XII Международная конференция студентов и молодых ученых

XII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
1196
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
ПРИМЕНЕНИЕ ОБОЛОЧЕК С ВНУТРЕННИМ НАПОЛНИТЕЛЕМ В ГЕОТЕХНИЧЕСКОМ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Т.И. Чернова, Н.Я. Цимбельман
Научный руководитель: доцент, к.т.н. Н.Я. Цимбельман
Дальневосточный федеральный университет,
Россия, г.Владивосток, о. Русский, б. Аякс, 10, Е-915, 690922
E-mail: ch_t_i@mail.ru
APPLICATION OF THIN SHELLS WITH INFILL IN GEOTECHNICAL ENGINEERING
T.I. Chernova, N.Ya. Tsimbel’man
Scientific Supervisor: Prof., Dr. N.Ya. Tsimbel’man
Far Eastern Federal University, Russia, Vladivostok, Russkiy island, Ajaks 10, E-915, 690922
E-mail: ch_t_i@mail.ru
Annotation. This article describes two types of structure: thin cylindrical shell with infill and cellular cofferdam.
The design conditions for the two types are provided. The solution for the choice a theory of calculation for the
shells depending on the dimensions is proposed in this paper.
В современном строительстве (гидротехническом, промышленном, гражданском и транспортном)
возникает необходимость модернизации существующих портов и строительства новых оградительных
сооружений в связи со значительным ростом объёмов производства, расширением поставок угля, газа и
др. Поставленные задачи могут быть решены с использованием различных модификаций оболочек с
внутренним наполнителем - массивных несущих конструкций, в которых наполнитель (грунт, бетон или
иной сыпучий либо связный материал) занимает значительный объём всего сооружения, а
удерживающая наполнитель оболочка выполнена из прочного материала (железобетон, стальной шпунт
или стальной лист, полимерные материалы).
В
строительстве
наиболее
широкое
применение
нашли
такие
оболочечные
сооружения
гравитационного типа с наполнителем как:
- цельные стальные цилиндрические оболочки, заполненные крупнообломочным грунтом (широко
применяются в Японии, России и странах Европейского союза). Состоят из двух основных элементов –
оболочки, заполненной грунтом, и надстройки. В качестве материала оболочки может использоваться
сталь, железобетон, некоторые виды полимерных материалов. Соотношение основных габаритов
конструкции – диаметра и высоты (H/D) оболочки находится в пределах 1,2÷1,5.
- оболочки из отдельных шпунтов, вместе образующих замкнутую оболочку, внутреннее
пространство которой также заполняется грунтом крупной фракции (применяются строительными
компаниями США и некоторых стран Юго-Восточной Азии). В зависимости от условий планировки и
требований к проектированию оболочки из шпунта разделяют на три основные группы: оболочкидиафрагмы (устраиваются путём соединения отдельных прямолинейных сегментов или цилиндрических
арок, используются для сооружений небольших габаритов с соотношением высоты к ширине Н/D ≤ 1);
Россия, Томск, 21-24 апреля 2015 г.
ТЕХНОЛОГИЯ
XII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
1197
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
цилиндрические оболочки (или полукруглые оболочки, соединённые между собой криволинейными
элементами, используются для сооружений с соотношением Н/D =1÷1,5); оболочки, имеющие в плане
форму листа клевера (представляют собой четыре криволинейных сегмента, скреплённых между собой
под углом 1200 и усиленных поперечной диафрагмой).
Целесообразность выбора типа конструкции проектируемого сооружения зависит от:
- инженерно-геологических условий участка строительства;
- доступности материалов и оборудования;
- требуемой формы и размеров сооружения;
- технологии строительства.
Расчётные модели цельных оболочек с наполнителем и оболочек из шпунта строятся на основе одних
и тех же базовых положений теории оболочек. Как правило, для описания напряженнодеформированного состояния наполнителя используется модель упругого тела, трактующая наполнитель
как однородную среду, для которой соблюдается линейная зависимость между напряжениями и
деформациями.
