СТЕРЖНЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ КОНИЧЕСКИХ КУПОЛОВ
Значительную долю материалов, хранимых в крытых складах, составляют сыпучие материалы. Ограждающие конструкции складов сыпучих материалов могут иметь развитие в вертикальном и горизонтальном направлениях. Соответственно этому принято различать вертикально- и горизонтально-протяженные склады. Причем, если склады второй группы, как с точки зрения основных конструктивных схем, так и с позиций механизации технологических процессов достаточно хорошо проработаны, то, что касается вертикальных складов, здесь имеется лишь небольшой ряд примеров возведенных сооружений, о которых в современной технической литературе дается информация рекламного характера.
В то же время следует отметить, что при малой емкости погонной единицы склада приходится создавать склады большой осевой протяженности, требующей соответствующей длины транспортных путей. Кроме того, при обычных конструкциях складов насыпь большой высоты требует устройства тяжелых подпорных стенок. При проектировании складов сыпучих материалов необходимо стремиться к тому, чтобы установить такую форму склада, при которой его габариты наилучшим образом соответствовали бы габариту хранимого материала, и складское сооружение имело бы минимальные лишние объемы. В большинстве случаев конструкция покрытия склада и его опорных частей определяется типом транспортирующего оборудования, и такой склад представляет собой двускатный шатер, состоящий из деревянного сборного каркаса, несущего крутую крышу. Наиболее рациональной конструкцией покрытия склада является в данном случае трехшарнирная треугольная распорная деревянная конструкция. В работах [1,2] произведен анализ эффективности и технической целесообразности строительства складов минеральных удобрений с покрытиями в форме стержневой конической оболочки. Об очевидных преимуществах такой формы покрытия красноречиво свидетельствуют данные расхода материала и стоимости конструкции по сравнению с известными решениями горизонтально-протяженных складов шатрового типа. В частности, в работе [1] указывается, что использование в покрытии сооружения стержневой конструкции конического купола приводит при одинаковой величине полезного объема к снижению расхода древесины в два раза.
Исследование влияния солей на дощатоклееные конструкции показало, что древесина как нельзя лучше подходит в качестве конструкционного строительного материала для хранилищ поташа. Следует отметить, что в процессе проектирования круглого в плане сооружения отсутствовали какие-либо данные о поведении клееных элементов из древесины в среде, насыщенной солями. Для выяснения возможности применения конструкций из дерева при строительстве хранилищ поташа были проведены испытания образцов материала в обычных комнатных условиях, в воде, в соли и в насыщенном соляном растворе.
Испытаниями клееных деревянных конструкций, находящихся в агрессивной солевой среде, была доказана целесообразность их применения в хранилищах калийных удобрений.
С целью определения долговечности клееных деревянных конструкций, находящихся под воздействием солей, предусматривалось проведение испытаний на динамическую прочность образцов, изготовленных из красного бука. В состав клея входили 100 вес. частей пластазола L 47 и 11 вес. частей толуолсульфиновой кислоты. Время запрессовки образцов составляло 16 часов.
Определение прочности клеевого шва сухих образцов при нормальных температурно-влажностных условиях производилось после их пребывания в течение двух недель, а также четырех месяцев в климатической камере. При этом влажность древесины образцов составляла 10-11%. Затем определялась прочность клеевых соединений после четырех месяцев пребывания образцов в воде. Экспериментальным путем была также выполнена оценка снижения прочности клеевого шва на скалывание после четырехмесячного пребывания образцов в сырой соли при комнатной температуре. Влажность древесины образцов во время испытаний оказалась равной 19%. В заключительной части программы испытаний планировалось произвести определение прочности клеевых соединений образцов после четырехмесячного их пребывания в насыщенном соляном растворе при температуре 23°С.
В каждой из четырех серий испытывалось по 25 образцов. Для проведения испытаний использовалась универсальная машина, развивающая максимальный изгибающий момент 20 Нм (PWQ 001 N, Carl Schenck Maschinenfabrik GmbH, Darmstadt). По принципу своего устройства машина является релаксационной установкой, обеспечивающей постоянную величину деформации образца. Возбуждаемая частота составляла 1500 об/мин. Число циклов определялось с помощью счетчика колебаний. Для определения фактического изгибающего момента использовалось силоизмерительное устройство при кручении, деформации которого измерялись с помощью индикатора часового типа. Непрерывное измерение изгибающего момента обеспечивалось с помощью электрического осциллографа, о направлении же возбуждаемого напряжения и тока можно было судить по показаниям микроамперметра.
Образцы подвергались испытаниям на действие изгибающего момента переменного знака. Для каждого образца определялись величины числа циклов нагружения и соответствующие изгибающие моменты. В результате эксперимента была выявлена доля той части образцов, для которых имело место разрушение по древесине. Соответствующие данные для различных вариантов условий хранения образцов приведены в табл. 1.1.
