Комбинированные конструкции, брестский технологический акцент

В мировой строительной практике создано огромное количество уникальных металлических структурных систем покрытий зданий и сооружений, отличающихся как оригинальными архитектурными формами, так и уникальными, новаторскими, конструкторскими решениями их исполнения, включающими как использованием различных конструкций стержневых элементов, так и узлов их сопряжения. Несмотря на многообразие форм, наибольшее распространение в пространственных системах большепролетных покрытий получили трубные профили, являющиеся оптимальным сечением стержня, работающего на восприятие осевых усилий. Кроме того, при значительных ветровых нагрузках они имеют минимальный коэффициент аэродинамического сопротивления.

Из множества применяемых в практике строительства узловых соединений, пригодных для любых нагрузок по прочности, для объединения трубчатых профилей наибольшее распространение получили комбинированные узлы систем «Меро» и «Веймар» (Германии), «МАрхИ» (Россия), NS (Япония), а также узловые сопряжения с использованием монтажной сварки «Октаплатт» (Германия) и SDS» (Франция).

Конструкция стержней и узлов структурной конструкции системы «БрГТУ»

В настоящее время в разработке структурных покрытий для уникальных большепролетных сооружений Республика Беларусь имеет несомненный приоритет. В Брестском государственном техническом университете специалистами кафедры строительных конструкций создана новая металлическая структурная конструкция, получившая название система «БрГТУ», отличающаяся от известных структурных систем конструкцией узлового соединения и стержня структуры. Данная система позволяет создавать структурные конструкции любой архитектурной формы и выразительности, позволяет перекрывать сооружения с пролетами более 150 м с различными очертаниями в плане. Структурная система «БрГТУ» отличается от общеизвестных простотой сборки конструкции перекрытий как непосредственно на проектной отметке, так и вблизи строящегося сооружения.

Конструктивные и строительные преимущества структур системы «БрГТУ» свидетельствуют об экономической целесообразности их применения: расход стали сокращается до 20%, трудозатраты на строительной площадке – до 25%, сроки возведения – в 1,5 раза.

Система «БрГТУ» отличается от других систем конструктивными решениями узлов и стержней, обладает научной и технической новизной и защищена более 15 патентами на изобретение.

Узловой элемент «БрГТУ» в законченном изготовленном виде представляет собой полый толстостенный шар-сферу с отверстиями в стенке, в которые устанавливаются на сферических шайбах высокопрочные болты, имеющие возможность вкручиваться в специальные гайки трубчатых стержней

Шар изготавливается их двух полусфер, полученных путем горячего прессования из листового проката, соединенных стыковым швом с разделкой кромок. В полусферах имеются отверстия под крепежные (высокопрочные) болты, диаметром на 1,0 мм больше диаметра соответствующего болта. Высокопрочные болты пропущены со стороны полости шара через данные отверстия и имеют возможность свободного вращения вокруг собственной оси, что обеспечивает свободную сборку элементов решетки структуры. Болты снабжены двумя гайками – силовой и контргайкой, которые в проектном положении надежно стопорят высокопрочный болт относительно стержня структуры и сферы узлового элемента. Между головками болтов и внутренней поверхностью шара, а также силовыми гайками и наружной поверхностью шара установлены специальные жесткие шайбы со сферическими поверхностями.

Стержни структуры изготавливаются из круглых бесшовных труб. Для их соединения с болтами узлов в торцы труб устанавливаются и привариваются по контуру специальные круглые гайки с резьбовыми отверстиями.

Запроектированное конструктивное решение системы «БрГТУ» позволяет достаточно точно и однозначно выделить характер и направление силового потока в узле. Передача усилия со стержневого элемента на болт происходит через резьбовое соединение гайки стержня и болта, при этом контргайка служит только для стопорения стержневого элемента, а ее работой при передаче симметричного усилиия пренебрегают. Передача усилия с болта на стенку сферы узла зависит от знака усилия и происходит в следующей последовательности: сжимающее усилие в стержне через резьбу передается на силовую гайку, далее на наружную шайбу и через нее – на стенку сферы, а усилие растяжения – с головки болта на внутреннюю шайбу и далее на стенку шара.

