Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 2 (4) 05.00.00 Технические науки УДК 624.1; 624.9; 627.4; 627.5 А.Т.Беккер, Н.Я.Цимбельман Беккер Александр Тевьевич – д-р техн. наук, профессор, чл.-корр. РААСН, заведующий кафедрой гидротехники ДВГТУ. Е-mail: abekker@mail.ru Цимбельман Никита Яковлевич – кандидат технических наук, доцент кафедры теории сооружений ДВГТУ. Е-mail: nikzimb@mail.ru
ПРИМЕНЕНИЕ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УПРУГИМ НАПОЛНИТЕЛЕМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ В статье показана целесообразность формирования общей методики расчёта оболочечных конструкций, которая создала бы условия для широкого применения в строительстве сооружений из оболочек с упругим наполнителем. Теория расчёта должна основываться на анализе совместной работы оболочки с внутренним наполнителем, учитывать краевые эффекты и обеспечивать сохранение эксплуатационных качеств оболочечных конструкций при действии статических и динамических нагрузок. Целью исследований является разработка методики расчёта оболочечных конструкций с упругим наполнителем для нужд строительной отрасли. Ключевые слова: оболочка, упругий наполнитель, математическая модель, грунтовое основание. Alexander T. Bekker, Nikita Y. Tsimbelman CONSTRUCTION APPLICATIONS OF ELASTIC CORE SHELL STRUCTURES Analysis of shell structure research data proves that it is necessary to develop an integral calculation method that would enable a wide use of elastic core shell structures for protective structures (in hydraulic engineering) and for grading purposes (in industrial, civil and transport engineering). The calculation theory must base on the analysis of shell and filler joint efforts, subject to edge effects, and ensure required performances for shell structures under static and dynamic stress conditions. Thus, objective of further research is development of calculation method for elastic core shell structures to satisfy construction industry needs. Key words: shell structure, elastic core, mathematical model, soil basement. 27
В последние десятилетия в практике строительства всё более широко применяются комбинированные несущие конструкции, направленные на наиболее эффективное использование положительных свойств составляющих их материалов. Составляющие компоненты могут быть совершенно различны по свойствам, но при этом правильное их сочетание приводит к высокой эффективности и экономичности конструкции. Ярким примером является распространение проектных решений с применением оболочечных конструкций, в которых сочетаются свойства тонкой оболочки и удерживаемого ею наполнителя. Область проектных задач, на решение которых могут быть направлены оболочечные конструкции с наполнителем, весьма широка. В машиностроении и энергетической отрасли такое сочетание материалов возникает, как правило, при хранении и транспортировке различных сред (например, топлива: баки, цистерны, трубопроводы, корпуса ракет, твёрдотопливные двигатели и др.). В строительстве оболочки с наполнителем находят применение как массивные несущие конструкции за счёт эффективной совместной работы относительно дешёвого наполнителя, который может занимать значительный объём всего сооружения, и оболочки, обеспечивающей удержание массива наполнителя в необходимом проектном положении. Примерами такого применения могут служить: портовые гидротехнические сооружения из оболочек большого диаметра (причальные, оградительные, берегоукрепительные и др. (рис. 1 а, б); несущие конструкции транспортных водопропускных сооружений, переездов, устоев мостов, подземных сооружений и т.п.; подпорные стены в промышленном, гражданском и транспортном строительстве из крупных и мелкоштучных, заполненных грунтом оболочечных элементов (рис. 1 в, г, д); элементы в составе несущих каркасов зданий и сооружений, в конструкциях мостовых ферм и других стержневых сооружений трубчатых элементов, заполненных бетоном («трубобетон»), песком («трубопесок») и другими материалами (рис. 1 ж);
28
устройство фундаментов зданий и сооружений, в которых оболочка служит для обеспечения прочности и устойчивости заполняющего её грунта основания (рис. 1 м), а также свайных фундаментов (рис. 1 к). а
б
з
в
г
д
ж
к и
Рис. 1. Область применения оболочечных конструкций в строительстве: а, в) оболочка большого диаметра; б) больверк (тонкая подпорная стенка); г, д) разрез и план подпорной стенки из тороидальных оболочек; ж) схема узла трубобетонной стойки; з) свая-оболочка; и) заглублённая оболочечная конструкция; к) оболочка как усиление грунтового основания
