Архитектурная бионика

226

Архитектурная бионика Характеристики нагрузок принимались исходя из реаль ­ ных условий эксплуатации таких покрытий (Ш террито ­ риальный район СССР по снеговому покрову) и состав ­ ляли с учетом коэффициента перегрузки п = 1,6 и коэф ­ фициента перехода к снеговой нагрузке (вариант I) ■1 = 0,3 (пп. 5.3 и 5.7 СНиП 1 1-6-74): равномерно рас ­ пределенная — 0,50 кН/м2, сосредоточенная — 0,80 кН. Опирание сетчатого покрытия модели осуществлялось в поперечном направлении на жесткие торцовые диаф ­ рагмы, в продольном направлении — на крайние ребра, жесткости (бортовые элементы) . Для предварительной оценки напряженно-деформиро ­ ванного состояния модели сетчатого покрытия из сло ­ истых элементов был выполнен ее статический расчет. Следует отметить, что гибкие наружные слои элементов сетчатого покрытия имеют модуль упругости на поря ­ док меньше, чем жесткий внутренний слой, и незначи ­ тельную по сравнению с ним толщину, поэтому в рас ­ чете они также принимались жесткими. По виду расчетной схемы трансформируемое из плос ­ кости в пространство сетчатое покрытие при принятом типе опирания отвечает сетчатому своду-оболочке. Ис ­ ходя из этого задача расчета покрытия как стержневой системы с жестким сопряжением узлов сводилась к составлению и решению уравнения равновесия в пере ­ мещениях £С1 N - Р ~ 0 где СС ] — матрица жесткости всей системы; N — вектор перемещений узловых точек; Р — вектор внешней нагрузки. Сетчатое покрытие рассчитывалось, согласно приня ­ той расчетной схеме, на нагрузку, равномерно распреде ­ ленную по всему покрытию и на половине его, а также на сосредоточенную нагрузку, приложенную в центре покрытия. Равномерно распределенная нагрузка своди ­ лась к узловой. Задача расчете сетчатого покрытия реа ­ лизовалась на ЭВМ по программе "Рассудок". Анализ расчетных данных показал, что при действии равномерно распределенной нагрузки по всей поверх ­ ности покрытия последнее приобретает седловидную форму, прогибаясь в продольном направлении и выпу ­ чиваясь в поперечном. Наибольшие значения вертикаль ­ ных перемещений узловых точек (1,2 см) возникли в центральной части покрытия, а наибольшие горизонталь ­ ные перемещения — в боковых его частях и составили 0,8 см. При одностороннем действии равномерно распреде ­ ленной нагрузки загруженная половина поверхности покрытия приобретает также седловидную форму, а незагруженная половина — бочкообразную. Наибольшие вертикальные перемещения узловых точек (0,7 см) возникли в центральной части загруженной половины в четверти пролета покрытия, наибольшие горизонталь ­ ные перемещения (0,5 см) — в боковой части ненагру- женной половины, в четверти пролета покрытия. Действие сосредоточенной нагрузки носило локаль ­ ный характер, при этом перемещение в точке приложе ­ ния нагрузки составило 0,75 см. При всех случаях загружения покрытия напряжения в сечениях элементов в основном носили знакопере ­ менный характер, причем максимальные значения пре ­ вышали допустимые предельные в 1,5 раза. Проведенные теоретические исследования напряжен ­ но-деформированного состояния сетчатого покрытия показали, что для восприятия заданных нагрузок и ■обеспечения напряжений в стержневых элементах в До­ пустимых пределах требуется значительное увеличение их поперечных сечений. А что же показали экспериментальные исследования? Напряженное состояние модели сетчатого покрытия исследовалось тензометрическим методом. Вертикаль ­ ные и горизонтальные перемещения узловых точек, образованных пересечением арок и продольных ребер.

измерялись при помощи прогибомеров системы 6ПАО. Сетчатое покрытие испытывалось на воздействие крат ­ ковременных нагрузок в пределах расчетных значений ( д р = 0,5 кН/м2) . В качестве нагрузки использовался штучный груз массой 3,3 кг, подвешиваемый на специ ­ альных крюках в узловых точках покрытия, разбитого на грузовые зоны. Загружение велось ступенями. Раз ­ грузка покрытия осуществлялась также по ступеням, но в обратном порядке. Сетчатое покрытие при действии равномерно распре ­ деленной нагрузки по всей его поверхности работает как сетчатый свод-оболочка с жесткими узловыми сопряжениями. Эпюры перемещений узловых точек покрытия приведены на рис.75. Следует отметить значи ­ тельные величины перемещений узловых точек покры ­ тия, возникающие при загружении, по сравнению с расчетными, что объясняется подвижностью шарнир- ны узловых соединений покрытия. Наибольшие значе ­ ния перемещений (21,4 и 16,5 см) наблюдались соот ­ ветственно в центральной и боковой частях покрытия. Под нагрузкой покрытие, деформируясь, приобре ­ тает седловидную форму — в продольном направлении прогибается вниз центральная часть, а в поперечном выпучиваются наружу боковые части (рис.76) . При нагружении происходит стабилизация конструкции, в результате чего она становится более жесткой. По представленной на рис. 75 зависимости между внешней нагрузкой и перемещением можно судить и о том, как протекает процесс накопления и возврата упругой энер ­ гии деформации в ходе нагружения покрытия и после ­ дующей его разгрузки. Можно видать, что сетчатое по ­ крытие из слоистых стержневых элементов с шарнир ­ ными узловыми сопряжениями обладает способностью запасать упругую энергию деформации без разрушений в большей степени, чем сетчатый свод-оболочка с жест ­ кими узловыми сопряжениями. В сетчатом покрытии из слоистых стержневых эле ­ ментов при действии равномерно распределенной на ­ грузки на половине поверхности картина деформации в поперечном направлении несколько иная, чем в сетча ­ том своде-оболочке с жесткими узловыми сопряжени ­ ями. Центральная часть половины поверхности покры ­ тия, находящаяся под нагрузкой, прогибается вниз, а боковая часть этой половины выпучивается наружу (рис. 77). Схема деформации сетчатого покрытия при одностороннем загружении (рис. 78) похожа на схему деформации при полном загружении, но с некоторым смещением в сторону приложения нагрузки. Это связа ­ но с тем, что шарнирные узловые соединения элемен ­ тов лишают бокового смещения покрытие в целом при одностороннем загружении. Наибольшие вертикельные перемещения возникают в центральной части загру ­ женной половины покрытия и составляют 14,1 см, на ­ ибольшие горизонтальные перемещения — в боковых частях покрытия и составляют 7,9 и 8,1 см. Из графика зависимости между внешней нагрузкой и узловым перемещением покрытия (см. рис.78) видно, что процесс накопления и возврата упругой энергии де ­ формации носит уже более равномерный характер. Это объясняется приработкой элементов конструкции в ре ­ зультате ранее проводимых двухсторонних нагружений и разгружений покрытия. При загружении сетчатого покрытия односторонней, двухсторонней и сосредоточенной нагрузками в гибких наружных слоях стержневых элементов возникали толь ­ ко растягивающие напряжения, а во внутреннем жест ­ ком слое (призматических стержнях) — только сжима ­ ющие. Наиболее напряженными местами в конструк ­ ции сетчатого покрытия оказались центральная и боко ­ вая зоны. В центральной зоне были растянуты нижние гибкие пояса, а в боковых зонах — верхние. Максималь-