В зависимости от габаритов оболочки и особенностей загружения могут быть использованы
различные расчётные модели, основанные на трёх основных возможных видах напряжённодеформированного
состояния
конструкции:
безмоментного
(Бидерман,
1977;
Гуревич,
1969),
полубезмоментного (Власов, 1962) и моментного (Цурпал, 1988).
Работа оболочки большого диаметра с внутренним наполнителем наиболее полно описывается
применением полубезмоментной теории, для которой разработаны приближённые численные методы
решения, являющиеся весьма трудоёмкими (Кюмминг, 1960; Овесен, 1962; Власов, 1962). При этом
значительное увеличение толщины стенки оболочки приводит к тому, что грунт наполнения перестаёт
оказывать влияние на прочность оболочки, а обеспечивает устойчивость, увеличивая собственный вес
конструкции. В результате при определённой толщине оболочка может быть рассчитана по более
простой схеме защемлённой пустотелой балки кольцевого сечения.
Предлагается решение быстрого выбора теории расчёта оболочки в зависимости от заданных
габаритов сооружения (соотношения R/δ, где δ – толщина оболочки, R – радиус оболочки) и наличия
внутреннего наполнителя. Для анализа результатов выбраны максимальные напряжения, возникающие в
наиболее нагруженных зонах конструкции. Для анализа определено отношение нормальных напряжений
в сжатой зоне конструкции, вычисленных по полубезмоментной теории (использован метод конечных
элементов (МКЭ) для оболочки, жёстко закреплённой на основании, при этом учтено влияние
внутренней засыпки - грунта), к напряжениям по моментной теории (расчёт как для пустотелой балки,
жёстко закреплённой на основании): Δ=σоб./σб. (σоб. – напряжения оболочки (полубезмоментная теория),
σб. – напряжения балки (упрощённая расчётная схема)).
В результате определён диапазон размеров оболочек, для которого на стадии предварительных
вычислений допустимо применение менее трудоёмкой упрощённой теории расчёта (рис. 1).
Россия, Томск, 21-24 апреля 2015 г.
ТЕХНОЛОГИЯ
XII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
1198
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
Рис. 1. Соотношение напряжений в оболочке, вычисленных по двум расчётным теориям, в
зависимости от размеров оболочки
Получены интервалы применимости теорий расчёта:
– при соотношении R/δ є (1;10) оболочечная конструкция может быть рассчитана по упрощённой
балочной теории, при этом следует принимать во внимание существование значительного запаса
несущей способности (Δ≈0,4÷0,6);
– при R/δ є (10;50) напряженно-деформированное состояние оболочечной конструкции можно
определять по балочной теории, при этом для R/δ≈50 напряжения, определённые по балочной теории
близки к значениям напряжений, полученных в результате расчёта по полубезмоментной теории;
– при R/δ>50 расчёт по балочной теории не может быть применён;
– для диапазона R/δ>50 (тонкостенные оболочки) даже для предварительных вычислений следует
применять трудоёмкую полубезмоментную теорию расчёта.
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 при решении задач 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций. – М.: Машиностроение, 1977. – 488с.
2.
Власов В.З. Избранные труды. Т. I. – М.: АН СССР, 1962. – 380с.
3.
Гуревич В.Б. Речные портовые гидротехнические сооружения. – М., 1969. – 416с.
4.
Кюмминг Е.М. Цилиндрические оболочки из шпунта и доки. – Американское общество гражданских
инженеров, 1960.
5.
Овесен Н.Л. Цилиндрические оболочки из шпунта, методы расчёта и моделирования. – Дания:
Институт Геотехники, 1962.
6.
Цурпал И.А. Сопротивление материалов. Лабораторные работы. – К.: Высшая школа, 1988. – 245с.
Россия, Томск, 21-24 апреля 2015 г.
ТЕХНОЛОГИЯ