Данное узловое соединение относится к наиболее технологичному типу узловых систем – комбинированному, но имеет ряд новаторских конструкторских решений, выгодно отличающих его от других используемых систем. Выполнение отверстий в стенке полого шара диаметром, превышающим диаметр болтов, обеспечивает возможность поворота болтов при сборке узла на расчетный угол, что в значительной степени упрощает сборку и позволяет снизить допуски при изготовлении узла и стержней структурной конструкции. Применение под высокопрочные болты специальных шайб со сферическими, обращенными к шару поверхностями обеспечивает абсолютную центровку стержней на центр узла при закручивании силовой гайки, исключая появление эксцентриситетов. Возможность регулирования зазора между гайками в узле позволяет компенсировать неточности изготовления деталей и включить в работу абсолютно все стержни конструкции путем создания начального полезного усилия в стержнях пространственной системы.

Особенности расчета

Конструктивная особенность системы «БрГТУ», применение сферических толстостенных узлов позволяют допустить при расчете гипотезу о шарнирном соединении узлов и значительно упростить статическую схему. Была разработана, конечно, элементная модель, которая позволяет учесть особенности действительной работы структурной конструкции. Стержни структурной оболочки описываются пространственными стержневыми конечными элементами, в каждый узел конструкции вводятся только три связи (W, U, V), исключающие только линейное смещение узлов, а в стержнях возникают только продольные усилия. Сравнение численных расчетов с результатами натурных испытаний большеразмерных фрагментов, большепролетных покрытий Летнего амфитеатра в Бресте, Ледового дворца в Пружанах, Летнего амфитеатра в г. Витебске показало, что все стержни центрально растянуты или сжаты, расчетные и экспериментальные значения хорошо соответствуют друг другу в пределах, не превышающих 5–10%, незначительные изгибающие моменты в стержнях обусловлены случайными эксцентриситетами, связанными с разностенностью труб и местными погибами труб, возникшими при прокатке.

При расчетах устойчивости стержней структуры «БрГТУ» предлагается принимать в качестве расчетной длины расстояние между центрами узлов. Конструкция узла реализует очень близкое к шарнирному примыкание стержня. В момент потери устойчивости обнаружен поворот болта в отверстии полого шара, что дает возможность назначать свободную длину стержня как расстояние между сечениями с нулевыми моментами исходя из классического его понимания.

Проведены исследования работы стержней на сжатие в составе натурной конструкции. Несущая способность сжатого стержня определялась по критерию достижения им в процессе нагружения точки нулевой отпорности, при котором сжимающая сила в элементе достигает максимума, называется критической, а последующее деформирование – закрититческим и характеризуется уменьшением сжимающего усилия. (на мой взгляд, здесь явно лишнее слово «определялось»)

Построены экспериментальные кривые отпорности для стержней структуры с гибкостью λ = 110; λ = 90; λ = 70. Сравнение экспериментальных критических усилий в стержнях, с расчетными критическими усилиями, полученными по методикам СНиП II‑23–81, показало превышение экспериментальных значений над расчетными. Расчет сжатых стержней структурных конструкций системы «БрГТУ» по СНиП II‑23–81 обеспечивает запас несущей способности в 1,2–1,4 раза.

Достижение в растянутом стержне предела текучести стали приводит к перераспределению приращения растягивающего усилия на другие растянутые стержни. Конструкция продолжает воспринимать нагрузку.

Анализ конструктивного решения узла структурной конструкции системы «БрГТУ» позволил установить, что его несущая способность должна определяться исходя из несущей способности высокопрочных болтов и несущей способности толстостенной сферы. Высокопрочные болты рассчитывались по условию:

Nmax ≤ 0,5Rbun ∙ Abn.

Было исследовано напряженно-деформированное состояние толстостенной сферы с отверстиями и подкрепляющими шайбами, нагруженной локальными нагрузками от усилий в стержнях структуры. Разработана элементная модель, проведено ее экспериментальное подтверждение на натурных испытаниях узлов при одноосном и многоосном нагружении.

