29 Апреля 2016

Глазунов А.Ю., к.т.н., ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко

Глазунов А.Ю., к.т.н., ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко

Складчатая металлическая конструкция с эффективной теплоизоляцией для ограждения здания (а.с. № 949116)

С целью расширения области применения и повышения эффективности легких слоистых ограждающих конструкций в лаборатории легких конструкций и теплоизоляционных материалов ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко разработана полносборная большеразмерная сборно-разборная призматическая складчатая конструкция из металла и пенопласта для ограждения производственных, общественных и др. зданий [ 1, 2].

Конструкция базируется на раздвижном транспортно-монтажном элементе в виде сложенной «гармошкой» прямоугольных граней двухслойной складчатой системы, соединенных между собой по длинным сторонам дискретными шарнирами через продольные ребра, обрамляющие грани. При складировании, перевозке и начале монтажа транспортно-монтажный элемент в одном из возможных вариантов имеет ширину и высоту ориентировочно 3 м и длину от 12 до 24 м и при монтаже может раскрываться на длину до 60 м (рис. 1).


Рисунок 1.

В этом случае существенно сокращаются сроки и стоимость монтажа ограждающей конструкции, и имеется возможность унификации конструкции с созданием их разных типов с различными пролетами и несущей способностью на основе одной и той же конструкции транспортно-монтажного элемента.

Такой элемент способен образовывать призматические, в частности, треугольные складчатые конструкции покрытия стен, плоские ограждающие конструкции стен, а также использоваться как висячая конструкция покрытия.

В качестве треугольного складчатого покрытия конструкция может перекрывать пролеты до 24 м, а в отдельных случаях до 36 м. При пролетах складки 12, 18 и 24 м ее высота составит примерно 1,0 , 1, 6 и 2,2, а ширина (длина волны) – примерно 6, 5 и 4 м.

При снеговой нагрузке 0,5 -2,5 кН/м2 собственная масса покрытия на м2 горизонтальной проекции равна 25-65 кг при расходе стали 15-35 кг.

В сравнении с типовой конструкцией плоского покрытия для бескрановых бесфонарных производственных зданий со стальным каркасом, состоящим из профилированного настила (Н60-845-0,9, ГОСТ 24045-80) и полиуретанового пенопласта, предлагаемая складчатая конструкция пролетом 24 м с пенопластом имеет меньший расход стали на м2 горизонтальной поверхности – примерно на 7-11 кг (20-30 %) без учета расхода металла на вертикальные и горизонтальные связи плоского покрытия. Кроме того складчатое покрытие по сравнению с плоским является более индустриальным, позволяет уменьшить трудоемкость, стоимость транспортирования и монтажа, а в конечном счете удешевить и ускорить сроки строительства.

Принципиальное конструктивное решение складчатого транспортно-монтажного элемента, представленного на рис. 1, основано на базовых конструкционных элементах – продольных ребрах, например, из стальных гнутых профилей, обрамляющих грани складки, состоящих из профилированных листов (ГОСТ 24045-86) и припененного к ним утеплителя из пенопласта, или же из отдельных двухслойных панелей заводского изготовления с утеплителями, например, из пенополиуретана (ГОСТ 24524-80), перлитопластбетона (новолачного пенопласта), а также из минераловатных плит. Образующая поверхности профилированных граней направлена перпендикулярно основному пролету складки (конструкция с поперечно-гофрированными обшивками). Также основным конструкционным элементов является устройство для восприятия на опорах складки реакций от нагрузки в виде сосредоточенных сил и распределенных сдвигающих усилий. В рассматриваемой конструкции могут быть стержневые элементы, расположенные в плоскости граней складки, или элементы в виде опорных диафрагм, в том числе складные.

Соединения элементов между собой выполняются сварными, клеесварными, заклепочными или болтовыми. Для защитно-декоративного слоя поверх утеплителя целесообразно использовать мембраны из полимерных материалов с защитой от ультрафиолетового излучения, или материалов на основе алюминиевой фольги, например, фольгоизола. Утеплитель в зоне стыка граней между собой выполняется из поролона, пропитанного паронепроницаемым составом.

Практический расчет напряженно-деформированного состояния двухслойной складчатой призматической конструкции на распределенные нагрузки от снега и ветра допускается производить раздельно вдоль – в направлении образующей складки, то есть в направлении пролета конструкции , и поперек – в направлении направляющей складки.

При расчете на поперечный изгиб в направлении пролета складки конструкция представляется работающей в плоскости каждой из граней как балка, в которой ребра воспринимают продольные нормальные усилия, а грани – сдвигающие усилия. В коротких складках следует учитывать влияние на прогиб складки деформации сдвига граней. Ребра проверяются на прочность и устойчивость при продольно-поперечном изгибе, а грани – на прочность и устойчивость при сдвиге с учетом их подкрепления утеплителем.

