CC BY
2
УДК 72.03:728.84
ао1:10.55287/22275398_2023_3_79
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЛЬНО-БАЛОЧНОГО КУПОЛА С МЕМБРАННОЙ КРОВЛЕЙ
А. М. Ундалов * С. В. Клюев** А. В. Клюев ** Л. С. Сабитов * И. Н. Гарькин***
* Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань
** Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород *** ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления им. К. Г. Разумовского (Первый казачий университет)», г. Москва
О
г
м О
Аннотация
В статье содержится методика и результаты теоретических и экспериментальных исследований НДС конического радиально-балоч-ного купола с треугольными элементами-оболочками. Производится анализ и сравнение результатов, полученных различными методами.
Ключевые слова
строительные конструкции, деревянные конструкции, мембранная панель, напряженно-деформированное состояние, ра-диально-балочный купол, купол, мембрана, проектирование, экспериментальное исследование
Дата поступления в редакцию
03.06.2023
Дата принятия к печати
13.06.2023
Основной проблемой, серьезно ограничивающей применение радиально-балочных куполов, является отсутствие исследований, посвященных фактической работе данной конструкции, а также ряд вопросов, связанных с устойчивостью купола, его деформативностью, а также характерным особенностями работы [1 - 3]. Исследование данной проблематики, связанной с напряженно-деформированным состояние (НДС) мембраны и сжато-изгибаемых элементов купола, а так же рационализация данной купольной системы является весьма актуальной задачей, решение которой может обоснованно расширить область применения радиально-балочных куполов и внести свой вклад в развитие новых типов купольных конструкций [4, 5].
1 А
со га
ш ^
О ч
; го
5 а
* к
" I <2 « 3
Ш ш ^ и
^ и
* 5
* I М
< <и
и
щ
¿5
. а
< т
Для проведения экспериментальных исследований примем модель радиально-балочного купола с мембранной кровлей. Общий вид экспериментальной модели изображен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной модели с мембраной
Нагружение конструкции осуществлялось по 20% от суммарной расчетной нагрузки. После приложения нагрузки был введен еще один дополнительный этап нагружения около 10 % от суммарной расчетной нагрузки для установления надежности конструкции [6, 7]. Все этапы нагружения конструкции представлены на рис. 2.
Тензорезисторы устанавливались в тех же точках, как при испытании купола без мембраны. Дополнительно были установлены на мембрану прямоугольные розетки из тензорезисторов для измерения главных напряжений [8, 9]
Рис. 2. Этапы нагружения купола с мембранной кровлей
Экспериментальные значения напряжений, определенные с помощью тензометрической станции, для 72-ти точек радиально-балочного купола, занесены в табл. 1. Анализируя динамику развития напряжений в точках конструкции, обращает на себя неравномерность нарастания напряжений по этапам загрузки. Этот факт обусловлен тем, что на каждом этапе прикладывалось равное количество грузов одной массы, но с разным расположением в разных точках конструкции [10, 11].
Максимальные значения напряжений зафиксированы в растянутых гибких элементах с пиковым значением 210,08 МПа в точке № 59. При расчетном сопротивлении материала проволоки Вр-1 И 8 = 410 МПа имеется запас несущей способности 48,76%. Отметим высокий уровень напряжений в других гибких элементах со значениями в интервале от 121,20 до 177,76 МПа. Максимальные главные напряжения в мембране зафиксированы в зоне № 1 со значением СТтах = 105,04 МПа и атт = 40,40 МПа
Наибольшие значения напряжений в сжато-изгибаемых элементах отмечены в сечении 1-1
с максимальным значением 72,72 МПа в точке № 7. При расчетном сопротивлении стали С245
И у = 240 МПа имеется запас несущей способности 69,7%. Отметим сравнительно напряженные ф
сечения 5-5 и 6-6 со значениями 52,52 и 68,68 Мпа [12]. 2
н
Оценив значения напряжений в элементах, отметим, что при увеличении нагрузки произой- ^ дет разрушение более напряженных растянутых элементов. Таким образом, выполненный экспе- ^ риментальный купол имеет тенденцию к разрушению по растянутым гибким элементам нижнего пояса.
