БЕСКАРКАСНЫЙ ДВУХСЛОЙНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ СВОД

Полезная модель относится к области строительства, а именно к конструкциям из тонколистовых холодногнутых профилей и предназначена, преимущественно, для применения в качестве бескаркасного цилиндрического двухслойного покрытия зданий и сооружений.
Известны металлические однослойные несущие арочные своды из профилированных листов [Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений (Справочник проектировщика) под ред. В.В.Кузнецова - М.: изд-во АСВ, 1998. С.233-234].
Основными элементами таких конструкций являются волнистые листы с синусоидными гофрами высотой 35 мм из стали марки 09Г2Д толщиной 2-2,5 мм, длиной 1760 мм, шириной 975 мм с антикоррозионным покрытием цинком толщиной не менее 20 мкм на каждой стороне листа. Торцевые листы выполняют плоскими, листы покрытия изогнуты по дуге радиусом 6,2 м. Листы соединяют друг с другом внахлест с помощью болтов диаметром 16 мм. Квадратные шайбы, применяемые для болтовых соединений листов, имеют специальную форму - плоско-выпуклую и плоско-вогнутую. Метизы крепления (болты, гайки, шайбы) подвергают гальваническому цинкованию с толщиной покрытия 6-25 мкм. Для повышения жесткости конструкции покрытия в нескольких поперечных сечениях здания, расположенных в средней его трети, установлены затяжки.
Недостатками таких конструкций являются сравнительно небольшие пролеты, перекрываемые однослойным арочным сводом, а также невозможность использования эффективного утеплителя в его конструкции.
Известны покрытия арочного типа, выполняемые из тонколистовых холодногнутых профилей со встроенным каркасом [Пат. 2316634 РФ, МПК Е04В 7/08 (2006.01). Покрытие арочного типа/Еремеев П.Г., Армейский М.Ю., Бурлай С.И., Киселев Д.Б.].
Покрытие арочного типа включает тонколистовые холодногнутые профили, соединенные между собой, и опорные столики, установленные с шагом, равным ширине тонколистового профиля, приваренные к закладным деталям железобетонного перекрытия, для крепления к ним холодногнутых арочных профилей с помощью болтов. Кроме того, покрытие усилено в опорных зонах дополнительными тонколистовыми профилями длиной 500÷1000 мм, прикрепленными комбинированными заклепками к арочному профилю.
Недостатком этой конструкции является ее трудоемкость. Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является [Пат. 2287644 РФ, МПК Е04В 1/32 (2006.01). Бескаркасное двухслойное арочное здание из тонколистовых холодногнутых профилей/ Еремеев П.Г., Киселев Д.Б., Бурлай С.И., Армейский М.Ю.]. Данная конструкция включает слой из тонколистовых холодногнутых профилей, формируемых на строительной площадке из рулонированного металла и соединенных между собой закаткой фальцевого замка, а также снабжена расположенным сверху вторым слоем из тонколистовых профилей, идентичных профилям первого слоя, и объединенным с последним через установленные между слоями перфорированные прогоны. Прогоны закреплены с помощью самонарезающих болтов к контактирующим с прогонами фланцам первого слоя, а к верхнему слою с помощью листовых кляммеров, установлены в верхнем профиле закаткой в фальцевый замок, при этом оба слоя сопряжены с фундаментом с помощью болтов через листовые накладки, установлены на разных уровнях с перепадом по высоте, и усилены в опорной зоне дополнительным тонколистовым профилем. Прогоны установлены с шагом 1,2-1,8 м. Листовые кляммеры установлены в каждом третьем профиле.
Перепад по высоте листовых накладок составляет 150-200 мм. Длина дополнительного тонколистового профиля составляет 500 мм.
Недостатком этой конструкции является недостаточно большая величина изгибной жесткости свода и, как следствие, малые перекрываемые пролеты.
Задачей заявляемой конструкции является повышение изгибной жесткости бескаркасного двухслойного цилиндрического свода из тонколистовых холодногнутых профилей.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной конструкции сборные прогоны установлены так, что каждая продольная ось сборного прогона представляет собой ломаную линию с одинаковым углом а отклонения прямолинейных участков ломаной линии от продольной прямой свода для всех прямолинейных участков, при этом верхние полки каждого сборного прогона соединены между собой в области вершин ломаной линии; сборные прогоны выполнены из прямолинейных элементов шляпного или Z-образного сечения; длины прямолинейных участков ломаных линий сборных прогонов не превышают 2 м; угол отклонения α не превышает 10°; верхние полки каждого сборного прогона соединены между собой при помощи заклепок.
