CC BY
77
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 624.014
DOI: 10.17213/0321-2653-2014-6-83-87
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
© 2014 г. Н.А. Бузало, С.А. Алексеев, Н.Г. Царитова
Buzalo Nina Alecsandrovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Building construction, Construction and Applied Mechanics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: buzalo_n@mail.ru
Alekseev Sergey Alecsandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Building construction, Construction and Applied Mechanics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: alex0555@yandex.ru
Tsaritova Nadezhda Gennadievna - senior lector, department «Building construction, Construction and Applied Mechanics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Email: ncaritova@yandex.ru
Бузало Нина Александровна - канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Строительные конструкции, строительная и прикладная механика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: buzalo_n@mail.ru
Алексеев Сергей Александрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Строительные конструкции, строительная и прикладная механика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: alex0555@yandex.ru
Царитова Надежда Геннадьевна - ст. преподаватель, кафедра «Строительные конструкции, строительная и прикладная механика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: ncaritova@yandex.ru
Пространственные стержневые конструкции широко применяются при создании новых архитектурных форм, оригинальных зданий и сооружений, в том числе и быстровозводимых. Авторами предлагается методика автоматизированного проектирования трансформируемой стержневой пространственной конструкции. С применением программно-вычислительных комплексов выполнено построение модели и исследование силового сопротивления конструкции и ее узлов. Поведение элементов системы рассматривалось как в упругой стадии, так и с учетом геометрической и физической нелинейности. Выявлены слабые места и выполнена модернизация узла стержневой конструкции. Для изучения действительной работы узла выполнено его экспериментальное исследование. Даны рекомендации по применению новой конструкции узла соединения стержней в массовом производстве. Ключевые слова: пространственная стержневая конструкция; система автоматизированного проектирования; экспериментальное исследование; шарнирный узел; испытательная установка; пластические деформации.
Spatial grid framings are widely applied at creation of new architectural forms, original buildings and constructions, including fast-built. The authors propose a method of computer-aided design of transformable core spatial structure. With the use of software and computer systems is made to build a model and study the resistance of the power structure and its components. Behavior of the elements of the system considered in the elastic stage, and taking into account the geometrical and physical nonlinearity. Identified weaknesses and made upgrading core node design. To study the actual work site holds his experimental research. Recommendations on the use of a new design node connection rod in mass production. Keywords: spatial grid framing; computer aided design; experimental research; a hinge unit; the test set, plastic deformation.
Сегодня пространственные стержневые конструкции (ПСК) являются средоточием интересов как инженеров, так и архитекторов, а лучшие примеры их использования в организации материальной среды олицетворяют гармонию рационального и эмоционального, массового и индивидуального.
Единство конструкции и архитектурной формы в стержневых пространственных системах открывает широкие возможности комбинаторных поисков различных геометрических образований, эстетических принципов освоения всего объекта и его элементов, новых технологических приемов динамического процесса формообразования, рационального использования материалов [1].
Задачи экономии металла и трудовых ресурсов предъявляют требования по применению экономных конструкций и дальнейшему их совершенствованию -этим требованиям полностью отвечают ПСК. Миро-
вым тенденциям развития строительной индустрии -возрастающей степени заводской готовности строительных конструкций и их элементов - полностью отвечают ПСК [2].
Пространственные стержневые конструкции представляют собой системы из вертикальных перекрестных ферм или, чаще всего, регулярные структуры, построенные на принципе многосвязанности, составленные из правильных и полуправильных многогранников, обладающих двумя важнейшими свойствами:
- возможностью плотного заполнения пространства;
- одной длиной модульного стержня в пределах одной конструкции.
Этими свойствами обладают тетраэдр и октаэдр (рис. 1) и ряд архимедовых тел - полуправильных многогранников.
а б в
Рис. 1. Основные многогранники: а - тетраэдр; б - октаэдр; в - куб октаэдр
Первые ПСК, изобретателем которых стал русский инженер В.Г. Шухов, появились в начале XX в. [3]. Именно В.Г. Шухов использовал в своих сооружениях совместную статическую работу металлических стержней, перекрещивающихся в двух направлениях. В такой конструкции покрытие работает как единая система, причем во всех стержнях возникают примерно одинаковые усилия, что позволяет использовать одинаковые сечения.
