом // Металеві конструкції. – Макіївка: УАМК. – 2006. – Т.7, №1 – С. 35-43.

3. Мущанов В.Ф., Сивоконь Ю.В. Уточненная система безразмерных параметров для мембранных оболочек покрытий с вырезами // “Будівельні конструкції, будівлі та споруди” Вісник ДонДАБА 2003-2(39). - Макіївка: ДонДАБА. -2003. - С. 131-134.

4. Мущанов В.Ф., Сивоконь Ю.В. Зубенко А.В. Особенности исследования закономерностей работы мембранных оболочек покрытий с большими вырезами // „Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди”.- Вип. 10. - Рівне: УДУВГП. - 2003. - С. 144-150.

5. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Сивоконь Ю.В. Напряженно-деформированное состояние большепролетных мембранных покрытий с вырезом // Сб. науч. трудов “Современные строительные конструкции из металла и древесины”. - Одесса: ОГАСА. - 2005. - С. 50-56.

6. Сивоконь Ю.В., Мущанов В.Ф. Оптимизация мембранной оболочки на овальном плане // Науково-технічний збірник “Автомобільні дороги і дорожнє будівництво”. Вип. 73. - Київ: НТУ. - 2006. - С. 284-289.

7. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Касимов В.Р., Зубенко А.В., Сивоконь Ю.В. Методики расчета и проектирования пространственных конструкций стационарных покрытий над трибунами стадионов // Материалы юбилейной международной научно-практической конф. “Строительство-2004”.- Ростов-на-Дону; РГСУ. -2004. - С. 62-63.

8. Мущанов В.Ф., Сивоконь Ю.В. Особенности напряженно-деформированного состояния мембранных покрытий // Матеріали 30 (міжнародної) наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. – Макіївка: Вісник ДонДАБА. - 2004. - С. 68-74.

9. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Касимов В.Р., Прядко И.Н., Сивоконь Ю.В. К расчету и проектированию пространственных конструкций стационарных покрытий над трибунами стадионов // VIII Украинская научно-техническая конференция "Металлические конструкции взгляд в прошлое и будущее". Сборник докладов: Ч.1. – К.: "Сталь". - 2004. - С. 323-332.

10. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Сивоконь Ю.В., Руднева И.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование стационарных висячих покрытий над трибунами реконструируемых стадионов // Сборник докладов ч.1 “Реконструкция Санкт-Петербург 2005”. Международная научно-практическая конференция. - Санкт-Петербург: СПбГАСУ. - 2005. - С. 88-92.

11. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Касимов В.Р., Руднева И.Н., Сивоконь Ю.В. Развитие методов расчета и проектирования большепролетных пространственных покрытий спортивных сооружений // Сборник статей “Пространственные конструкции зданий и сооружений”. Вып. 10. - Москва: МОО "Пространственные конструкции". - 2006. - С. 7-16.

Работа, що додатково відображає результати досліджень:

12. Сивоконь Ю.В., Грицук Ю.В., Моисеенко В.А., Гусаков В.Н. Формирование файла исходных данных в среде Microsoft Excel для расчета мембранного покрытия над трибунами стадиона в программном комплексе SCAD // Матеріали 30 (міжнародної) наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. – Макіївка: Вісник ДонДАБА. - 2004. - С. 64-67.

Особистий внесок автора в даних публікаціях

У роботах зі співавторами автору належать: уточнення системи безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів [2, 3, 5, 8]; пропозиція підходів щодо встановлення раціональної геометричної форми мембранного покриття пози-тивної гаусової кривизни з великим вирізом на еліптичному плані [1, 2, 4-6, 8]; розробка наближеної методики розрахунку й проектування мембранної оболонки позитивної гаусової кривизни на еліптичному плані [5-12].

АННОТАЦІЯ

Сивоконь Ю.В. Мембранні оболонки покриттів над трибунами стадіонів з великими вирізами на еліптичному плані. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України. - Макіївка, 2007 р.

