CC BY
14
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)
ТРАНСПОРТНЕ БУД1ВНИЦТВО
УДК 624.012.41
«_» 1 *
Г. М. ГАСШ1
'*Каф. «Конструкци з металу, дерева та пластмас», Полтавський нацюнальний технiчний унгверситет
iменi Юрш Кондратюка, Першотравневий просп., 24, Полтава, Укра1на, 36011, ел. пошта grigoriigm@gmail.com,
ORCID 0000-0002-1492-0460
ДИНАМ1КА РОЗВИТКУ, СУТН1СТЬ ТА ГАЛУЗЬ ЗАСТОСУВАННЯ ПРОСТОРОВИХ СТРУКТУРНО-ВАНТОВИХ СТАЛЕЗАЛ1ЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦ1Й
Мета. У будiвництвi з'явилася необхiднiсть створення нових конструкцiй, зокрема просторових систем покриття, застосування яких сприятиме економп матерiалiв й зменшенню трудомiсткостi технолопчних процесiв монтажу та виготовлення. Узагальнивши результати попередньо проведеного теоретичного досль дження iснуючих типiв просторових конструкцш, у роботi потрiбно знайти перспективт напрями розвитку нових конструкцiй, яш були б позбавленi недолiкiв аналопв iз одночасним забезпеченням економiчного ефекту за рахунок рацiонального використання матерiалiв та енергозбереження. Методика. Для досягнення поставлено! мети було виконано дослщження конструктивних рiшень рiзних просторових систем - аналiз вiтчизняних та закордонних патентних баз, результапв експериментальних випробувань та теоретичних до-слiджень. Результати. Висвгглено основнi етапи розвитку нового типу просторово! конструкци - просторово! структурно-вантово! сталезалiзобетонно! конструкци; наведено шформацш про особливостi и будови. Просторовi структурно-вантовi сталезалiзобетоннi конструкци - абсолютно новий вид просторових несучих систем, яш завдяки оригiнальному конструктивному ршенню мають широку галузь застосування. Базовим елементом створених конструкцш е модульний елемент, який мае форму нас^зно! пiрамiди та складаеться з плити й трубчастих стрижнiв. Модульш елементи виробляються в заводських умовах. З просторових мо-дулiв можуть виготовлятися прямолiнiйнi та криволiнiйнi конструкци, а також рiзнi несучi системи та !х комбшаци. Наукова новизна. Автором сформульовано концепцiю оригiнальних конструктивних форм та !х несучих елементiв. Запропоновано i створено новi види просторових структурно-вантових конструкцiй для будiвель та споруд рiзного призначення. Практична значимкть. Розробленi структурно-вантовi конструкци мають широку галузь застосування: вони можуть використовуватися для промислового та цив№ного будiвництва. Застосування створених конструкцш при будiвництвi будiвель i споруд дозволяе отримати зна-чний економiчний ефект за рахунок рацiонального використання матерiалiв та заощадження енергоресурсiв на стадо виготовлення й монтажу.
Ключовi слова: пластина; труба; стрижень; модуль; верхнш пояс; нижнiй пояс
Вступ
З урахуванням стану сучасно! буд1вельно1 галуз1 та гостро! потреби в нових ресурсоеко-номних i енергоощадних конструкщях лопч-ним i закономiрним вирiшенням проблеми е розроблення нових конструктивних ршень.
Просторовi структурно-вантовi сталезатзо-бетоннi конструкцп' - новий вид просторових несучих систем з орипнальним конструктив-
ним ршенням, основне застосування яких -покриття бущвель i споруд рiзного призначення, у тому чи^ великопрол^них ангарiв аеро-портiв, машинних галерей, депо, доюв, споруд прничо! та металургшно! промисловостi, спор-тивних арен, стадюшв [3] тощо.
Огляд останшх джерел i публiкацiй показав, що з-помiж нинi iснуючих ефективних конструкцш найчастше видiляють просторовi ршення та композитнi конструкцп', особливiсть
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)
яких полягае у поеднанш плит зi стрижневими елементами [1, 2].