Полезная модель поясняется прилагаемыми чертежами, где:
- на фиг.1 приведена схема бескаркасного двухслойного цилиндрического свода с прогонами из шляпных профилей;
- на фиг.2 - схема бескаркасного двухслойного цилиндрического свода с прогонами Z-образного сечения;
- на фиг.3 - узел А по фиг.1 бескаркасного двухслойного цилиндрического свода из арочных заготовок с прогонами из шляпных профилей;
- на фиг.4 - узел Б по фиг.2 бескаркасного двухслойного цилиндрического свода из арочных заготовок с прогонами из Z-образных профилей;
- на фиг.5 - разрез 1-1 по фиг.3;
- на фиг.6 - разрез 2-2 по фиг.4;
- на фиг.7 - фрагмент соединения между собой соседних шляпных профилей в прогоне (узел В по фиг.5);
- на фиг.8 - узел Г соединения соседних Z-образных профилей в прогоне;
- на фиг.9 - условная схема размещения прогона длиной 2 м на бескаркасном двухслойном цилиндрическом своде радиусом 8 м.
- на фиг.10 - таблица, сдвиговая жесткость бескаркасного двухслойного цилиндрического свода;
- на фиг.11 - график прогибов двухслойного бескаркасного арочного здания-прототипа (Д - график прогибов верхнего слоя прототипа, Е - график прогибов нижнего слоя прототипа);
- на фиг.12 - график прогибов бескаркасного двухслойного цилиндрического свода.
Бескаркасный двухслойный цилиндрический свод содержит внешний 1 и внутренний 2 профилированные листы, объединенные между собой по высоте с помощью шляпных 3 или Z-образных профилей 4, при этом каждая продольная ось сборного прогона представляет собой ломаную линию с одинаковым углом α отклонения прямолинейных участков ломаной линии от продольной прямой свода для всех прямолинейных участков, не превышающим 10°. Верхние полки соседних профилей в сборном прогоне соединены между собой в области вершин ломаной линии с помощью заклепок 5 (фиг.1-8).
Для возможности соединения верхних полок соседних сборных элементов в прогоне между собой в области вершин ломаной линии с помощью заклепок 5 используют верхнюю полку шириной не менее 80 мм. В прогонах из сборных элементов других сечений используется меньшая ширина полки.
Цилиндрическая форма заявляемой конструкции ограничивает возможность использования больших углов отклонения α. Во избежание образования большого зазора между шляпными профилями и профилированными листами покрытия угол отклонения α принимают не более 10° (фиг.5-8).
При размещении шляпного профиля 3 длиной 2 м углом отклонения α=10° на бескаркасном двухслойном цилиндрическом своде радиусом 8 м на концах элемента сборного прогона образуется зазор 3-5 мм, который подлежит обжатию по радиусу покрытия при монтаже шляпных профилей (фиг.9).
Изгибная жесткость бескаркасного двухслойного цилиндрического свода зависит от его сдвиговой жесткости (горизонтального смещения верхнего и нижнего слоев относительно друг друга). С увеличением сдвиговой жесткости предлагаемой конструкции возрастает ее изгибная жесткость.
Для получения количественных значений сдвиговой и изгибной жесткостей предлагаемой конструкции и сравнения этих значений со значениями аналогичных параметров прототипа проведен ряд сравнительных вычислений на примере бескаркасного двухслойного цилиндрического свода и прототипа, составленных из конкретных профилированных арочных заготовок.
1. Анализ сдвиговой жесткости предлагаемой конструкции из шляпного профиля со следующими размерами [ТУ 112-235-39124899-2005. Профили стальные гнутые арочные с трапециевидными гофрами / СибНИИстрой. - Новосибирск, 2005. - 18 с.].:
- высота h=200 мм (усредненная величина необходимой толщины эффективного утеплителя для г.Омска);
- ширина верхней полки b1=80 мм;
- ширина нижних полок b2=40 мм;
- толщина профиля t=0,5 мм;
- длина сборного прогона L=0,5 м.
Сдвиговая жесткость бескаркасного двухслойного арочного свода С рассчитывается по формуле:
где Δ - значение перемещения верхней полки в направлении единичной нагрузки или сдвиговая податливость предлагаемой конструкции, мм/н.