В поперечном направлении складки как одиночная, так и многоволновая, рассчитывается из условия равновесия и деформации полосы, «вырезанной» по ширине граней, в рассматриваемом случае с шириной, равной расстоянию между дискретными шарнирами. Расчет прочности и прогиба граней производится как балочных плит при опирании на продольные ребра с передачей на них поперечных усилий, учитываемых, как сказано выше, при расчете продольных ребер. Нижние и верхние шарниры складки работают на усилия распора в поперечном направлении складки и, в общем случае, на сдвигающие усилия вдоль пролета складки. Стержневые диафрагмы, установленные в опорных зонах складки, рассчитываются на прочность и устойчивость при продольно-поперечном изгибе при воздействии сосредоточенного усилия в месте опирания диафрагм и сдвигающих распределенных усилий в местах соединения граней складки со стержневыми диафрагмами.

Для установления действительной работы складчатой конструкции в лаборатории была разработана и изготовлена натурная конструкция, представляющая собой фрагмент в виде рядовой волны многоволнового треугольного складчатого покрытия, испытанная на кратковременную распределенную нагрузку, имитирующую снеговую.


Рисунок 2.

Конструкция «Л» - образной формы при свободном опирании по торцам имела пролет равный 18 м, ширину (длину волны) 5 м и высоту 1,6 м. Грани складки (рис. 2) выполнены из двухслойных панелей с профилированными листами Н40-711-0,8 из стали марки Вст3кп и приформованному к ним вспениванием и приклеиваемым на клее 88Н фенольного фенопласта ФРП-1 толщиной 100 мм, плотностью 120 кг/м3. Продольные ребра и стержневые диафрагмы из стали марки Вст3.

Профилированные листы крепились между собой и с ребрами болтами диаметром 6 мм, а с диафрагмами – стальными заклепками того же диаметра. В коньке складки ребра соединялись между собой цилиндрическими шарнирами с шагом 680 мм верхних шарниров и 1 м нижних.

Испытание складки проводилось на спроектированном лабораторией испытательном стенде. Нагружение складки осуществлялось четырьмя гидравлическими домкратами с усилиями по 5 тс через распределительную систему балок, состоящих из швеллеров, подвешиваемых на тяжах к отрезкам из швеллеров, расположенных на наружной поверхности профилированных граней и прикрепленных к ним болтами.

Нагружение проводилось поэтапно. В конце каждого из этапов измерялись относительные деформации обшивок с помощью автоматического и полуавтоматического тензометрических комплектов ТК-2 и ТК-1, каждый из которых опрашивал около 400 проволочных петлевых тензорезисторов. Прогибы и осадки опор определялись прогибомерами и индикаторами часового типа, а возможная податливость болтовых соединений - тензометрическими преобразователями перемещений ППТ-5.


Рисунок 3.

Проведены три цикла испытаний. Результаты измерений в последних двух циклах были практически идентичными друг другу. Напряжения и прогибы элементов конструкции складки представлены на рис. 3. Линейность нормальных, сдвигающих напряжений и прогибов наблюдалось до нагрузки 2 кН/м2. До момента разрушения складки не обнаруживалось никаких визуальных или акустических признаков нарушения целостности конструкции. Разрушение произошло от потери устойчивости при сдвиге одной из профилированных граней складки при нагрузке 4,1 кН/м2 (рис. 4, 5).

Результаты расчета в интервале линейности напряжений и прогибов от нагрузки удовлетворительно совпало с результатами эксперимента – максимальное расхождение не превышало 20 %.

Литература

  1. Глазунов А.Ю., Расс Ф.В., Ермолов С.Б., Бобряшов В.М., Столыпин Н.Н., Милейковский И.Е., Ушаков В.Н., Храмцовская С.М. Складчатое раздвижное пространственное покрытие здания. – Авт. Свид. № 949116, заявл. 22.01.81, опубл. 07.04.82.
  2. Чистяков А.М., Гурьев В.В., Глазунов А.Ю. Пространственные ограждающие конструкции зданий на основе профилированных листов и трудносгораемых пенопластов. – В кн.: Теория и экспериментальные исследования пространственных конструкций. Применение оболочек в инженерных сооружениях. Труды Международного конгресса, т. 2 – М., ЦНИИСК, 1984, с. 297-307.

Глазунов Андрей Юрьевич – ведущий научный сотрудник ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, к.т.н., телефон: 8(499)-174-73-42, e-mail: golubava@cstroy.ru.