Робота присвячена питанням розрахунку й проектування мембранних покриттів з великими вирізами на еліптичному плані. На підставі рівнянь статичної рівноваги лінії контакту оболонка + контур уточнена система безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів досліджуваного виду конструкцій. Використовуючи уточнену систему безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів, проведені чисельні дослідження напружено-деформованого стану покриття. В результаті теоретичних досліджень одержані залежності, що характеризують зміну безрозмірних параметрів напружено-деформованого стану від безрозмірних просторово-жорсткісних параметрів конструкції.

Виконані експериментальні дослідження моделі конструкції на статичне навантаження й випробування моделі в аеродинамічній трубі.

Ключові слова: мембранна оболонка, напружено-деформований стан, безрозмірні просторово-жорсткісні параметри, статичні і вітрові навантаження, методика розрахунку та проектування.

АННОТАЦИЯ

Сивоконь Ю.В. Мембранные оболочки покрытий над трибунами стадионов с большими вырезами на эллиптическом плане. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2007 г.

Работа посвящена вопросам расчета и проектирования мембранных покрытий с большими вырезами на эллиптическом плане.

Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные результаты, полученные автором, показана их научная новизна, практическое значение и реализация.

В первом разделе рассмотрено современное состояние вопроса – анализ конструктивных решений, методов расчета и проектирования покрытий над трибунами стадионов в виде мембранных оболочек с большим вырезом на эллиптическом плане.

Во втором разделе изложен подход, разработанный для получения системы безразмерных пространственно-жесткостных параметров, которые на начальном этапе расчета позволяют определить жесткостные характеристики основных несущих элементов конструкции, что является одним из важнейших этапов исследований.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований моделей конструкции на статическую и ветровую нагрузку.

В четвертом разделе на основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан алгоритм приближенной методики расчета и проектирования мембранной оболочки с большим вырезом на эллиптическом плане, которая позволяет определить и оценить геометрические параметры, жесткостные характеристики основных несущих элементов и параметры напряженно-деформированного состояния конструкции.

В выводах приведены основные следствия результатов экспериментальных и теоретических исследований и применение приближенной методики расчета и проектирования мембранной оболочки покрытий над трибунами стадионов с большим вырезом на эллиптическом плане.

Ключевые слова: мембранная оболочка, напряженно-деформированное состояние, безразмерные пространственно-жесткостные параметры, экспериментальные исследования, статические и ветровые нагрузки, методика расчета и проектирования.

SUMMARY

Sivokon Yu.V. Membranе shells of coverings above tribunes of stadiums with the large cuts on the elliptic plan. - Manuscript.

The Thesis for the Candidate Degree, Speciality 05.23.01 – Engineering Structures, Buildings and Constructions. – The Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeevka, 2007.

The Thesis is devoted to questions of account and designing the membrane coverings with the large cuts on the elliptic plan. On the basis of the equations of static balance of a line of contact the shell + contour is specified the system of dimensionless spatial-rigid parameters of a researched structures. Using the specified system dimensionless spatial-rigid parameters the numerical researches of the stress-strain state of a covering are carried out. As a result of theoretical researches the dependences between dimensionless parameters stress-strain state from dimensionless spatial-rigid parameters a design are obtained.

The experimental researches of model represented design on static loading and tests of model in an aerodynamic pipe.

Keywords: membranе shell, stress and strain state, dimensionless spatial- rigid parameters, static and wind loads, calculation and design technique, warping of an internal basic contour.

Підписано до друку 31.05.2007. Формат 29,7х30 1/4.

Ум. друк. арк. 0,9. Друк лазерний. Зам. № 6831. Тираж 100 прим.

Віддруковано в типографії ТОВ “Норд Комп’ютер”

вул. Університетська, 112, м. Донецьк, 83004

Тел.: (062) 386-35-76, 386-35-77