Зважаючи на викладене, щея об'еднати но-вим способом в одну цшсну конструкцiю тра-дицшш елементи - плити i стрижш, е оригiнальною.
Мета
Розробити нову концепщю оригiнальних та ефективних просторових конструкцiй i !х несу-чих елеменпв та вирiшити проблему !х ство-рення.
Методика
Для досягнення поставлено! мети та встано-влення перспективних напрямiв розвитку нових конструкцш було проведено грунтовний та все-бiчний аналiз рiзноманiтних конструктивних ршень просторових систем, вiтчизняних та за-кордонних патентних баз, результатiв експери-ментальних випробувань та теоретичних досл> джень.
Результати
Просторовi структурно-вантовi сталезалiзо-бетонш конструкци об'еднують у собi переваги структурних, висячих i композитних конструкцш. Вщмшною рисою, яка виокремлюе просторову структурно-вантову сталезалiзобе-тонну конструкщю з-помiж iнших в окремий вид е 11 будова. Будова конструкци дозволяе максимально ефективно i ращонально викори-стовувати мiцнiснi властивостi будiвельних ма-терiалiв.
Отриманню тако! конструкци передувала довготривала робота з пошуку оптимальних способiв поеднання рiзнотипних елемеипв та шляхiв удосконалення iснуючих конструктивних ршень. Динамiку розвитку просторових сталезалiзобетонних структурно-вантових кон-струкцiй можна вiдобразити узагальненою блок-схемою (рис. 1).
Першим кроком у змщненш намiрiв створи-ти новий вид конструкцш та першим етапом у 1х розвитку було отримання узагальнюючих вщомостей про особливостi, переваги та недо-лiки iснуючих конструкцiй будiвель i споруд рiзного призначення. До конструкцш, як привернули увагу, належать сталезалiзобетоннi
конструкци та просторов! системи. З огляду на вимоги, яю висуваються до сучасних буд1вель-них конструкцш, з-пом1ж всього р1зноман!ття конструктивних ршень згаданих вид1в конструкцш, перспективними е сталезал1зобетонн1 плити, структурш плити i вантов1 системи.
1 етап Анагпз ¡снуючих вид1в несучих систем, конструкцш, буд!вель i споруд р1зного призначення та вшцлення найефективжших
*
II етап Пошук нових cnocoöie поеднання ефективних конструктивних елеменпв та пошук шляхт удосконалення ¡снуючих конструктивних pi-шень
*
III етап Створення просторових структу-рно-вантових сталезал)зобетон-них конструкщй
Рис. 1. Узагальнена блок-схема розвитку просторових структурно-вантових сталезалiзобетонних конструкцш
Fig. 1. Generalized block scheme of the development of steel and concrete composite cable space frames
Сталезал1зобетонш конструкци, завдяки по-еднанню мщшсних властивостей стал1 i бетону е надiйними, жорсткими та мають високу несучу здатшсть. До того ж в таких конструкщях реалiзовано принцип рацiонального викорис-тання матерiалiв. Останнiм часом сталезалiзо-бетоннi конструкци з-помiж iнших вищв конс-трукцiй зазнають найчастiших удосконалень i модифiкацiй конструктивних рiшень та форм перерiзiв. Зважаючи на це, 1х галузь застосу-вання постшно розширюеться. Ефективно за-стосовуються сталезалiзобетоннi конструкци
i для зведення просторових несучих системи, зокрема покриттiв, а результати огляду юную-чих просторових сталезалiзобетонних покрит-тiв та 1х дослщжень е цьому пiдтвердженням [6, 9, 11-14].
Що стосуеться структурних плит, то до 1х переваг вщносять: просторову роботу; здат-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету затзничного транспорту, 2017, N° 5 (71)
нють перерозподшяти внутрiшнi зусилля; стш-юсть до динамiчних навантажень та локальних пошкоджень. При цьому таю конструкци е по-pÎB^TO легкими, дозволяють перекривати зна-чш прольоти, мають архiтектурну виразнiсть, а елементи таких конструкцш працюють на осьовi зусилля, що беззаперечно сприяе ращо-нальному використанню матерiалiв [4].