Наполнитель, обеспечивая повышение местной устойчивости оболочечных конструкций, может работать не только внутри контура оболочки, но и снаружи: длинные и короткие цилиндрические оболочки используются для организации протяженных подземных коммуникаций (рис. 1 л). Несмотря на трудности, зачастую возникающие при расчётном обосновании совместной работы оболочки и наполнителя, составленные из них строительные конструкции оказываются наиболее предпочтительными в сравнении с аналогами, которые могли бы быть применены в тех же проектных условиях. При этом недостаток расчётных параметров компенсируется за счёт натурных 29
испытаний и долгосрочных наблюдений за возведёнными сооружениями. В чём привлекательность содержащих наполнитель оболочечных конструкций по сравнению с конструкциями других типов? В строительстве, как правило, речь идёт о замкнутых цилиндрических и конических (нулевой гауссовой кривизны) или тороидальных оболочках, выполненных из стали, железобетона и некоторых лёгких сплавов, современных однослойных и многослойных полимерных материалов (например, стеклопластика). В качестве заполнителя в основном используются грунт, бетон, иногда различные виды пенопласта. Совместная работа оболочки и удерживаемого ею наполнителя обеспечивает конструкции ряд преимуществ. Во-первых, совместная работа оболочки и наполнителя позволяет распределить внешние нагрузки таким образом, чтобы использовать рациональную работу обоих элементов конструкции. При этом в теле оболочки возникают относительно равномерно распределённые по толщине (мембранные) напряжения, в результате чего достаточная для их восприятия толщина стенки оболочки существенно уменьшается (рис. 2). Во-вторых, при рациональном конструировании совместная работа тонкостенных оболочек с наполнителем обеспечивает снижение расхода конструктивных материалов. В-третьих, в большой группе конструктивных решений возникает возможность и целесообразность использования таких сооружений за пределами упругой области деформаций. а
оболочка
б
нагрузка
оболочка
наполнитель
наполнитель Рис. 2. Цилиндрическая оболочка с наполнителем: а) общий вид оболочки; б) поперечное сечение 30
Расширение области применения оболочечных конструкций с наполнителем объясняется рядом естественных причин, среди которых можно указать следующие основные причины. 1. Экономичность конструкции. Как правило, дорогой конструкционный материал используется только для оболочки: железобетонные конструкции занимают до 10 % от общего объёма конструкции оболочки с заполнителем, для стальных конструкций – до 1 % от всего объёма. Материал наполнителя в большинстве случаев относительно дёшев в сравнении с материалом оболочки. 2. «Живучесть» конструкции. Возможность перераспределения усилий в наполнителе в процессе эксплуатации позволяет оболочке сохранять прочность при значительных отклонениях от проектного положения. 3. Универсальность конструкции. Возможность применения оболочечных элементов с наполнителем для широкого спектра конструкций в различных областях строительства. Основные положения теории оболочек разработаны в 40-х гг. XX в. [7, 8, 10, 13] и далее развиты применительно к различным областям деятельности [16, 11, 12]. Исследования по теории оболочек с внутренним упругим массивом (наполнителем) значительно развиты в области расчёта и проектирования твёрдотопливных двигателей [9]. Как правило, для описания напряженно-деформированного состояния наполнителя используется модель упругого тела, трактующая наполнитель как однородную среду, для которой соблюдается линейная зависимость между напряжениями и деформациями. Анализ опыта применения в строительной отрасли оболочек, внутренней или внешней средой для которых является какойлибо наполнитель, позволяет обозначить круг проблем, связанных преимущественно с особенностями взаимодействия материала оболочки и материала наполнителя, а также со сложностями при организации передачи нагрузки от оболочечной конструкции на грунтовое основание: неравномерность передачи усилия от оболочки с наполнителем на основание (краевой эффект), концентрация напряжений в области контакта оболочки, наполнителя и грунтового основания; 31
