Моделювання напружено-деформованого стану тонкостінних куполів з полікарбонату для раціонального проектування

Abstract

У статті набув подальшого розвитку метод розрахунку тонкостінних купольних систем без стаціонарного фундаменту. Виконано ґрунтовний аналіз принципового конструктивного рішення безкаркасних збірно-розбірних сферичних куполів з полікарбонату, який використовують сучасні світові виробники цих споруд. Виконано стислий опис безмоментної теорії роботи сферичних оболонок, який адаптовано стосовно полікарбонатних куполів. Розглянуто спрощену аналітичну модель напружено-деформованого стану сферичної оболонки діаметром екватора до 5 м під дією кліматичних впливів для подальшої верифікації деталізованих моделей. Розроблено високо деталізовані скінчено-елементні моделі куполів різних розмірів з урахуванням технологічних прорізів та конструктивних елементів жорсткості (опорного кільця та дверної рами) під дією вітрових, снігових, ожеледних та інших кліматичних впливів. Виявлено ділянки з найбільшими внутрішніми напруженнями від різних навантажень та характер деформування споруди. Окремо розглянуто питання втрати стійкості форми, положення та рівноваги тонкостінної сферичної оболонки, як легкої тимчасової споруди. Доведено, що найгіршим впливом для конструкцій куполу, виходячи з критерію стійкості, є вітровий вплив. Визначено оціночну величину аеродинамічної підйомної сили від вітрових впливів, що діє на куполи. Доведено, що підйомна сила набагато більша за стабілізуючу власну вагу тонкостінного куполу. Розрахунками виявлено, що безкаркасний сферичний купол з полікарбонату від дії вітрових навантажень неминуче втрачає стійкість рівноваги і потребує розкріплення анкерами. Запропоновано раціональний спосіб анкерування конструкцій куполу на тимчасових земляних майданчиках з використанням геошурупів або металевих гвинтових паль. Виявлено залежність між радіусом кривизни сферичного куполу та раціональною товщиною полікарбонату виходячи з критеріїв жорсткості та міцності Сформульовано конструктивні рекомендації щодо раціонального проектування купольних систем з полікарбонату. Розроблений технологічний регламент з подальшої безпечної експлуатації куполів, а також, окреслено напрямки подальших наукових досліджень за цією тематикою.

В статье получил дальнейшее развитие метод расчета тонкостенных купольных систем без стационарного фундамента. Выполнен глубокий анализ принципиальных конструктивных решений бескаркасных сборно-разборных сферических куполов из поликарбоната, которые используют современные мировые производители этих сооружений. Выполнено краткое описание безмоментной теории работы сферических оболочек, которая адаптирована касательно поликарбонатных куполов. Рассмотрена упрощенная аналитическая модель напряженно-деформированного состояния сферической оболочки диаметром экватора до 5 м под действием климатических воздействий для последующей верификации детализированных моделей. Разработаны высоко детализированные конечно элементные модели куполов разных размеров с учетом технологических проемов и конструктивных элементов жесткости (опорного кольца и дверной рамы) под действием ветровых, снеговых, гололедных и других климатических воздействий. Выявлены участки с наибольшими внутренними напряжениями от различных нагрузок и характер деформирования сооружения. Отдельно рассмотрены вопросы касающиеся потери устойчивости формы, положения и равновесия тонкостенной сферической оболочки, как легкого временного сооружения. Доказано, что наихудшим влиянием на конструкции купола, исходя из критерия устойчивости, является ветровое влияние. Определено оценочную величину аэродинамической подъемной силы, действующей на купол, от ветровых воздействий. Доказано, что подъемная сила намного больше стабилизирующей силы веса тонкостенного купола. С помощью выполненных расчетов выявлено, что бескаркасный сферический купол из поликарбоната от действия ветровых нагрузок неминуемо теряет устойчивость равновесия и требует раскрепления анкерами. Предложен рациональный способ анкеровки конструкций купола на временных земляных строительных площадках с использованием геошурупов либо металлических винтовых свай. Выявлена взаимосвязь между радиусом кривизны сферического купола и рациональной толщиной поликарбоната исходя из критериев жесткости и прочности. Сформулированы конструктивные рекомендации касательно рационального проектирования купольных систем из поликарбоната. Разработан технологический регламент дальнейшей безопасной эксплуатации куполов, а также, очерчены направления дальнейших научных исследований по этой тематике.

The paper contains the further developed of method for calculating thin-walled dome systems without a stationary foundation. Have been carried out the detailed analysis of the fundamental design solutions for frameless collapsible spherical polycarbonate domes, which are used by modern world manufacturers of these structures. Have been done a brief description of the momentless theory of the operation of spherical shells, which is adapted for polycarbonate domes. Have been considered a simplified analytical model of the stress-strain state of a spherical shell with an equatorial diameter of up to 5 m under the influence of climatic influences for the subsequent verification of detailed models. Have been developed highly detailed finite element models of domes of different sizes, taking into account technological openings and structural stiffeners (support ring and door frame) under the wind, snow, ice loads and under other climatic influences. Have been identified the fragments with the highest stresses various loads and forms of the deformation of the structure. Have been considered separately the issues related to the loss of shape stability, position and balance of a thin-walled spherical shell, as a light temporary structure. Have been proven that the worst influence on the dome structures is the wind influence, based on the stability criterion. Have been determined the estimated value of the aerodynamic lifting force wind effects on the dome. Have been proven that the lifting force far exceeds the stabilizing force of the weight of a thin-walled dome. Have been revealed with the help of the performed calculations, it was that a frameless spherical polycarbonate dome inevitably loses its balance stability due to the action of wind loads and requires unfastening with anchors. Have been proposed a rational method for anchoring dome structures at temporary earthen construction sites using geo-screws or metal screw piles. Have been revealed the addiction between the radius of curvature of a spherical dome and the rational thickness of polycarbonate based on the criteria of stiffness and strength. Have been formulated the constructive recommendations regarding the rational design of polycarbonate dome systems. Have been developed the technological regulations for the further safe operation of domes, and have been outlined the directions for further scientific research on this topic.