Арочное быстровозводимое бескаркасное здание монтируется из тонкостенных корытообразных профилей, прокатываемых и вальцуемых в арку на строительной площадке по технологии МIС Industries Inc (США), далее МIС. Для увеличения перекрываемых пролетов здания предложен двойной арочный свод [1] с укладкой между профилями пароизоляции и утеплителя (рис. 1).

Проведены испытания фрагмента свода пролетом 30,4 м, высотой 10,95 м, шириной 1,8 м для определения работы свода с учетом фактических отклонений его геометрии при различных схемах и уровнях нагружения; сопоставления и анализа теоретических и экспериментальных данных, уточнения геометрических характеристик профиля [2]; выявления предельного состояния и экспериментальной оценки несущей способности конструкции свода.

Аналогичные испытания были проведены также для однослойного свода пролетом 15,6 м, собранного из профилей НА 110 (0,8) [3].

Рис. 1 Поперечное сечение арки из двух слоев профилей

Рис. 2 Общий вид арочного свода

Конструкция фрагмента свода и установки для испытания. Фрагмент свода собирали из двух слоев, соединенных между собой на фальцах трех свальцованных радиусом 15,5 м тонкостенных профилей НА 180 толщиной 1,5 мм. Два слоя соединяли между собой с помощью прогонов из профиля НА НО (1,0) на самонарезающих болтах (см. рис. 1). Арочные панели защемляли в фундаменте, воспринимающем распоры. Опорные узлы (на 4 болтах М20) усиливали дополнительным профилем высотой 500 мм. Материал профилей — сталь с пределом текучести στ > 400 МПа.

Фрагмент свода был установлен на балочную клетку (постамент) из ортогонально расположенных, жестко сопряженных между собой двутавровых балок. Нагружающее устройство представляет собой трехъярусную систему, включающую вертикальные тяжи, попарно объединенные распределительными балками. Для равномерного распределения нагрузки по ширине свода использованы траверсы из спаренных швеллеров. Чтобы равномерно включить в работу два слоя тонколистовых профилей, между ними в местах приложения нагрузки устанавливали деревянные бруски. Нагрузку создавали тянущими домкратами (О = 100 кН) с ходом поршня 250 мм, контроль осуществляли динамометрами. Для обеспечения устойчивости свода из плоскости были предусмотрены три пары оттяжек со специальными устройствами, регулирующими их длину. Общий вид арочного свода, подготовленного для испытания, приведен на рис. 2.

Методика проведения испытаний. Измерения фактической геометрии свода и его перемещений проводили сотрудники института ГСПИ с помощью электронного тахеометра. На нижнем профиле были установлены с равным шагом семь геодезических марок (рис. 3), три координаты которых определяли прибором с одной точки. Таким образом были определены начальная геометрия фрагмента свода и ее отклонения от проектной в виде дуги окружности, которые не превышали 200 мм по горизонтали, 280 мм по вертикали и 50 мм из плоскости фрагмента. При нагружении конструкции определяли новые координаты точек деформированного свода и перемещения.

Испытания проводили по двум схемам нагружения, соответствующим снеговым нагрузкам на арочный свод по СНиП 2.01.07-85* (нагрузка Sg = 2,4 кПа): равномерно распределенной нагрузке на центральную часть свода (первая схема) и односторонней нагрузке (вторая схема). При определении суммарных экспериментальных нагрузок учитывали фактические нагрузки, приложенные к конструкции по мере монтажа свода, вспомогательных и распределительных устройств. Дополнительная недостающая часть равномерно распределенной снеговой нагрузки при испытании составила 27,3 кН, или по 9,1 кН на каждое из трех нагружающих устройств. Недостающую часть неравномерной нагрузки, условно представленную в виде суммарной нагрузки 16,14 кН, прикладывали к одному крайнему нагружающему устройству.

Нагрузку прикладывали этапами. После двух этапов нагружения проводили полную разгрузку свода.

Рис. 3 Схема расположения марок и электронного тахеометра

Рис. 4 Арка после разрушения

Результаты испытаний. При первой схеме нагружения средняя нагрузка на каждый домкрат составила 10,37 кН, фрагмент свода не доводили до разрушения. Определены горизонтальные и вертикальные перемещения контрольных точек, а также их суммарные величины. По результатам испытаний были построены графики: суммарное перемещение — нагрузка для всех контрольных точек. С использованием метода наименьших квадратов (МНК) построены линейные аппроксимирующие зависимости для их суммарных перемещений. Чтобы исключить погрешности, вызванные пластическими деформациями и обмятием профиля на опорах, проводили параллельный перенос аппроксимирующей линии в начало координат.

Одностороннюю нагрузку прикладывали этапами с помощью только одного домкрата примерно по 2,5 кН.

При второй схеме нагружения выявили следующее.

1. Несущая способность фрагмента свода была исчерпана при нагрузке 29 кН. Необратимые изменения произошли в четверти арки, со стороны, противоположной нагрузке, в виде излома нижней сжатой гофрированной части сечения (рис. 4).

2. По результатам испытаний были построены графики: суммарное перемещение — нагрузка для всех контрольных точек. Экспериментальные прогибы аппроксимированы полиномом второй степени.

Анализ результатов численных и экспериментальных данных. Расчеты выполняли методом конечных элементов (МКЭ) с использованием стандартного вычислительного комплекса. Эксперимент моделировали с учетом последовательности монтажа фрагмента свода, нагружающих устройств и нагружения домкратами:

1-й этап — расчет внутреннего слоя свода с шарнирными опорами на собственную массу внутреннего и наружного слоев и прогонов. В ключе свода прикладывали горизонтальную отклоняющую силу (0,5 кН), моделирующую фактическую несимметричность системы;

2-й этап — в расчетную схему включали наружный слой также с шарнирными опорами. К верхнему слою в 12 узлах прикладывали массу от нагружающего устройства (деревянные вкладыши, траверсы, тяжи, распределительные балки, тросы и динамометры);

3-й этап — к верхнему слою (в 12 узлах — для симметричного нагружения и в 4 узлах — для несимметричного нагружения) прикладывали нагрузку от домкратов, аппроксимирующую соответственно равномерную и одностороннюю снеговые нагрузки. На этом этапе расчеты проводили для двух вариантов опирания свода: жесткого и шарнирного. Все расчеты выполняли с двумя вариантами геометрических характеристик сечений панелей, приведенных в табл. 1 (вариант 1 — по результатам испытаний [2], вариант 2 — данные МIС). Максимальные расчетные величины приведены в табл. 2 и 3.

Рис. 5 Сопоставительные эпюры перемещений а - при симметричной нагрузке;     б - при односторонней нагрузке;     1-результаты испытаний;     2 - момент инерции J = 560 см4 (данные МIС) - жесткая заделка;     3 - J = 560 см4 (данные МIС) - шарнирное опирание;     4 - J = 400 см4 (данные эксперимента [2]) - жесткая заделка;     5 - J = 400 см4 (данные эксперимента [2]) - шарнирное опирание