Стосовно вантових конструкцш слщ зазна-чити, що вони мають аналопчш переваги, що i структурш, а саме: низьку вагу; можливють перекривати значнi прольоти; роботу елемеипв на осьовi зусилля, при чому лише розтягу [10].
Проаналiзувавши досвщ застосування, ре-зультати експериментальних i теоретичних до-слiджень та особливосп роботи таких констру-кцiй, було зроблено висновок про доцшьшсть пошуку шляхiв позбавлення вiд ix недолтв з метою створення нових ефективних поеднань конструктивних елементiв.
Процес пошуку нових способiв поеднання несучих елеменпв та удосконалення iснуючиx конструктивних ршень сформував другий етап розвитку просторових структурно-вантових сталезалiзобетонниx конструкцiй. На цьому етат, окрiм прямих спроб винайти новий спо-сiб поеднання конструктивних елеменпв та принципи ïx взаемного розташування у просто-рi, основна увага була придшена аналiзу недо-лiкiв розглядуваних конструкцiй та шляxiв ïx вирiшення.
Першочерговим завданням при розробленш ново! конструкцiï шляхом удосконалення юну-ючих було вирiшення спшьно].' для бiльшостi дослiджуваниx конструкцiй проблеми, яка по-лягала в надмiрнiй складностi вузлових з'еднань. Актуальнiсть виршення цього питан-ня визначаеться ще й тим, що несуча здатшсть та надiйнiсть вузлiв визначае загальну несучу здатнiсть та надiйнiсть конструкци в цшому. У сталезалiзобетонниx конструкщях ця проблема полягае в необхвдносп застосування рiзноманi-тних анкерних засобiв [5] у перерiзаx сполу-чення сталевих деталей та бетону, а це загалом обтяжуе i ускладнюе конструкцiю. 1нколи для забезпечення сумiсноï роботи сталевих елемен-тiв та бетону в комбшованих сталезалiзобетон-них конструкцiяx виникае необхщшсть застосування сталевих профiлiв, зокрема двотавро-вих, до яких приварюються анкернi засоби, що збiльшуе вагу конструкци. У конструкщях та-doi 10.15802/stp2017/107449
кого типу спiльну роботу сталевих елеменпв та бетону також можна забезпечити шляхом сумь сного бетонування, внаслiдок чого утворюють-ся штегроваш системи. Саме такий спошб забезпечення сумiсноï роботи сталевих частин конструкци i бетону, зокрема сталевих стриж-невих елементiв i залiзобетонниx плит, е перс-пективним напрямком розвитку нових констру-кцш.
У структурних плитах складнiсть вузлових з'еднань е надзвичайно гострим питанням, оскшьки вона визначае загальну складшсть, вагу, вартiсть та трудомiсткiсть зведення таких покритпв. Спираючись на результати аналiзу дослiджень вузлових з'еднань структурних плит, встановлено, що найефектившшим р> шенням вузла з'еднання е конструкщя iз засто-суванням коннекторiв, яю виготовленi у вигля-дi фасонних деталей, але при цьому необхщно знайти ïx оптимальну конфiгурацiю, яка дозволить звести до мшмуму загальну довжину зва-рного шва чи кшьюсть болтiв у з'еднанш.
У вантових конструкцiяx основним недол> ком е ïx деформацiя та здатшсть до провисання вiд власно].' ваги при похилому положеннi та великш довжинi, тому перспективним напрям-ком модифiкацiï таких конструкцiй е пошук оптимально!' довжина елементiв та ефективного положення в просторi. Цього можна досягти шляхом поеднання вантових елеменпв iз жорс-ткими в комбшованих конструкщях. Корисним у виршенш цього питання також може бути св^овий досвiд проектування арxiтектурниx форм та конструкцш, в яких усшшно застосо-вуються елементи, що за функщональним при-значенням сxожi з вантами. Найвщомшими представниками таких конструкцш е системи тансегрт [15]. У таких системах реалiзуеться iдеальне використання властивостей конструктивних елеменпв. Це системи, яю складаються з гнучких i жорстких стрижнiв, вiдповiдно гну-чкi сприймають лише розтяг, а жорстю - стиск. Очевидно, що щея тансегрiтi може бути корис-ною в розробленi нових будiвельниx конструк-цiй.