Многие ученые занимались исследованием ПСК, вводили свои системы классификации, например, З. Маковский [4] все пространственные конструкции регулярной структуры в зависимости от геометрической схемы разделил на две группы:
- системы перекрестных ферм двух и более направлений;
- собственно структурные конструкции, образуемые совокупностью тетраэдров, октаэдров, пирамид с треугольным, квадратным или иным основанием.
На четыре группы по геометрическим признакам разбил пространственные сетчатые системы Дж. Бор-рего [5]:
- системы с совмещенными в плане поясными сетками одинаковой формы (Direct Grid). Узлы одной сетки этой системы расположены непосредственно под узлами другой и соединены с ними раскосами, расположенными в вертикальных плоскостях;
- конструкции со смещенными на половину ячейки поясными сетками одинакового строения (Offset Grid);
- схемы с различным строением верхней и нижней сеток (Differential Grid). Ячейки сеток вместе с раскосами образуют многократно повторяющийся пространственный многогранник;
- системы вертикальных перекрестных ферм (Lattice Grid). Размер панелей поясов ферм может быть меньше стороны ячейки, во всех остальных отношениях эта системы подобна первой.
Эти четыре группы не охватывают всего многообразия двухпоясных решетчатых систем. Поэтому А.З. Клячин [6] предложил два варианта классификации геометрических схем ПСК:
- по виду и расположению одной поясной сетки относительно другой;
- по форме характерного пространственного модуля, который определяет строение системы.
А.З. Клячин разделил ПСК также исходя из типа повторяющегося модуля, определяющего конструктивную форму системы, при такой классификации двухпо-ясные ПСК также можно разделить на четыре группы:
- Структуры сотового строения, состоящие из призм с треугольным, квадратным, шестиугольным основанием или основанием иной формы, а также из их комбинаций (рис. 2 а).
- Системы, включающие одинаковые пирамиды с треугольным, квадратным, шестиугольным основанием (рис. 2 б).
- Конструкции, состоящие из комбинаций пирамид различной формы (рис. 2 в).
- Системы с двухъярусным расположением пирамид одной и той же формы (рис. 2 г).
- пояс верхней сетки
- пояс нижней сетки
Рис. 2. Структуры сотового строения, состоящие из призм с квадратным основанием (а). Структуры из пирамид с квадратным основанием (б). Структуры из пирамид различной формы (в). Системы с двухъярусным расположением пирамид (г)
а-а
- раскос
- стойки
а
б
г
Совершенствование ПСК идет по пути создания систем, обеспечивающих минимальные затраты на монтаж, удобную и экономичную транспортировку. Современные ПСК состоят из однотипных элементов, изготавливаемых на высокопроизводительных производственных линиях, доступен и целесообразен их крупноблочный монтаж, возможно транспортировать отправочные элементы пространственной системы в упакованном виде [7].
При создании ПСК используют следующие принципы формообразования [8]:
- изменение числа стержней, сходящихся в узле, дает возможность образовывать конструкции различной конфигурации в плане;
- смещение точки пересечения раскосов от их середины в попарно пересекающихся группах одного или нескольких направлений позволяет образовать формы поверхности, отличные от плоской (с кривизной в одном или двух направлениях).
Авторами статьи рассматривается трансформируемая пространственная легкая быстровозводимая конструкция регулярной структуры [9]. На место монтажа ПСК предполагается доставлять в линейном виде (рис. 3 а), при монтаже изменением длины стержней нижнего пояса конструкция превращается в арку (рис. 3 б).
Наиболее эффективным методом исследования пространственных конструкций на основе дискретных расчетных схем является метод конечных элементов (МКЭ) [10]. В программно-вычислительном комплексе (ПВК) StructureCAD, базирующемся на методе МКЭ и предназначенном для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС), устойчивости, определения частот и форм собственных колебаний, были разработаны модели ПСК в исходном виде перед монтажом (рис. 3 а), и в виде готовой собранной
арки (рис. 3 б). Приняты следующие параметры системы: пролет арки - 17,6 м, высота - 3,8 м, длина стержней, сходящихся в узле, - 3 м.