сложность описания напряженно-деформированного состояния системы «оболочка - упругий наполнитель» с учётом физико-механических свойств наполнителя, условий контакта наполнителя с оболочкой и краевых эффектов; отсутствие автоматизированной комплексной методики расчёта оболочечных конструкций с упругим наполнителем; ограниченность набора конструктивных решений, позволяющих повысить эффективность работы наполнителя в составе конструкции в различных эксплуатационных условиях; необходимость разработки решений по технологии возведения оболочечных конструкций с упругим наполнителем для различных материалов и условий строительства. Обозначенные проблемы являются следствием недостаточной изученности характера напряженно-деформированного состояния оболочечных конструкций с упругим наполнителем как в натурных условиях, так и на моделях, поэтому при проектировании оболочечных конструкций в настоящее время для исключения недопустимых деформаций предусматривают специальные конструктивные мероприятия, что приводит к увеличению стоимости строительства и способствует решению только единичных проектных задач. В связи с этим исследования напряженно-деформированного состояния оболочек с упругим наполнителем остаются актуальными. Анализ исследований оболочечных конструкций показывает необходимость формирования общей методики расчёта, которая создала бы условия для широкого применения сооружений из оболочек с упругим наполнителем для устройства защитных сооружений (в гидротехническом строительстве), а также для вертикальной планировки местности (в промышленном, гражданском и транспортном строительстве). Теория расчёта должна основываться на анализе совместной работы оболочки с внутренним наполнителем, учитывать краевые эффекты и обеспечивать сохранение эксплуатационных качеств оболочечных конструкций при действии статических и динамических нагрузок.
32
Таким образом, целью дальнейших исследований является разработка методики расчёта оболочечных конструкций с упругим наполнителем для нужд строительной отрасли. Основные задачи исследований можно сформулировать следующим образом: разработать математическую модель описания взаимодействия оболочки с упругим наполнителем. Выполнить трёхмерное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния оболочки и упругой среды; провести экспериментальные исследования краевых эффектов в зонах опирания оболочек большого диаметра с упругим наполнителем на грунтовое основание с целью усовершенствования математической модели с учётом описания краевых эффектов; разработать общую методику расчёта оболочечных конструкций на основе анализа совместной работы оболочки с внутренним наполнителем и основания, с учётом динамических воздействий и краевых эффектов; разработать оптимальные конструктивные решения оболочечных сооружений, наиболее эффективно использующие материал наполнителя и оболочки; разработать основы технологии изготовления оболочечных конструкций с упругим наполнителем для широкой области применения; разработать методику оценки экономической эффективности предложенных конструкций. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Амбарцумян С.А. Разномодульная теория упругости. М.: Наука, 1982. 320 с. 2. Беккер А.Т., Селиверстов В.И. К расчету ячеистых конструкций морских гидротехнических сооружений // Гидротехнические сооружения. Владивосток: Изд-во ДВГУ, 1981. С. 48-52. 3. Беккер А.Т., Селиверстов В.И. Способ испытаний полых конструкций с заполнителем: авторское свидетельство 1323903 (СССР) № 4015560/29-33. Опубл. 13.12.85. Бюл. № 26. 4. Варвак А.П. Влияние упругого заполнителя на устойчивость цилиндрической оболочки (осесимметричная задача) // Труды VI Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластинок. М.: Наука, 1966. С.215-221. 33
5. Власов В.В., Леонтьев Н.Н. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. М.: Физматгиз, 1960. 491 с. 6. Власов В.В. К вопросу об устойчивости оболочек из композитных материалов, скреплённых с упругим заполнителем // Механика полимеров. 1973. № 3. C. 544-547. 7. Власов В.З. Общая теория оболочек и ее приложение в технике. М.: Гостехиздат. 1949. 784 с. 8. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. М.: Наука, 1976. 512 с. 9. Ильгамов М.А., Иванов В.А., Гулин Б.В. Расчёт оболочек с упругим заполнителем. М.: Наука,1987. 264 с. 10. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпромгиз, 1962. 431 с. 11. Селивёрстов В.И. Методика расчёта деформаций цилиндрических стальных ячеек гидротехнических сооружений: дисс. … канд. техн. наук. Владивосток, 1987. 491 с. 12. Филатов Д.Г. Основы расчета и конструирования коротких трубопесчаных стоек: автореф. дис. … канд. техн. наук. Владивосток, 2002. 22 с. 13. Филин А.П. Элементы теории оболочек. Л.: Стройиздат, 1975. 384 с.
34