Определение сдвиговой податливости бескаркасного двухслойного цилиндрического свода при нагружении последнего единичной сдвигающей нагрузкой проводилось с помощью программного комплекса «Лира» методом конечных элементов.
При α=0°, когда шляпные профили смонтированы по прямой линии (прототип), двухслойный бескаркасный свод имеет сравнительно малую сдвиговую жесткость. С поворотом шляпных профилей на угол отклонения α ось каждого сборного прогона превращается в ломаную линию (фиг.5-8), при этом с увеличением угла отклонения α сдвиговая жесткость предлагаемой конструкции увеличивается. Полученные в результате расчетов данные приведены в таблице (фиг.10).
При соединенных верхних полках соседних шляпных профилей, с увеличением угла отклонения α от 0° до 10° сдвиговая податливость предлагаемой конструкции, уменьшается более чем в 15 раз по сравнению с прототипом, а с увеличением угла до 25° - уменьшается более чем в 200 раз.
2. Анализ изгибной жесткости:
Расчет изгибной жесткости проводился в среде стандартного процессора MS Excel с использованием схемы Эйлера интегрирования дифференциальных уравнений, описывающих напряженно-деформированное состояние внутреннего и внешнего слоев бескаркасного двухслойного цилиндрического свода. Шляпные профили представлены в данном расчете в виде упругих стержневых элементов, работающих по консольной схеме в режиме поперечного изгиба [Макеев С.А., Рудак А.В. Математическая модель бескаркасного двухслойного арочного свода на основе листового стального профилированного продольно-гнутого проката//Строительная механика и расчет сооружений. - 2009. - №2]. В качестве примера приведены результаты статического расчета для конкретного бескаркасного двухслойного арочного здания - прототипа. Бескаркасное двухслойное арочное здание имеет пролет 30,0 м, стрелу подъема 2,5 м, и составлено из цилиндрических верхнего и нижнего профилированных продольногнутых листов Н60х1 [ТУ 112-235-39124899-2005. Профили стальные гнутые арочные с трапециевидными гофрами / СибНИИстрой. - Новосибирск, 2005. - 18 с.]. Бескаркасное двухслойное арочное здание загружено собственным весом и снегом по варианту 1 [СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия/ Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП Госстроя России, 2003 - 67 с.]. Восемь шляпных профилей равномерно распределены по бескаркасному двухслойному арочному зданию, пролет которого в программе разбит на 200 частей.
Результаты расчета представлены в виде графика на фиг.11. При этом максимальный радиальный прогиб прототипа V составил 42 мм.
Для сравнения рассчитана изгибная жесткость предлагаемого бескаркасного двухслойного цилиндрического свода с параметрами, аналогичными параметрам прототипа. Ввиду сложности статического расчета подобной конструкции, а также учитывая то, что сдвиговая податливость предлагаемой конструкции при угле α отклонения сборных прогонов равном 25° крайне мала (таблица), принимают для этого случая шляпные профили в виде абсолютно жестких на сдвиг связей.
х
Это позволяет приближенно привести бескаркасный двухслойный цилиндрический свод с углом отклонения α=25° к однослойному с эквивалентным моментом инерции сечения I:
,
4
где  - момент инерции верхнего и нижнего профилированного листа, мм/м;
а
- расстояние от центра тяжести листа до центра тяжести сечения, мм;
2
А - площадь поперечного сечения листа, мм/м.
Таким образом:
x
*
2*
4
I=2(807800+1051425)=33036850 мм/м.
Аналогично прототипу рассчитан предлагаемый бескаркасный двухслойный цилиндрический свод как эквивалентный однослойный, используя полученные геометрические характеристики.
В результате расчета максимальный прогиб бескаркасного двухслойного цилиндрического свода V составил 4 мм (фиг.12).
Таким образом, изгибная жесткость эквивалентного однослойного свода оказалась выше жесткости прототипа в 42/4=10,5 раз. Учитывая линейный характер зависимости сдвиговой жесткости сборных профилей в прогоне от угла отклонения α в интервале 10°-25° (таблица), по пропорции:
α=0°→V=42 мм,
α=25°→V=4 мм,
приблизительный прогиб при угле отклонения α=10°:
.
10° обеспечивает равную изгибную жесткость с прототипом на пролетах в 1,5 раза больших.