Вы здесь

Натурное испытание металлической структурной плиты покрытия Ледовой арены в Пружанах

Версия для печати

Структурное покрытие, увенчавшее крышу Летнего амфитеатра в Витебске, вызвало большой интерес в профессиональных кругах. Отметим, что первое испытание столь многосложной конструкции было проведено в Пружанах на Ледовой арене, официальное открытие которой состоялось 27 июля. Из чего состоит конструкция и как достигается ее высокая прочность, рассказывают авторыразработчики системы “узел БрГТУ”.

Испытание металлической структурной плиты покрытия Ледовой арены было проведено с целью:

– определения реальной работы и возможности нормальной эксплуатации конструкций покрытия;

– выявления действительного напряженно­деформированного состояния элементов покрытия под нагрузкой, определения запасов несущей способности при нагружении полной нормативной нагрузкой;

– проверки качества монтажа структурной плиты покрытия.

Конструктивные решения покрытия Ледовой арены

Несущая конструкция покрытия Ледовой арены представляет собой металлическую пространственную перекрестно­стержневую конструкцию, выполненную в виде предварительно напряженной прямоугольной плиты, ломаной в середине меньшего пролета. Образована она 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.

Структурная плита образована пересечением двух наклонных плоских ферм и может рассматриваться как конструкция, состоящая из многократно повторяющихся стержневых пирамид с квадратным основанием. Ячейки поясов плиты имеют размер 3х3 м, высота плиты в осях 3 м (рис. 1).

Стержни структуры собираются в пространственную конструкцию с помощью узлового элемента “системы БрГТУ”. Данный узловой элемент в изготовленном виде представляет собой полый шар с отверстиями в стенке, в которые установлены крепежные высокопрочные болты с возможностью вкручивания в специальные гайки стержней (рис. 2).

Шар состоит из двух полусфер, полученных путем горячего прессования из листового проката. Толщина листа определяется величиной максимального усилия, воспринимаемого узлом. В полусферах сверлятся отверстия необходимого диаметра под болты. Диаметр отверстия назначается на 1,0 мм больше диаметра болта, что обеспечивает свободную сборку узлов структуры. На каждый болт надевается внутренняя и наружная шайба, а также закручиваются две гайки: силовая и контргайка (рис. 3).

Полусферы свариваются стыковым швом с разделкой кромок полуавтоматической или автоматической сваркой в среде углекислого газа. Шайбы устанавливаются между головками болтов и внутренней поверхностью шара, а также между силовыми гайками и наружной поверхностью шара. Каждая шайба, примыкающая к шаровой поверхности, имеет сферическую поверхность с радиусом, равным внутреннему и наружному радиусу шара соответственно для внутренней и наружной шайбы. Шайбы со сферической поверхностью обеспечивают центровку стержней на центр узла при закручивании силовой гайки. Кроме того, толщина и диаметр шайбы существенно влияют на несущую способность узла. Для их сопряжения с болтами узлового элемента в торцы труб устанавливаются и привариваются по контуру круглые гайки с резьбовыми отверстиями. Вращение болтов при сборке производится посредством поворота застопоренных силовой гайки и контргайки.

Усилие сжатия воспринимается узловым элементом в определенной последовательности. Усилие с болта передается через резьбу на силовую гайку, а с нее на наружную шайбу с вогнутой поверхностью, плотно прилегающей к стенке шара. Усилие растяжения передается непосредственно с болта на внутреннюю шайбу и далее через ее выпуклую поверхность на стенку шара.

Диаметр шара, толщина его стенки, диаметр и класс прочности болтов назначаются исходя из величины усилий, действующих в стержнях, используя принцип равнопрочности всех элементов рассматриваемого узла структуры. Для сборки покрытия Ледовой арены запроектированы две марки узловых элементов “системы БрГТУ”:

1. Узловой элемент с полым шаром с толщиной стенки 10 мм и наружным диаметром Dнар = 160 мм. Максимальное усилие, допускаемое на узел, равняется 250 кН.

2. Узловой элемент с полым шаром с толщиной стенки 16 мм и наружным диаметром Dнар = 212 мм. Максимальное усилие, допускаемое на узел, равняется 520 кН.