Щодо пошуку нових форм та способiв поеднання конструктивних елеменпв, основна увага була придшена стрижневим i плитним елемен-там та 1'хшм комбiнацiям.
Загалом, конструкцiï, якi позбавленi згада-них недолiкiв шляхом удосконалення, розгля-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, N° 5 (71)
далися як новi конструктивш рiшення, якi слу-гували основою для створення просторових структурно-вантових сталезалiзобетонних конструкцiй.
Узагальнюючи отриманi данi двох перших етатв, був чiтко сформований прообраз майбу-тньо! конструкцп. Перш за все, це конструкщя, одним зi складових елементiв яко! повинен бути стрижневий елемент, який працюватиме лише на осьовi зусилля. Залежно вiд того, якi бу-дуть дiяти зусилля: стиску чи розтягу, стрижень може бути жорстким або гнучким. Прообраз ново! конструкцп за положенням стрижневих елементiв у просторi представляе двопоясну трубчасту стрижневу решiтку (рис. 2). Однак, зважаючи на те, що розроблена реш^ка за бу-довою нагадувала iснуючi структурнi конструкцп, то виникла необхщшсть проведення мо-дифiкацiй i удосконалень, якi б дозволили стве-
рджувати про розроблення ново! конструкцп. Першою була iдея структурних сталезалiзобе-тонних конструкцiй, якi виготовлялися б у ви-глядi структурних плит з монол^ною залiзобе-тонною плитою. Проаналiзувавши можливiсть такого вдосконалення зроблено висновок, що такий пiдхiд дозволяе знизити витрати сталi за рахунок замши сталевих елементiв верхнього пояса на залiзобетоннi. Ефективнiсть такого ршення пiдтверджуеться ще й тим, що у дво-поясних конструкцiях елементи верхнього пояса працюють на стиск, а як вщомо, бетон добре працюе на такий вид зусиль, тому рацюнальш-ше б у такому випадку застосовувати саме йо-го. Отже, першим удосконаленням прообразу нових просторових структурно-вантових стале-залiзобетонних конструкцiй була замша верхнього стрижневого трубчастого пояса на плитш залiзобетоннi елементи.
Рис. 2. Удосконалення стрижнево! решiтки Fig. 2. Improvement of the rod lattice
Вщштовхуючись вщ iдеi замши елеменпв одного типу на елементи шшого типу (у залеж-ност вiд виду внутрiшнiх зусиль), було прийн-ято рiшення провести модифшащю нижнього пояса шляхом замiни жорстких трубчастих стрижшв на гнучкi, оскшьки елементи нижнього пояса у конструкщях такого типу працюють на розтяг, то у такому випадку рацюнальшше застосовувати саме гнучю елементи. Таким чином було розроблено плитно-стрижневу систему з гнучкими i жорсткими елементами, яка повнютю вiдповiдае положенням розроблено! концепцii ново! конструкцп. Однак, така систе-
ма не була гнучкою до формоутворення криво-лшшних поверхонь i мала утруднену техноло-гiю зведення, тому подальшим кроком у розви-тку просторових структурно-вантових сталеза-лiзобетонних конструкцiй був подш розроблено! плитно-стрижнево! конструкцп на модульш елементи заводського виготовлення (рис. 3). Таким чином було розроблено новий вид буд> вельних конструкцiй - просторовi структурно-вантовi сталезалiзобетоннi конструкцii [8]. За-ключною стадiею створення таких конструкцiй була розробка вузлових з'еднань.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету затзничного транспорту, 2017, № 5 (71)
Рис. 3. Створення просторово! структурно -вантово! сталез^зобетонно! конструкци Fig. 3. Creation of steel and concrete composite cable space frames
Отже, розроблена конструкщя е збiрною двопоясною системою, що складаеться з просто-рових сталезалiзобетонниx модулiв i гнучких елементiв. Верxнiй пояс виготовляеться з плит, яю залежно вiд армування можуть бути залiзо-бетонними, армоцементними чи сталезалiзобе-тонними. Нижнiй пояс виготовляеться у вигщщ вант, що призначеш сприймати лише зусилля розтягу. Особливютю розроблених конструкцiй е те, що вони поеднують у собi переваги компо-зитних, структурних i вантових конструкцш, а також при ïx зведеш немае потреби в улашту-ванш покрiвлi, оскiльки верхнш пояс одночасно виконуе двi функцп: несучу i огороджувальну, тому внутршнш простiр будiвлi надiйно захи-щений вщ атмосферних та iншиx зовшшшх впливiв.
