Файл: Бобров, Ф. В. Сейсмические нагрузки на оболочки и висячие покрытия.pdf

при различных граничных условиях. — В сб.: Исследования по теории сооружений, вып. XI, 1962.

учебных заведений МВО СССР. Серия — авиационная техни­ ка», № 3, 1958.

17.М и л е й к о в с к и й И. Е. Расчет оболочек и складок ме­ тодом перемещений. М., Госстройиздат, 1960.

19.Р а б и н о в и ч Р. И. Динамический расчет пологих оболо­ чек по нелинейной теории. «Строительное проектирование промышленных предприятий», 1965, № 5.

20.С а х а р о в И. Е. Уравнения колебаний ортотропных поло­ гих сферических и конических оболочек. «Известия АН СССР. Отдел технических наук. Механика и машиностроение», 1960, № 5.

21.С м и р н о в В. И. Курс высшей математики. М., Физмат-

ды Ии-та сооружений и строительной механики АН Узб. ССР, вып. 1, 1949.

23.Ф и л и п п о в А. П. Колебания цилиндрических оболочек. «Прикладная математика и механика», 1937, № 1.

24.Ф л ю г г е В. Статика и динамика оболочек. М., Госстройиз­

дат, 1961.

25. Э с а и а ш в и л и Д. В., Л о с а б е р и д з е А. А. К воп­ росу исследования собственных колебаний оболочек с учетом деформативностн опор. «Строительная механика пространст­ венных' конструкций». Тбилиси, изд-во «Мецниереба», 1972.

26.Э с а и а ш в и л и Д. В. Натурные динамические испытания железобетонной цилиндрической оболочки. «Бетон и железо­ бетон». Тбилиси, изд-во «Мецниереба», 1972.

27.Глава СНиП П-А. 12-69. Строительство в сейсмических райо­ нах. Нормы проектирования.

28.Инструкция по определению расчетной сейсмической нагрузки для зданий и сооружений. М., Госстройиздат, 1962.

29.Глава СНиП П-В. 1-62*. Бетонные и железобетонные конст­ рукции. Нормы проектирования.

30.Инструкция по проектированию железобетонных тонкостен­ ных пространственных покрытий и перекрытий. М., Строй-

59

Ч а с т ь II

СЕЙСМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА ВИСЯЧИЕ ПОКРЫТИЯ

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Отечественный и зарубежный опыт строительства под­ тверждает, что большинство существующих типов и форм большепролетных покрытий промышленных и граждан­ ских зданий из плоских конструктивных элементов в виде настила по балкам, фермам или аркам имеет существенные недостатки. Из-за наличия межпролетных колонн и мелко­ размерности планировочной сетки они не отвечают совре­ менным требованиям гибкой планировки, рационального использования полезной площади, технологии производства, а также экономичности строительства. Поэтому создание рациональных конструкций покрытий, позволяющих сво­ бодно размещать промышленное оборудование в здании, — важнейшая задача современного строительства.

Всуществующих схемах промышленных зданий с плоско­ стными конструктивными элементами покрытий несущие элементы работают только в одной плоскости и свойства ма­ териалов используются нерационально, вследствие чего коэффициент использования материала составляет около 40%, и в одноэтажных промышленных зданиях основной частью здания является покрытие, стоимость которого сос­ тавляет около 50% общей стоимости здания [21, 51, 52]. Это указывает на то, что снижение стоимости промышленных зданий следует начинать с замены существующих дорого­ стоящих покрытий из плоских конструктивных элементов новыми, более экономичными и малотрудоемкими.

Вцелях более рационального использования свойств материалов, применяемых в конструкциях покрытий, в на­ чале XX в. в строительстве стали применять тонкостен­ ные железобетонные оболочки, которые оказываются весьма экономичными по расходу материалов, и эффективность их тем значительнее, чем больше перекрываемые пролеты [3, 11,

18, 58]. В таких конструкциях покрытий, благодаря рацио­ нальному использованию свойств бетона, экономия стали достигает 25% и бетона порядка 35% по сравнению с пло­ скими конструкциями покрытий [55]. Однако из-за сложно­ сти производства работ при монолитном и при сборном воз­

60

ведении железобетонные оболочки пока применяются огра­ ниченно, и в строительстве основной удельный вес по-пре­ жнему приходится на плоскостные конструктивные схемы.