Для части образцов разрушение наступало уже при десяти и даже меньшем числе циклов испытаний. После визуального осмотра такие образцы отбраковывались из общей массы, так как для них были характерны либо недостатки в клеевых швах, либо деформации волнообразования. Для доказательства низкого качества материала образцов, которые подвергались длительной динамической нагрузке и хранились то ли в климатической камере или в соляном растворе, из этой части разрушенных образцов изготавливались пробы для кратковременных статических испытаний на поперечный изгиб в виде призматических образцов сечением 49x11мм. При этом были получены значения прочности при изгибе, приведенные в табл. 1.2.
Для образцов, разрушение которых имело место при меньшем числе циклов испытаний, показатели прочности при изгибе оказывались ниже среднего значения. Сравнение результатов испытаний при равном числе циклов и одинаковой величине изгибающего момента показало, что после четырехмесячного пребывания в соли или в соляном растворе отчетливых повреждений клеевых соединений образцов не наблюдалось. Длительные динамические испытания также подтвердили основные выводы о надежности клеевых соединений, сделанные при проведении статических исследований. Результаты опытов были подтверждены испытаниями конструкций на усталость, проведенными Дрезденским Центральным институтом технологии древесины по заказу комбината по производству калия.
В связи с увеличением спроса на калийные удобрения в г. Цилитце (округ Магдебург) было осуществлено строительство одного из самых крупных в Европе калийного предприятия. Калийные удобрения хранятся в четырех круглых хранилищах диаметром около 56 м каждое (рис. 1.1). Разработка технической и строительно-технологической документации была выполнена специалистами Чехии. Расчет пространственной стержневой конструкции был проведен в инженерном институте г. Коттбуса. Поставщиком стержневой конструкции из клееной древесины являлся промышленно-строительный комбинат г. Цилитца, где и был разработан проект монтажа покрытия.
Проектирование осесимметричного конусообразного покрытия для склада калийных удобрений выполнялось с учетом требования снижения общих затрат на строительство с помощью эвристического подхода при использовании специальной программы “Расчет и конструирование пространственных стержневых систем”, разработанной отделом вычислительной техники и обработки данных архитектурно-строительного института в Веймаре в сотрудничестве с исследовательским центром “Роботрон” (Дрезден). При выборе эвристического подхода авторы проекта исходили из перспектив применения в народном хозяйстве железобетонных и деревянных конструкций в покрытиях складских зданий калийной промышленности. Разработка эскизного проекта основывалась на данных работы [1] и заключалась в том, чтобы обеспечить минимум общих затрат и максимум использования полезного объема сооружения. Строительство хранилища осуществлено Магдебургским промышленным комбинатом. Оптимальная форма покрытия была получена на основе применения конструкций в виде короткого цилиндра и опертой на него конической стержневой конструкции из клееной древесины. С точки зрения строительной механики сочетание осесимметричных конфигураций в виде цилиндра и конуса создают бесспорное преимущество конструкции покрытия, которое заключается в достижении ее высокой несущей способности. Нижняя часть конструкции в виде цилиндра изготавливается из железобетона, а верхняя - в виде конуса из клееной древесины. Минимальные затраты материала на изготовление пространственной стержневой конструкции обусловливаются тем, что во первых, достигается минимум числа стержней и узлов (система статически определима), и во вторых, конструкция покрытия состоит из непризматических главных балок составного сечения.
Стержневая конструкция конической оболочки, имеющая радиус основания R=27,9m и высоту конуса h=20,54м, состоит из 16 меридиональных ребер, представляющих собой дощатоклееные балки переменного сечения, установленные по периметру опорного кольца с шагом 10,95м. Длина образующей конуса S=34,04M. При этом площадь боковой поверхности конического покрытия составляет около 3000м2. В верхней части конуса на отметке 22,25м меридиональные ребра опираются на стальное кольцо, имеющее конфигурацию правильного шестнадцатиугольника. Длина каждого из шестнадцати меридиональных ребер была принята равной S=30,1M. На одной четверти длины от низа каждого из главных меридиональных ребер последние выполнялись из клееной древесины и имели сплошное прямоугольное сечение, в то время как на остальной части длины этих ребер, они представляли собой элементы составного сечения из двух ветвей шириной 95мм и высотой 544мм каждая. Следует отметить, что в нижней части ребра имели максимальные размеры поперечного сечения, равные 2x95x704мм, причем между ветвями составного стержня располагались длинные прокладки. В остальной части покрытия меридиональные ребра имели также составное сечение и представляли собой двухветвевые стержни с короткими прокладками. Между узлами примыкания к меридиональным ребрам балок кольцевого направления размещалось по пять коротких прокладок.
Для обеспечения пространственной устойчивости стержневой конструкции покрытия между главными балками в каждом из 4-х кольцевых ярусов устанавливались диагональные ребра жесткости различного сечения (рис. 1.2).
В пределах двух нижних кольцевых ярусов между главными меридиональными ребрами устанавливалось по два дополнительных ребра в меридиональном направлении с целью уменьшения свободной длины брусков обрешетки кровли.
Соединение отдельных ветвей главных меридиональных ребер осуществлялось с помощью стяжных болтов на гладкокольцевых шпонках, размещаемых по высоте сечения в два ряда.