Схема перемещений исследуемых точек модели, в зависимости от этапов нагружения, показана на рис. 3. Наибольшие значения перемещений зафиксированы прогибомерами № 2, 3, 6, 7 с максимальным значением в точке № 2 равным 11,75 мм.
Таблица 1
Результаты расчета напряжений в элементах купола
СО
Сечение Напряжение в точке, МПа q = 80 кг/м 2 1 этап q = 160 кг/м 2 2 этап q = 240 кг/м 2 3 этап q = 320 кг/м 2 4 этап q = 400 кг/м 2 5 этап q = 440 кг/м 2 доп.этап
1 8,08 16,16 32,32 40,40 48,48 52,52
2 12,12 16,16 24,24 28,28 32,32 32,32
3 12,12 16,16 24,24 28,28 28,28 28,28
1-1 4 12,12 16,16 28,28 36,36 48,48 52,52
5 -24,24 -28,28 -48,48 -56,56 -64,64 -68,68
6 -24,24 -28,28 -36,36 -44,44 -48,48 -52,52
7 -28,28 -28,28 -44,44 -56,56 -64,64 -72,72
8 -24,24 -32,32 -40,40 -44,44 -48,48 -56,56
29 -8,08 -20,20 -24,24 -28,28 -40,40 -40,40
2-2 30 -12,12 -28,28 -28,28 -32,32 -44,44 -48,48
31 -12,12 -28,28 -28,28 -32,32 -44,44 -48,48
32 -12,12 -24,24 -28,28 -32,32 -40,40 -40,40
Продолжение таблицы 1 см. на следующей странице
1 к
со га
ш ^
О ч
; го
5 а
* к
" I <2 « 3
Ш ш ^ и
^ и
* 5
* I
м
< <и
И
щ
¿5
. а
< т
Сечение Напряжение в точке, МПа q = 80 кг/м 2 1 этап q = 160 кг/м 2 2 этап q = 240 кг/м 2 3 этап q = 320 кг/м 2 4 этап q = 400 кг/м 2 5 этап q = 440 кг/м 2 доп. этап
33 4,04 12,12 12,12 12,12 20,20 20,20
2-2 34 8,08 16,16 16,16 16,16 24,24 24,24
35 8,08 16,16 16,16 16,16 24,24 24,24
36 8,08 16,16 16,16 16,16 20,20 24,24
37 0 0 0 0 -4,04 -4,04
38 0 0 0 0 -4,04 -4,04
39 0 0 0 0 -4,04 -8,08
3-3 40 0 0 0 -4,04 -8,08 -8,08
41 -4,04 -8,08 -8,08 -12,12 -16,16 -16,16
42 -8,08 -12,12 -16,16 -16,16 -20,20 -20,20
43 -8,08 -12,12 -16,16 -20,20 -24,24 -28,28
44 -4,04 -8,08 -12,12 -16,16 -20,20 -20,20
21 0 -4,04 -4,04 -8,08 -16,16 -16,16
22 0 0 0 0 0 0
23 0 0 0 0 0 0
4-4 20 0 -4,04 -8,08 -8,08 -12,12 -12,12
24 0 0 -4,04 -12,12 -16,16 -20,20
25 0 -4,04 -8,08 -12,12 -16,16 -20,20
26 -4,04 -4,04 -8,08 -16,16 -20,20 -24,24
27 0 0 -4,04 -12,12 -16,16 -24,24
12 -8,08 -16,16 -28,28 -40,40 -44,44 -52,52
16 0 -8,08 -16,16 -24,24 -36,36 -40,40
17 -8,08 -12,12 -24,24 -36,36 -40,40 -52,52
5-5 14 0 0 4,04 8,08 12,12 16,16
15 0 0 8,08 16,16 20,20 24,24
18 0 0 8,08 16,16 20,20 24,24
19 0 0 8,08 12,12 16,16 20,20
45 0 0 0 0 0 0
46 0 -4,04 -4,04 -8,08 -12,12 -16,16
6-6 47 0 0 -4,04 -8,08 -12,12 -16,16
48 0 0 0 0 0 4,04
49 -16,16 -36,36 -40,40 -44,44 -60,60 -64,64
50 0 4,04 8,08 12,12 16,16 16,16