ПСК была рассчитана на нагрузки от веса легкого покрытия и снега. Полученные в результате значения усилий были использованы для расчета узла, твердотельная модель которого выполнена в программе SolidWorks и перенесена для численного анализа в ПВК ANSYS. Применение ПВК позволяет выявить резервы несущей способности узла с учетом физической и геометрической нелинейности [11]. Проанализировав полученное распределение напряжений в элементах узла, выяснили, что принятая конструкция имеет ряд несовершенств, в узле появляются значительные деформации, переходящие в пластические на кромках постелей под шарниры, вследствие недостаточно жесткого соединения между прижимными дисками и их малой толщины. Требуемое увеличение толщины дисков привело бы к значительному утяжелению всего узла. Поэтому конструкция узла была доработана. Между прижимными дисками были вставлены втулки, обеспечивающие более жесткое соединение и равномерный прижим шаровых наконечников стержней. Конструкция модернизированного узла показана на рис. 4.
В дальнейшем авторами были проведены расчеты в ПВК ANSYS модернизированного узла. Для упрощения расчета и снятия влияния стержней на НДС узла - стержни были заменены только шаровыми наконечниками, три из которых были опорными -т.е. жестко закреплены к «земле», к трем другим приложена нагрузка. Задача решалась в нелинейной постановке. Материал узла - конструкционная сталь, диаграмма о-в с линейным упрочнением.
Рис. 3. Расчетные модели ПСК
а
б
Рис. 4. Твердотельная модель модернизированного узла ПСК, выполненная в SoHdWorks
Контактное взаимодействие: между шаровыми наконечниками и прижимными дисками - нелинейное с учетом трения, между болтами и нижним прижимным диском - неразрывное, между болтами и верхним прижимным диском - нелинейное без учета трения. Были получены результаты, показанные на рис. 5.
0,0035
б
Рис. 5. Суммарные деформации в модернизированном узле (а); пластические деформации в нижнем прижимном диске модернизированного узла (б)
Анализ результатов конечно-элементного моделирования доработанного усиленного узла ПСК позволяет сделать вывод о его надежности. Установка втулок обеспечивает достаточную несущую способность узла и отсутствие чрезмерных деформаций прижимных дисков.
Для верификации результатов конечно-элементного моделирования авторами было принято решение выполнить экспериментальное изучение самого слабого элемента узла - прижимного диска. Выявление действительных особенностей поведения и харак-
тера деформаций деталей узла возможно только при экспериментальном исследовании [12]. Для проведения эксперимента был изготовлен диск из стального листа марки С245 толщиной 5 мм. Изготовление прижимного диска было выполнено в мастерских ЮРГПУ (НПИ).
Испытания прижимного диска на внецентренное сжатие проводились статической нагрузкой на специально сконструированной установке (рис. 6) на базе машины универсальной с предельной нагрузкой 5 т типа УММ-5 ГОСТ 7588-61. Нагружающее устройство машины позволяет прикладывать силу с малой скоростью, фиксировать и, при необходимости, стабилизировать ее значение на постоянном уровне.
Результаты эксперимента в целом соответствуют данным теоретического расчета: прогибы в упругой стадии - теоретические и замеренные при испытаниях -практически совпали, а при развитии пластических деформаций разница между теоретическими и экспериментальными прогибами прижимного диска не превышала 15 %, причем при нагрузках, близких к предельным, эта разница уменьшалась до 8...10 %. Полученные экспериментальные данные позволяют считать использованные теоретические решения достаточно достоверными.
Рис. 6. Установка перед началом эксперимента
В результате проведенного исследования были выявлены слабые места в конструкции узла ПСК, предложена его новая модернизированная версия, которая может быть внедрена для массового производства.