Стержневая конструкция конической оболочки опирается на отметке 4,1 м по всему периметру нижнего опорного кольца на железобетонную балку. Геометрическая форма покрытия хранилища выбрана в соответствии с углом естественного откоса хранимого сырья, который в данном случае находился в пределах 36-38°. Покрытие состоит из складской башни, элементов ограждения, кольцевой стенки и транспортерных галерей (рис. 1.3).
Облицовка поверхности конического покрытия осуществлена из асбестоцементных листов, укладываемых по обрешетке из брусьев. В железобетонном цилиндре можно складировать калийное удобрение до высоты трех метров. В кольцевой стенке имеются проемы для входных устройств в сооружение.
В пределах каждой из шестнадцати граней многогранного покрытия в кровле устраивалось по три световых проема в виде полос из светопроницаемого полиэфирного стеклопластика. Крайние из проемов имели в два раза меньшую протяженность, чем средний; в свою очередь длина среднего проема составляла три четверти длины меридиана (рис. 1.4). Швы между листами герметизировались с помощью вяжущей смеси на основе эластика. Искусственное освещение осуществляется двумя прожекторами, смонтированными в уровне верхнего многоугольного кольца.
В верхней части покрытия к загрузочной башне примыкает наклонная галерея для загрузки хранилища сырьем, подаваемым с помощью ленточного транспортера (рис. 1.5). Выгрузка сырья осуществляется также с помощью ленточных транспортеров, размещающихся в проходных каналах подземной части хранилища.
После установки главных балок в проектное положение у них значительно снижается несущая способность по сравнению с той грузоподъемностью, которую балки должны иметь в готовой пространственной конструкции. Поэтому при монтаже обычно устраиваются временные опоры, и для того чтобы их число было минимальным, использовалась следующая технология монтажа покрытия. В центре хранилища была возведена квадратная опорная башня (рис. 1.6).
Для установки элементов стержневой конструкции в проектное положение, на опорном кольце были смонтированы 8 гидравлических домкратов. С целью повышения несущей способности главных балок на стадии монтажа сооружения и устранения их прогибов от собственной массы эти элементы конструкции покрытия подвергались предварительному напряжению с таким расчетом, чтобы в центре пролета они имели выгиб порядка 50мм. Для достижения этой цели использовался стальной трос диаметром 27мм, в котором создавалось усилие преднапряжения порядка 100 кН. Чтобы на стадии возведения стержневой конструкции конического покрытия сохранить выгиб главных балок и затем по окончании монтажа демонтировать напрягаемый трос, потребовалась установка поддерживающих опор из стальных труб в центре пролета главных балок. При устройстве обрешетки кровли использовалась подъемная платформа. Верхнее опорное кольцо было спроектировано таким образом, чтобы при нагружении главных балок они могли скользить по кольцу в продольном направлении параллельно центральной оси. После устройства обрешетки собранная деревянная конструкция с помощью гидравлических домкратов устанавливалась в проектное положение, после чего снималось предварительное напряжение.
Полный расход древесины составил 224 м3 на одно хранилище, в том числе на стержневую конструкцию покрытия конической формы - 217 м3. Схема покрытия здания склада с указанием основных геометрических параметров приведена на рис. 1.7.
Для осесимметричной конструкции конической оболочки достаточно рассмотреть её часть, расположенную справа от диаметральной плоскости. Нумерация узлов и стержневых элементов этой части конической оболочки представлена на рис. 1.8.
Горизонтальная проекция одного из секториальных участков покрытия показана на рис. 1.9.
Координаты узловых точек при этом определяются с помощью следующих выражений:
Статический расчет стержневой конструкции конической оболочки был выполнен на ЭВМ NE 503 в вычислительном центре “Robotron” г. Дрездена. Полученные в результате расчета усилия в стержневых элементах конструкции конической оболочки характеризуются данными, приведенными в табл. 1.4. Стержневая конструкция рассчитывалась на семь вариантов нагружения, причем из них первые четыре входят в состав комбинации нагрузок LK 1, к числу которых относится прежде всего нагрузка от собственной массы элементов несущей конструкции, включая массу прогонов и кровли. Интенсивность этого вида нагрузки составила 90КГС/М2 и обозначена в табл. 1.4 как LF 1.
Для иллюстрации процедуры расчета, связанной с оценкой несущей способности главных балок меридионального направления, рассмотрим, например, группу стержней 1-9.
Следует прежде всего отметить, что главные балки покрытия, будучи подкреплены в трех промежуточных точках, работают как неразрезные конструкции.
Главные балки меридионального направления в опорных панелях представляют собой составные двухветвевые стержни, имеющие длинные прокладки. В то же время в плоскости действия внешней нагрузки эти деревянные элементы работают как цельные стержни сплошного сечения. Таким образом, без учета прокладок, размеры поперечного сечения главных балок меридионального направления в пределах нижнего кольцевого яруса составляют 2 -9,5 -70,4см.