Наукова новизна та практична значимкть
Основна iдея розроблених конструкцш поля-гае в набуттi ними високих мiцнiсниx характеристик та теxнiко-економiчниx показникiв за рахунок поеднання ефективних конструктивних рiшень, елементи яких працюють тiльки на сти-скання або тiльки на розтягнення. В основi розроблених конструкцш закладено використання принципу модульностi елемеипв, тобто застосу-вання багаторазово повторювальних конструк-тивних елементiв повного заводського виготов-лення.
Мета розробки просторових структурно-вантових сталезалiзобетонниx конструкцiй по-лягала в отриманi за рахунок об'еднання переваг та позбавлення недолтв найближчих аналогiв нових конкурентоздатних ршень розробки пок-
риттiв будiвель i споруд, у тому чи^ рiзноманi-тних оболонок та iншиx просторових форм.
Сутшсть розроблених конструкцiй полягае у новому способi поеднання конструктивних елемеипв, у результатi чого досягаеться сум> щення несучоï i огороджувальноï функцiй, ско-рочення термiнiв будiвництва, рацiональна про-сторова робота та жорстюсть, здатнiсть до роз-бирання та повторного збирання без руйнування елемеипв чи вузлiв конструкцiï.
Слiд також зазначити, що розроблеш конструкци мають простiший спосiб забезпечення сумiсноï роботи елементiв, нiж звичайнi стале-залiзобетоннi конструкцiï; менш складнi у виго-товленi й улаштуваннi вузловi з'еднання, нiж традицiйнi структурнi конструкци; меншу дефо-рмативнiсть, нiж вантовi конструкцiï. До того ж розроблеш конструкци е архгтектурно вираз-ними, мають низьку вагу, е ресурсоекономш-шими [7], шж iншi види конструкцiй при анало-гiчниx розмiраx та несучiй здатностi.
Застосовуючи розроблеш конструкци, можна зводити покриття рiзниx розмiрiв i форм.
Висновки
На основi узагальнених даних, що отримаш у результатi аналiзу теоретичних та експеримен-тальних дослiджень iснуючиx конструктивних ршень, ïx особливостей проектування та кон-струювання, переваг та недолтв, було запропо-новано концепцiю нових ефективних несучих систем, у вщповщносп до якоï розроблено новий вид конструкцш - просторовi структурно-вантовi сталезалiзобетоннi конструкцiï.
За результатами теоретичних дослщжень розроблених конструкцш було встановлено ïx
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)
ефектившсть, порiвняно з аналогами, виявлено ряд технолопчних i конструктивних переваг, якi вiдображенi в наступних висновках:
1. До основних конструктивних особливо-стей просторових структурно-вантових стале-залiзобетонних конструкцiй вiдноситься те, що вони е модульними збiрними системами, в яких реалiзовано принцип рацюнального викори-стання матерiалiв завдяки орипнальному поед-нанню несучих стрижневих i плитних елементiв та ефективному використанш !х фiзико-механiчних властивостей, зокрема просторове поеднання у суцiльну конструкщю жорстких стиснутих та гнучких розтягнутих стрижнiв. Окрiм цього, до !х особливостей належить бага-тофункцiональнiсть елементiв конструкцп, зо-
крема сумiщення несучо! та огороджувально! функцiй у верхньому поясг
2. До переваг технолопчно характеру просторових структурно-вантових конструкцш вiдносяться: проста будова конструкцii та не складна конструкщя болтових вузлiв з'еднання; проста технологiя виготовлення модульних еле-ментiв та монтажу конструкцй, яка не передба-чае застосування складних та вартiсних ришту-вань та опалубних робiт.