Сравнительно новым направлением в разработке и при­ менении экономичных типов и форм большепролетных по­ крытий являются висячие покрытия. От упомянутых они отличаются экономичностью и малой трудоемкостью [16, 47, 48,57,74 и др. ]. В висячих покрытиях основной несущий эле­ мент работает только на растяжение, что дает возможность определять сечение расчетом на прочность без учета устой­ чивости, применять высокопрочные строительные материалы и рационально использовать их свойства.

Висячие покрытия, несмотря на их очевидные преимуще­ ства, все еще не находят широкого применения в сейсмо­ стойком строительстве, хотя они обладают небольшой мас­ сой и могут с успехом применяться в большепролетных сейс­ мостойких сооружениях. Ограниченное применение висячих покрытий в сейсмостойком строительстве объясняется не­ достаточностью экспериментальных и теоретических ис­ следований по изучению их сейсмостойкости.

Методике статического расчета висячих покрытий за по­ следние годы посвящено немало работ [29, 38—40, 45, 47, 50, 58, 62, 63, 65, 66, 74 и др.), которые дают возможность рассчитывать висячие покрытия разнообразных конструк­ ций. Но методике определения сейсмических нагрузок на висячие покрытия, судя по имеющейся литературе, посвя­ щены немногие работы как в СССР, так и за рубежом [1,2, 12— 14, 26, 27, 34—36, 69, 74—77]. В существующих нор­ мативных, документах [81, 82] нет каких-либо указаний по расчету сооружений с висячими покрытиями на действие сейсмической нагрузки. Поэтому необходимо разработать хотя бы приближенную методику определения сейсмиче­ ских нагрузок на такие сооружения и дать рекомендации по проектированию висячих покрытий в сейсмических рай­ онах.

ВСССР и за рубежом в последнее время построены инте­ ресные здания с висячими покрытиями, разнообразные по конструкциям и по формам. Разнообразие типов и форм ви­ сячих покрытий приводит к тому, что для всех покрытий не удается применять единую расчетную схему. Отсюда возникает необходимость классификации висячих покрытий как по конструкциям, так и по расчетным схемам.

Внастоящей работе дается обзор конструкций наиболее интересных покрытий, построенных в СССР и за рубежом,

61

по результатам которого производится классификация ви­ сячих покрытий по конструкциям и формам.

Принятая методика определения сейсмических нагрузок на здание в СНиП П-А. 12-69 требует знания динамических характеристик, а именно, периодов и соответствующих им форм свободных колебаний рассчитываемых зданий.

Вопросы, связанные с определением динамических харак­ теристик, а также с выбором расчетных схем висячих покры­ тий, представляют собой очень сложную задачу и они еще очень мало разработаны. Этим вопросам посвящены лишь отдельные работы [1, 13, 17, 26, 27, 34, 45, 58, 60, 63, 64,69, 75, 79, 80], которые дают возможность разработать хотя бы приближенную методику для расчета висячих покрытий на динамическое воздействие типа сейсмического.

В некоторых типах висячих покрытий задачу по опре­ делению частоты свободных колебаний необходимо решать в нелинейной постановке, которая намного усложняет прак­ тическое выполнение расчета. При разработке приближен­ ного метода определения сейсмических нагрузок на вися­ чие покрытия в настоящей работе динамические характе­ ристики рассматриваемых висячих покрытий определяются приближенными способами.

В целях выяснения степени точности теоретического оп­ ределения динамических характеристик висячих покрытий приближенными способами в настоящей работе излагаются результаты экспериментальных исследований колебаний висячих покрытий.

Глава I

ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ СУЩЕСТВУЮЩИХ ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЙ

§ 1. Краткие сведения о строительстве висячих покрытий

Начало применения висячих покрытий в виде шатров и тентов из сплетенных ветвей или шкур относится к глубокой древности [28]. Ими пользовались первобытные люди на всем пути своего исторического развития для создания жилья после того, как они стали сознательно применять орудия труда и использовать материальные блага природы.

Заслуга применения современных висячих покрытий в строительстве большепролетных зданий принадлежит вы­ дающемуся русскому ученому В. Г. Шухову, впервые при-

62

ценившему висячую конструкцию в 1880— 1882 гг. при стро­ ительстве бензиновых резервуаров в г. Майкопе [461.