Литература
1. Рекомендации по проектированию структурных конструкций / ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. М., 1984. 416 с.
2. Трофимов В.И., Бегун Г.Б. Структурные конструкции. М., 1972. 173 с.
3. Грефе Р. [и др.] В.Г.Шухов (1853-1939). Искусство конструкции. М., 1995. 192 с.
4. Makowski Z.S. Raumliche Tragwerke aus Stahl. Beratungsstelle Paris, 1984 (IV pt, note 1)
5. Borrego J. Space grid structures-skeletal frameworks and stressed-skin systems USA: Massachusetts Institute of Technology. 1968. 201 с.
6. Клячин А.З. Пространственные стержневые металлические конструкции регулярной структуры. Екатеринбург, 1995. 276 с.
7. Binst M. Van. Three-dimensional structures for roofs of buildings // Achier - Stahl - Steel», 1980.Vol. 45. № 1.
8. Analysis, design and construction of space frames (draft) // IASS Working group. Spatial space structures, 1979.
9. Бузало Н.А., Алексеев С.А., Царитова Н.Г. Численное исследование шарнирного узла пространственной стержневой конструкции// Науковедение: интернет-журн. 2014. URL: http://naukovedenie.ru/index.php?p=issue-2-14 (дата обращения 03.2014г.)
10. Wah Т., Calcote L.R. Stryctural Analysis by Finite Difference Calculus. Von Nostrand Reinhold Co. N. Y., 1970.
11. Franchi A., Cohn M.Z. Stralri-softening and large-displacement analysis in structural plasticity. «Computers and Structures» // Air International J. 1980.Vol. 11. № 5.
12. Mezzina M., Prete G., Tosto A. Automatic and experimental analysis for a model of space grid in elasto-plastic behaviour // 2nd International conference on Space structures. Guilford, England, 1975.
References
1. Rekomendacii po proektirovaniyu strukturnyh konstrukcij. CNIISK im. Kucherenko Gosstroya SSSR [Design guidelines structural con-instructions / Institute them. Kucherenko Gosstroy of the USSR]. Moscow, 1984, 416 p.
2. Trofimov V.I., Begun G.B. Strukturnye konstrukcii [Structural design]. Moscow,1972, 173 p.
3. Grefe R. , Shuhov V.G. Iskusstvo konstrukcii [The art of coning]. Moscow, 1995, 192 p.
4. Makowski Z.S. Raumliche Tragwerke aus Stahl. Beratungsstelle . Paris, 1984 (IV pt, note 1).
5. Borrego J. Space grid structures-skeletal frameworks and stressed-skin systems. USA, Massachusetts Institute of Technology, 1968, 201 p.
6. Klyachin A.Z. Prostranstvennye sterzhnevye metallicheskie konstrukcii regulyarnoj struktury [Spatial truss metal structures regular structures]. Ekaterinburg, 1995, 276 p.
7. Binst M. Van. Three-dimensional structures for roofs of buildings. Achier - Stahl - Steel, 1980,vol. 45, no. 1.
8. Analysis, design and construction of space frames (draft). IASS Working group. Spatial space structures, 1979.
9. Buzalo N.A., Alekseev S.A., Caritova N.G. Chislennoe issledovanie sharnirnogo uzla prostranstvennoj sterzhnevoj konstrukcii [Numerical study of the exoskeleton spatial crucial-Neva design]. Naukovedenie: internet-zhurn. 2014. Available at: <http://naukovedenie.ru/index.php?p=issue-2-14> (accessed 03.2014.)
10. Wah T., Calcote L.R. Stryctural Analysis by Finite Difference Calculus. Von Nostrand Reinhold Co, N. Y., 1970.
11. Franchi A., Cohn M.Z. Stralri-softening and large-displacement analysis in structural plasticity. «Computers and Structures». Air International J, 1980,vol. 11, no. 5.
12. Mezzina M., Prete G., Tosto A. Automatic and experimental analysis for a model of space grid in elasto-plastic behavior. 2nd International conference on Space structures, Guilford, England, 1975.
Поступила в редакцию 22 сентября 2014 г.