При выполнении узловых элементов применялись болты диаметром 20 и 24 мм класса прочности 12.9 из стали марки 40Х и высокопрочные болты диаметром 30 мм из стали марки 40Х “Селект”. В качестве силовых гаек использовались высокопрочные гайки из той же стали. Полый шар, а также наружные и внутренние шайбы изготавливались из стали марки 09Г2С (С345).

Стержневые элементы сделаны из круглых труб сечением 127х8 мм, 89х5 мм, 83х4 мм (сталь марки ст. 20). Для их сопряжения с болтами узлового элемента в торцы труб устанавливаются и привариваются по контуру круглые гайки с резьбовыми отверстиями. Высота гаек: 25 мм под болты диаметром 20 и 24 мм, 35 мм – под болты диаметром 30 мм. Материал гаек – сталь марки 09Г2С (С345).

Для опирания структурной плиты разработаны два типа опорных узлов. Один из них представляет собой рядовой узловой элемент. Шар с наружным диаметром Dнар = 160 мм приподнят над оголовком колонны и опирается на четыре опорных ребра толщиной 14 мм. Ребра привариваются сваркой к плите оголовка колонны и к самому шару (рис. 4).

Второй – узел, в котором крепится напрягающая затяжка (рис. 5). Он представляет составную конструкцию и включает в себя следующие элементы:

1) опорный узловой элемент, собранный с помощью сварки из листовых деталей толщиной 16, 20 и 30 мм;

2) крайний опорный стержневой элемент нижней поясной сетки структуры, состоящий из двух швеллеров № 18, половины типового стержневого элемента из трубы 127х8 мм, переходной плиты и планок;

3) напрягающий болт с трапецеидальной резьбой, вкрученный в специальную гайку, вваренную в торец затяжки.

Узел опирается на плиту оголовка колонны опорным ребром толщиной 30 мм и имеет свободу перемещения в направлении вдоль затяжки, выполненной из трубы 127х8 мм. Отправочные марки затяжки, установленные в проектное положение, соединяются между собой сварным стыковым швом на подкладке. Каждая затяжка крепится к нижним узлам структуры с помощью пяти подвесок из круглой стали 22 мм.

Опирание прогонов на структурную плиту выполнено с помощью круглой шайбы, которая устанавливается между шаром и прогоном и приваривается к ним (рис. 6). Данное решение принято для узлового элемента с толщиной стенки 16 мм. Для второй марки узлового элемента (толщина стенки 10 мм) вместо шайбы используется опорный столик (рис. 7).

Монтаж структурной плиты

Монтаж структурной плиты выполнялся последовательно на двух захватках полосами, ширина которых равна размеру ячейки от центра к торцам покрытия. Сборка перекрестно­стержневой конструкции производилась на сплошном настиле, устроенном по строительным лесам и имеющем отметку на 300 мм меньшую, чем низ монтируемой конструкции. На проектную отметку структурная плита выводилась с помощью деревянных подкладок, укладываемых под нижние узлы структуры. После того как вся структурная плита была собрана, производилось натяжение затяжек с использованием динамометрического ключа с контролируемым крутящим моментом. Динамометрический ключ предварительно тарировался. По полученным результатам установлено, что приложение к напрягающему болту крутящего момента величиной 1050 вызывает в затяжке усилие, равное 25 кН. Выполненное предварительное напряжение позволило включить в работу все элементы структурной плиты и затяжки еще до начала работы конструкции под нагрузкой от собственного веса. Поэтому при дальнейшем нагружении все элементы покрытия должны включаться в работу одновременно, что исключает перегрузку единичных элементов и увеличивает надежность конструкции. Кроме того, вышеизложенные предпосылки позволяют сделать предположение о более точном соответствии в работе реальной конструкции и ее расчетной модели. После натяжения всех затяжек производился монтаж прогонов и профнастила. Завершающей стадией монтажа структурной плиты являлось снятие структуры с деревянного настила, чем обеспечивалось ее рабочее положение.