В. Г. Шухов на основе теории висячих покрытий, соз­ данной им, и опыта строительства висячих сетчатых по­ крытий цехов котельного завода в Москве (1893 г.) на Все­ российской выставке в Нижнем Новгороде в 1896 г. постро­ ил четыре павильона с применением висячих покрытий. Централы-гае круглое здание инженерно-строительного павильона с двумя металлическими опорными кольцами: наружное диаметром 68 м, внутреннее диаметром 25 м. Наружное опорное кольцо свободно расположено на наруж­ ной стене с таким расчетом, что после монтажа покрытия оно работало только на центральное сжатие, не передавая вертикальную нагрузку от покрытия на наружную стену. Центральное опорное кольцо поддерживается ажурными металлическими колоннами, которые, воспринимая всю вертикальную нагрузку от покрытия, передают ее на грунт. Между наружными и внутренними кольцами натянуты взаимно скрещивающиеся тонкие стальные полосы. По­ лосы, образующие сетку, соединены между собой в местах взаимного пересечения. Образовавшаяся взаимно скрещи­ вающимися стальными полосами поверхность между наруж­ ными и внутренними кольцами перекрывалась кровель­ ным железом,‘а внутреннее кольцо перекрывалось вогну­ той чашей из тонкой листовой стали, совмещающей функ­ ции несущей конструкции и кровли.

Размеры по осям самого крупного овального в плане па­ вильона 98 X 51 м. Павильон состоял из центральной пря­ моугольной части размером 51 X 47 м и двух полуокружно­ стей диаметром 51 м. В центрах полуокружностей распола­ гались колонны, соединенные металлической фермой. Про­ странство между рамой, образованной двумя колоннами и фермой, и наружной стеной перекрывалось висячей метал­ лической сеткой.

На этой же выставке аналогичным висячим покрытием были перекрыты еще два павильона одинаковой конструк­ ции прямоугольной формы в плане размером 30 X 68 м и высотой 8 м. В этих павильонах горизонтальные усилия, передаваемые висячей металлической сеткой на наружные стены, воспринимались подкосами и оттяжками.

Эти покрытия проектировали с учетом работы основных несущих металлических элементов на осевое растяжение, что давало возможность рационально использовать свойства металла.

63

Через 36 лет после строительства выставочных павильо­ нов Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде выда­ ющимся русским инженером и ученым В. Г. Шуховым в 1932 г. в Олбани (США) в качестве несущей конструкции по­ крытия элеватора (размером в плане 36 X 82 м) была при­ менена система свободно провисающей по закону цепной линии в одном направлении мембраны из тонкой листовой стали толщиной 2,7 мм [57]. Эти конструкции работают толь­ ко в плоскости провисания на растяжение. При такой кон­ струкции собственный вес покрытия составляет около 250 Н/м2. Поэтому необходимо отметить, что подобная систе­ ма покрытия не может быть устойчивой под действием несим­ метричных нагрузок, отсоса ветра, а также сейсмических нагрузок.

В 1937 г. инж. Б. Лафайом построен выставочный па­ вильон Франции в г. Загребе (Югославия) [44]. Павильон представляет собой в плане круг диаметром 30 м, покрытый опрокинутым усеченным конусом из листовой стали толщи­ ной 2 мм, подвешенным к опорному сжатому кольцу, кото­ рое поддерживается на высоте 18 м от уровня пола 12 колон­ нами из стальных труб. Диаметр обращенной книзу верши­ ны усеченного конуса покрытия на высоте 11 м от уровня чистого пола составляет 5 м.

Дальнейшее развитие идей В. Г. Шухова в СССР при­ надлежит И. Г. Людковскому, разработавшему в 1938 г. проект покрытия сгустителей [48]. Это покрытие существенно отличается от предыдущих. Если ранее в зданиях с вися­ чими покрытиями стальная мембрана или висячая сетка под­ вешивалась к опорному сжатому стальному кольцу, то

впроекте покрытия, разработанном И. Г. Людковским, стальные мембраны подвешивались к сжатым железобетон­ ным кольцам диаметром 65 м, в которых рационально использовались свойства бетона при центральном сжатии,

вчем и заключалось преимущество этого проекта.

был разработан проект центрального павильона машино­ строительной промышленности [57]. Это здание размером в плане 180 х 200 м перекрыто листовой сталью с гндро- и теплоизоляционными слоями. В продольном направлении покрытие имеет выгиб книзу, в поперечном направлении — кверху. Покрытие из листовой стали по контуру подвеше­ но к железобетонному поясу, состоящему из двух пара­ болических арок. Арки в наклонном виде опираются на же-

64