Сечение Напряжение в точке, МПа q = 80 кг/м 2 1 этап q = 160 кг/м 2 2 этап 1] = 240 кг/м 2 3 этап ] = 320 кг/м 2 4 этап ] = 400 кг/м 2 5 этап ] = 440 кг/м 2 доп. этап
6-6 51 0 4,04 8,08 12,12 16,16 16,16
52 -16,16 -36,36 -40,40 -44,44 -64,64 -68,68
53 0 -4,04 -12,12 -16,16 -20,20 -24,24
7-7 54 0 -8,08 -16,16 -24,24 -28,28 -32,32
55 4,04 12,12 20,20 24,24 32,32 36,36
57 4,04 12,12 16,16 20,20 28,28 28,28
11 -4,04 -8,08 -12,12 -16,16 -16,16 -20,20
28 0 0 0 0 0 4,04
9п 56,56 90,90 105,4 117,16 157,56 165,64
10п 40,40 90,90 105,4 117,16 169,68 177,76
56п 44,44 88,88 105,4 121,56 169,68 177,76
58п 48,48 101,00 109,8 117,52 161,6 166,00
59п 32,32 96,96 109,8 137,36 197,96 210,08
60п 52,52 80,80 88,88 96,96 117,16 121,20
Отах в зоне 1 8,08 24,24 56,56 84,84 96,96 105,04
СТт;п в зоне 1 0 4,04 12,12 28,28 32,32 40,40
Отах в зоне 2 16,16 24,24 32,32 40,40 44,44 48,48
ат;п в зоне 2 8,08 16,16 28,28 32,32 36,36 40,40
Отах в зоне 3 4,04 16,16 36,36 64,64 72,72 84,84
СТт;п в зоне 3 0 4,04 16,16 24,24 32,32 36,36
Отах в зоне 4 0 12,12 40,40 68,68 72,72 84,84
СТт;п в зоне 4 0 0 12,12 24,24 36,36 40,40
Увеличение перемещений происходило практически равномерно с разной интенсивностью для всех замеренных точек конструкции. Максимальное перемещение купола зафиксировано в центре листа мембраны и составило 11,8 мм. Для опорного контура максимальное значение зафиксировано в точках 2, 3 и 7 со значениями 7,66, 7,33 и 7,49 мм.
Для каркаса купола при действии расчетной нагрузки q = 440 кг/м 2 отношение пролета к максимальному перемещению составило 1/8 = 4000/7,66 = 522,19. Таким образом, исследуемый купол с мембранной кровлей обладает достаточно высокой жесткостью.
Рис. 3 см. на следующей странице
03
м О
-I
м
Э СО
1 А
со га
ш ^
О ч
; го
Б а
к
1
ГО
и
О
Сй ч
Ш ш ^ и
^ и
<и
2
ей «
Сй £
Ч 5 « £
м
< (и
И
щ
¿5
■ X
< т
Рис. 3. Зависимость перемещений конструкции от нагрузки
Анализируя полученные результаты, сделаем вывод об их надежности и достоверности, в связи с практически идентичными показаниями дублирующихся прогибомеров и тензорезисторов. При измерении напряжений в некоторых точках были зафиксированы значения со значительной разницей результатов, что может быть связано с чувствительностью тензорезисторов при измерении малых величин относительных деформаций.
Библиографический список
1. Соловьев Д. Б., Копотилова В. Г., Катюк Д. П., Пирус А. В., Григорюк В. А., Крылова А. И. Сравнение эффективности использования технологий BIM и CAD с помощью математической модели // Строительные материалы и изделия. — 2021. — Т. 4. № 1. — С. 18 - 26.