Был выполнен численный анализ напряженно-деформированного состояния полого шара с отверстиями и подкрепляющими шайбами при многоосном нагружении локальными нагрузками и установлены закономерности распределения напряжений и деформаций в зависимости от диаметра и толщины полого шара, размеров подкрепляющих шайб, величины локальных нагрузок.

Установлено, что при любых соотношениях усилий в стержнях структуры исчерпание несущей способности узла происходит всегда в результате развития пластических деформаций стали в кольцевой зоне вокруг шайб, сопровождающихся выпучиванием или вдавливанием стенки шара при растяжении или сжатии соответственно. Появление пластических деформаций, изменяющих форму шара в других зонах, либо образование трещин в его стенке не происходит.

Разработана достоверная методика определения несущей способности узлов структурной конструкции, основанная на сопоставлении максимального усилия, действующего на узел, с максимальным допускаемым усилием, назначенным на основании диаграммы деформирования («нагрузка–деформация») при одноосном растяжении или сжатии полого шара с отверстиями и подкрепляющими шайбами. За допускаемую нагрузку на узел принимаются значения N = 0,6Nпред.

Разработан сортамент узлов с различными диаметрами и толщиной полых шаров, размерами подкрепляющих шайб и высокопрочными болтами для восприятия усилий в стержнях структуры от 100 до 1000 кН. Предложенная конструкция узлов обеспечивает высокую надежность по сравнению с конструктивными решениями («Меро», «Мархи» и др.) за счет исключения силовых и конструктивных эксцентриситетов, включения в работу всех стержней, обеспечения требуемой точности сборки и проектного положения структурной конструкции.

Опыт применения

Структурная металлическая конструкция системы «БрГТУ» достаточно быстро на территории Республики Беларусь получила признание архитекторов и проектировщиков и в настоящее время имеет несомненный приоритет по отношению к другим системам пространственных конструкций. Об этом свидетельствует не только факт широкого применения данной конструктивной системы по всей республике в качестве покрытий общественных зданий, культурно-развлекательных и спортивных сооружений, но и то, что данная конструкция была использована при возведении уникальных сооружений, таких как, например, покрытие Летнего амфитеатра в Витебске.

Впервые запроектированный, построенный и натурно испытанный объект с применением структуры системы «БрГТУ» был разработан для покрытия театра эстрады в Бресте. Покрытие сцены театра выполнено в виде консольной структурной плиты с размерами в плане 18,0 х 22,5 м с высотой плиты 1,06 м и размером ячеек 1,5 х 1,5 м, при этом вылет консоли составил более 15 м.

Как показали результаты проведенных натурных испытаний, усилия, полученные экспериментально, во всех случаях оказались несколько ниже либо равными соответствующим усилиям, полученных численным путем. Это является следствием ужесточения работы узловых соединений в условиях сложного нагружения, а также эффективного конструктивного решения узлового элемента, при котором в процессе сборки линейные элементы структурной плиты включаются в работу благодаря фиксированной величине натяга. Отклонения максимальных усилий в стержнях составили для растянутых элементов нижнего пояса 11,8%, для сжатых элементов верхнего пояса – 17,3%, для элементов решетки – 19,3%. Деформации узлов структурной конструкции, полученные в результате испытаний, незначительно (6,7%) отличаются от полученных в результате теоретического расчета и составили в консольной части 65 мм, при предельно допустимых 128 мм.

Интенсивные экспериментальные исследования новых узловых соединений системы «БрГТУ» позволили выполнять проектирование более сложных структурных систем покрытий. Вторым объектом, на котором применили эффективные конструкции системы «БрГТУ», стало предварительно напряженное структурное покрытие с затяжками для Ледовой арены в Пружанах. Размеры покрытия в плане – 39,0 х 63,0 м, высота плиты в осях – 3,0 м, размер ячеек плиты – 3,0 х 3,0 м. Регулярная пространственная конструкция образована двумя прямоугольными плитами, соединенными в коньке и создающими два ската с уклонами 8°. Структурная плита опирается по контуру крайними узлами нижнего пояса на сталежелезобетонные колонны, расположенные с шагом 6 и 3 м и образующие в плане прямоугольник с размерами сторон 39 и 63 м. В связи с необходимостью восприятия реакции распора в уровне опорных узлов нижнего пояса плиты устанавливаются затяжки с шагом 3 м в направлении, параллельном меньшему пролету. Затяжки располагаются с пятого узла нижней поясной сетки структуры при начале отсчета в торцах плиты.