Методика проведения испытаний

Нагружение покрытия испытательной нагрузкой производилось после полной сборки структурной плиты, натяжения затяжек, монтажа прогонов и профнастила и снятия пространственной конструкции с временных опор. Величина испытательной нагрузки определялась весом кровли, включающим вес пароизоляции, утеплителя, гидроизоляционного ковра, нормативного снегового покрова, и составила 101,5 кг/м2 (узловая нагрузка 913,5 кг).

В зоне действия монтажных кранов нагружение производилось бетонными блоками ФБС в соответствии со схемой загружения, которые укладывались на настил из досок, установленный на профилированный настил покрытия. Испытательная узловая нагрузка от веса блоков и деревянных щитов составила 995 кг. На участках структуры, недоступных для монтажных кранов, нагружение осуществлялось пакетами кровельного утеплителя, укладываемого на настил из досок полосами шириной 1,5 м и высотой 1,5 м. Узловая нагрузка от веса утеплителя и деревянного настила составила 1067,5 кг.

Усилия в стержнях структурной плиты покрытия и затяжки измерялись при помощи тензометров с использованием индикаторов часового типа с ценой деления 0.001 мм. Для того чтобы исключить влияние случайных факторов и повысить надежность получаемых результатов, размещение индикаторов дублировалось.

Определение вертикальных перемещений структурной плиты производилось путем нивелирования поверхности покрытия при помощи тахеометра электронного 3Та5Р до и после приложения испытательных нагрузок.

Результаты испытаний

Для оценки соответствия действительной работы конструкции расчетнотеоретическим предположениям выполнялась оценка напряженно­деформированного состояния предварительно напряженной структурной плиты с использованием метода конечных элементов при помощи программного комплекса “Lira Windows” версии 9.2. Стержневые элементы структурной плиты, а также колонны, затяжки и подвески моделировались универсальным пространственным конечным элементом с тремя степенями свободы в узлах. Податливость свободных опорных узлов в направлении вдоль затяжки моделировалась с помощью специального конечного элемента, обеспечивающего упругую связь между узлами. Граничные условия представлены закреплением от смещений и поворотов нижних узлов колонн.

Выводы

Для всех стержней верхней и нижней поясной сетки, а также для затяжек отмечается превышение теоретических усилий над экспериментальными в пределах 8,81–50,22 %. Что касается раскосов, то здесь наблюдается как превышение теоретических усилий над экспериментальными, так и наоборот. При этом разница в величине сравниваемых усилий достигает 78,17 %. Различия в полученных экспериментальных и теоретических результатах объясняются податливостью узловых соединений при действительной работе конструкции, а также включением в совместную работу покрытия профнастила и прогонов, что не учитывалось при моделировании нагружения структурной плиты с помощью ПК “Lira Windows”.

Реальные деформации структурной плиты оказались больше теоретических в среднем в 1,3–1,6 раза. Кроме различий в величине прогибов наблюдается различие в очертаниях эпюр. При этом максимальные экспериментальные прогибы находятся не на оси симметрии, а смещены от нее к торцам плиты на две ячейки. Несоответствие теоретических и экспериментальных деформаций объясняется податливостью узловых соединений и погрешностью измерений.

 

Список использованных источников

 

1. СНиП 2.01.07–85. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. М.: ЦНИТП Госстроя СССР, 1986. 36 с.

2. Изменения № 1 к СНиП 2.01.07–85. Нагрузки и воздействия: Приказ Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь от 18 июня 2004 г. № 166.

3. Патент на изобретение № 2489 U “Узел соединения полых стержней пространственного каркаса”. Авт.: В.И. Драган, А.А. Левчук, Н.Н. Шалобыта, В.Н. Пчёлин // Официальный бюллетень № 1. 2006.02.28.


comments powered by HyperComments
Читайте также
02.09.2003 / просмотров: 14 941
Кажется, что синусоида развития архитектуры, пройдя свою нижнюю точку, медленно начала подниматься вверх. По крайней мере разговоры про кризис в...
02.09.2003 / просмотров: 16 452
Система подготовки архитектурных кадров – это сложный и долговременный процесс и, конечно же, здесь нельзя говорить только о  годах...
26.10.2003 / просмотров: 5 231
2–3 октября город над Сожем принимал у себя гостей — участников Пятого национального фестиваля архитектуры “Гомель-2003”. В...