РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ВОЗВЕДЕНИЯ СБОРНОЙ ЧАСТИ КУПОЛА
2.1. Обоснование конструкции сборной части экспериментального купола
2.1.1. Численные исследования напряженно-деформированного состояния куполов из материалов на гипсовых вяжущих. Использование бетонов на гипсовых вяжущих при возведении пространственных конструкций методом торкретирования (АКТС "ГИТОР") [61] обусловлено такими достоинствами гипса, как его легкость, быстрота схватывания, отсутствие усадки при твердении, а также быстрый набор прочности при высыхании и достаточно высокая прочность в 28-суточном возрасте [62]. Однако при этом возникают сложности из-за нанесения толстого слоя гипсобетона изнутри конструкции на вертикальные и наклонные поверхности. Нагрузка от собственного веса гипсобетона влияет не только на условия его сцепления со стальной арматурой каркаса, но и приводит к образованию во внутреннем слое микротрещин [63] и снижению точности формы поверхности [9,64].
В виду того, что возведение конструкций АКТС "ГИТОР" из материалов на гипсовых вяжущих выполняются в весьма сжатые сроки, при их проектировании должна учитываться невысокая прочность и большая деформативность гипса в раннем возрасте, т.е. сразу же после его схватывания [63,65].
Учитывая это, при оценке напряженно-деформированного состояния трехслойного купола Мусульманского центра в г. Киеве, возведенного по АКТС "ГИТОР" [66], в связи с его частичным увлажнением в расчет принимались показатели прочности гипсобетона в раннем возрасте в соответствии с данными [9]. Купол состоит из двух слоев гипсобетона толщиной по 75 мм, уложенных на металлический каркас (см. рис.1.2).
В результате расчета купола с помощью МКЭ, реализованного в ПК "Искра" были определены напряжения, возникающие во внутреннем монолитном слое гипсобетона [66] в возрасте одних суток, при нагрузке от собственного веса (задача 1); в возрасте двух суток, при действии на трехслойную конструкцию всех эксплуатационных нагрузок (задача 2); в возрасте 28 суток при действии всех эксплуатационных нагрузок, включая вес шпиля и люстры, при условии неполного высыхания внутреннего слоя на небольшой части поверхности (задача 3) (рис. 2.1).
Рис.2.1. Расчетный сектор:
1- пластинчатые КЭ;
2 - стержневые КЭ;
3 - зона увлажнения.
Генеральные размеры купола таковы: радиус основания - 5,205 м, высота - 6 м, радиус кривизны меридиана - 6,185 м. Модуль упругости гипсобетона класса В5 принимался равным 5?103 МПа, коэффициент Пуассона 0,2 в соответствии с рекомендациями [67].
При формировании расчетных схем применялся принцип симметрии: сектор, равный 1/4 всей поверхности, разделялся на 48 пластинчатых и 44 стержневых КЭ (см. рис. 2.1). Стержневыми КЭ моделировались арки и кольцевые связи между ними. В задаче 1 внутренний слой гипсобетона моделировался однослойными КЭ, а в задачах 2 и 3 трехслойная конструкция купола была представлена многослойными КЭ. На узлы левой и правой границ сектора налагались условия симметрии перемещений. По нижней границе купола задавались условия шарнирно-неподвижного опирания.
Анализ результатов расчета при решении задачи 1 показал, что когда прочность слоя гипсобетона составляет около 30% от полной (в возрасте одних суток) максимальные растягивающие напряжения 0,052 МПа и сжимающие - 0,108 МПа меньше расчетных сопротивлений гипсобетона на растяжение и сжатие 0,062 и 0,79 МПа, соответственно.
В результате решения задачи 2 было установлено, что у опоры купола в кольцевом направлении возникают небольшие растягивающие напряжения 0,048 МПа < Rbt = 0,083 МПа (рис. 2.2). Максимальные сжимающие напряжения 0,131 МПа (см. рис. 2.2), возникающие у опоры в меридиональном направлении, значительно меньше расчетного сопротивления гипсобетона сжатию Rb = 1,054 МПа, полученного из расчета 40% от полной (28-суточной) прочности. Характер и значения напряжений в наружном и внутреннем слоях мало отличаются друг от друга (см. рис. 2.2).
Рис.2.2. Эпюры напряжений в трехслойном куполе (задача 2) , МПа:
а - кольцевые напряжения во внешнем слое,
б - меридиональные напряжения во внешнем слое;
в - кольцевые напряжения во внутреннем слое;
г - меридиональные напряжения во внутреннем слое.
Приложение всей нагрузки (задача 3) привело к тому, что максимальные растягивающие напряжения во внутреннем слое возросли до 0,195 < Rbt = 0,208 МПа, а сжимающие напряжения в наружном слое - до 0,207 < Rb = 2,635 МПа. Эти данные свидетельствуют о достаточной несущей способности конструкции.
Наличие зоны увлажнения мало повлияло на напряжения в вершине купола, однако на остальных участках поверхности характер напряжений изменился. В верхнем слое гипсобетона продольные напряжения возросли в 1,3-1,8 раза, в нижнем слое средина зоны увлажнения имела меньшие напряжения, чем края (в 1,5-2 раза), а на прилежащих к зоне участках наблюдались напряжения в 1,2-1,5 раза большие.
Таким образом, можно сделать вывод, что при наличии металлических арок внутренний монолитный слой гипсобетона может нести нагрузку от собственного веса и веса вышележащих слоев в молодом возрасте и может быть использован в новой конструкции в качестве оставляемой опалубки в виде ГКЛ (рис.2.3).
Рис 2.3. Поперечное сечение разрабатываемой конструкции:
1 - ГКЛ;
2 - утеплитель;
3 - армирующая сетка;
4 - монолитный слой бетона или гипсобетона.
Для изучения возможности применения гипсобетона в качестве несущего слоя 4 в новой конструкции трехслойного сборно-монолитного купола (см. рис. 2.3) было изучено напряженно-деформированное состояние монолитного купола из гипсобетона в возрасте 28 суток на эксплуатационные нагрузки от собственного веса, снега и ветра [66]. Исследован купол в виде полусферы радиусом 3 м с отверстием в вершине радиусом