2. Молев И. В. Конструктивные разработки, экспериментально-теоретические исследования и внедрение стольных купонов. Дисс. д-р техн наук. 1998. 462 с.
3. Клюев С. В., Гарькин И. Н., Клюев А. В. Сравнительный анализ неразрезных подкрановых балок // Региональная архитектура и строительство. — 2022. — №3 (32). — С. 111 - 126.
4. Баламирзоев А. Г., Муртузов М. М., Селимханов Д. Н., Дибирова З. Г., Абдуллаев А. Р. Нелинейные поперечные колебания составных стержней при действии статически приложенной поперечной нагрузки // Строительные материалы и изделия. — 2021. — Т. 4. № 2. — С. 29 - 37.
5. Клюев С. В., Клюев А. В. Оптимальное проектирование стержневых конструкций // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2009. — № 3. — С. 31 - 36.
6. Клюев С. В., Гарькин И. Н., Клюев А. В., Сабитов Л. С. Результаты испытаний сборных подкрановых конструкций на выносливость // Строительные материалы и изделия. — 2022. — Т. 5 № 4. — С. 39 - 46.
7. Ефименко Е. А., Беккиев М. Ю., Маилян Д. Р., Чепурненко А. С. Определение оптимального расположения опор в плите перекрытия промышленного здания с использованием стохастических методов // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. — 2020. — №1. — С. 138 - 146.
8. Ундалов А. М. Исследование напряженно-деформированного состояния радиально-балочного купола с мембранной кровлей // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета.—2015. — № 3 (33). — С. 70 - 77.
9. Лапшин А. А., Ундалов А. М. Инженерная методика расчета конического радиально-балочного 03 купола с мембранной кровлей // Приволжский научный журнал. — 2016. — № 3 (39). — С. 9 - 16.
10. Туманов В. А., Абрашитов В. С., Туманов А. В., Абрашитов Н. В. Натурные испытания подстропильной стальной фермы пролетом 12 м // Региональная архитектура и строительство. — 2013. — ^ № 3. — С. 82 - 85.
11. Арискин М. В., Мартышкин Д. О., Ванин И. В. Напряженно-деформированное состояние соединений на вклеенных стеклопластиковых шайбах // Региональная архитектура и строительство. — 2021. — № 4 (49). — С. 103 - 111. — Б01 10.54734/20722958_2021_4_103.
12. Мартышкин Д. О., Арискин М. В. Расстановка вклеенных стеклопластиковых шайб в соединениях деревянных конструкций // Региональная архитектура и строительство. — 2022. — № 4 (53). — С. 75 - 83. — ВО110.54734/20722958_2022_4_75.
EXPERIMENTAL STUDIES OF A RADIAL-BEAM ^
DOME WITH A MEMBRANE ROOF J? J
q
CO (Q
A. M. Undalov* g |
S. V. Klyuev ** 5 S,
A. V. Klyuev ** ^ £
L. S. Sabitov* ^ fo
I. N. Garkin *** - o
to ^
IU m
O q
* Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan ^ u
** Belgorod State Technological University named after V. I. V. G. Shukhov, Belgorod . „
CO —
*** Penza State University of Architecture and Construction, Penza ■ j
M
< (U
¿5
. a
< m
Abstract
The article contains the methodology and results of theoretical and experimental studies of the stress-strain state of a conical radial-beam dome with triangular shell elements. The analysis and comparison of the results obtained by various methods is carried out.
The Keywords
building structures, wooden structures, membrane panel, stress-strain state, radial-beam dome, dome, membrane, design, experimental study
Date of receipt in edition
03.06.2023
Date of acceptance for printing
13.06.2023
Ссылка для цитирования:
А. М. Ундалов, С. В. Клюев, А. В. Клюев, Л. С. Сабитов, И. Н. Гарькин. Экспериментальные исследования ра-диально-балочного купола с мембранной кровлей. — Системные технологии. — 2023. — № 3 (48). — С. 79 - 86.