Но, несомненно, наиболее значимым среди всех запроектированных объектов на данный момент занимает большепролетное комбинированное пространственное покрытие Летнего амфитеатра в Витебске. (здесь несогласование по смыслу. Я бы заменила на слово «является» слово «занимает», или в первой части мысль продолжить) Комбинированная стержневая система состоит из структурной цилиндрической оболочки, усеченной двумя наклонными плоскостями и подкрепляющих ее девяти вертикальных арок (пять нижних и четыре верхних), а также двух наклонных арок. Пролет оболочки более 120 м, ширина покрытия переменная и изменяется от 24,0 м на опорах до 71,0 м в средней части покрытия. Высота подъема осей нижних вертикальных арок от точки входа в фундамент – 18,5 м, высота покрытия по осям арок – 3,32 м. Радиус нижней поясной сетки структурной оболочки по центрам узлов составляет почти 107 м, радиус верхней поясной сетки по центрам узлов достигает практически 110 м, высота сечения оболочки – 2,51 м, размер ячеек верхней поясной сетки – 3,0 х 3,0 м, нижней поясной сетки – 3,0 х 2,931 м.

Необходимо отдельно отметить, что для данного объекта были проведены уникальные в мировой практике натурные испытания, которые подтвердили высокую надежность конструктивной системы «БрГТУ» (максимальный прогиб при полной нормативной нагрузке в консольной части оболочки составил 80 мм, наибольшие усилия не превысили 50% от предельно допустимых). Кроме этого, с момента ввода в эксплуатацию данного уникального объекта специалистами кафедры строительных конструкций производится сезонный мониторинг технического состояния конструкций сооружения, анализ и оценка напряженно-деформированного состояния наиболее нагруженных элементов структуры.

В настоящее время на основании накопленных экспериментальных и теоретических данных разработана достоверная методика определения несущей способности элементов структурной системы «БрГТУ», которая позволила разработать сортамент узловых соединений для восприятия усилий от 100 до 1000 кН.

За короткое время с применением новой структурной системы в Республике Беларусь запроектировано более двух десятков уникальных большепролетных покрытий, половина из них уже построена. В их числе:

• покрытие универсального спортивного зала МКСК «Минск-Арена» (размеры структуры в плане 24,0 х 42,0 м, высота плиты в осях – 2,62 м, размер ячеек плиты – 3,0 х 3,0 м) и козырек над центральным входом МКСК «Минск-Арена» (плита криволинейного очертания в плане с высотой структуры в осях – 1,7 м, шириной – 17,71 м и длиной покрытия по наружной дуге – 45,72 м;
• комбинированное консольное покрытие над западной трибуной стадиона «Спартак» в Могилеве (размер структурной плиты в плане – 131,0 х 14,0 м, высота плиты в осях – 1,414 м, размеры ячеек поясных сеток – 2,0 х 2,0, 2,0 х 2,125 и 2,0 х 2,25 м;
•  комбинированное покрытие Дворца водных видов спорта в Бресте (размеры цилиндрической структурной оболочки в плане по осям крайних элементов нижней поясной сетки – 36 х 42 м, высота структурной оболочки – 2,11 м, размер ячеек верхней поясной сетки – 3,0 х 3,0 м, размеры ячеек нижней поясной сетки – 2,82 х 3,0 и 2,93 х 3,0 м);
• покрытие здания «Олимпийского комплекса» штаб-квартиры НОК Республики Беларусь в Минске – в виде купола, опирающегося шарнирно на верхнюю полку стального опорного кольца, заделанного в железобетонную плиту перекрытия. Конструкции запроектированы в виде двухслойной сетчатой оболочки из стержней с расстояниями между слоями 1,64 м и другие.

Андрей Шурин, доцент кафедры строительных конструкций БрГТУ, к. т. н.