Важливим е те, що для виготовлення нових конструкцiй о^м сталi та бетону можуть вико-ристовуватися абсолютно рiзнi види матерiалiв (природнi, композитнi, полiмернi).
Запропонована концепщя та розробленi рiшення захищенi патентами.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Вибранець, Ю. Ю. Мщтсть i деформативтсть комбшованих металевих систем, об'еднаних у сумюну роботу з1 зал1зобетонною плитою : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / Вибранець Юрш Юршович ; Нац. ун-т «Льв1вська полггехтка». - Льв1в, 2016. - 158 с.
2. Краснов, С. М. Удосконалення систем прогонних будов тшохвдних моспв при динам1чному вплив1 : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / Краснов Сергш Миколайович ; Харк. нац. ун-т буд-ва й архггектури. - Хар-к1в, 2015. - 268 с.
3. Стороженко, Л. И. Особенности конструкции и технологии монтажа новых пространственных сталежеле-зобетонных структурно-вантовых покрытий / Л. И. Стороженко, Г. М. Гасий, С. А. Гапченко // Восточно-европ. журн. передовых технологий. - 2014. - № 1 (70), т. 4. - С. 67-72. doi: 10.15587/1729-4061.2014.26041.
4. Chilton J. Space grid structures / J. Chilton. - Boston : Architectural Press, 2000. - 180 p.
5. Dan, D. Theoretical and experimental study on composite steel-concrete shear walls with vertical steel encased profiles / D. Dan, A. Fabian, V. Stoian // J. of Constructional Steel Research. - 2011. - Vol. 67. - Iss. 5. - P. 800813. doi: 10.1016/j.jcsr.2010.12.013.
6. Experimental studies on corrugated steel-concrete composite slab / H. S. Abbas, S. A. Bakar, M. Ahmadi, Z. Haron // Gradevinar. - 2015. - Vol. 67, No. 3. - P. 225-233. doi: 10.14256/JCE.1112.2014.
7. Gasii, G. Estimate of technical and economic benefits of a new space composite structure / G. Gasii, O. Hasii, O. Zabolotskyi // MATEC Web of Conferences. - 2017. - № 116. doi: 10.1051/matecconf/201711602014.
8. Gasii, G. M. Types of steel and concrete composite cable space frames / G. M. Gasii // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 6 (66). - P. 158-165. doi: 10.15802/stp2016/90514.
9. Johnson, R. P. Composite Structures of Steel and Concrete: Beams, Slabs, Columns, and Frames for Buildings / R. P. Johnson. - 3rd ed. - Oxford : Blackwell, 2004. - 252 p.
10. Krishna, P. Cable-suspended roofs: second edition / P. Krishna, P. N. Godbole. - New Delhi : McGraw-Hill Companies, 2013. - 304 p.
11. Nathan, W. A Composite Structural Steel and Prestressed Concrete Beam for Building Floor Systems / W. Nathan. - Lincoln : University of Nebraska, 2012. - 112 p.
12. Oehlers, D. J. Composite Steel and Concrete Structures: Fundamental Behavior / D. J. Oehlers, M. A. Bradford. -Oxford : Elsevier, 2013. - 588 p.
13. Perera S. V. T. J. Shear capacity of composite deck slabs with concrete filled steel tubes : Ph.D thesis / S. V. T. J. Perera ; University of Moratuwa. - Muratuwa, 2008. - 59 p.
14. Tang, R. Q. The static study on steel truss concrete slab composite structure / R. Q. Tang, Y. Huang // J. of Guizhou University. - 2013. - Vol. 5. - 23 p.
15. Zhang, J. Y. Tensegrity Structures: Form, Stability, and Symmetry / J. Y. Zhang, M. Ohsaki. - Tokyo : Springer Japan, 2015. - 300 p. doi: 10.1007/978-4-431-54813-3.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)
Г. М. ГАСИЙ1*
1 Каф. «Конструкции из металла, дерева и пластмасс», Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, Первомайский просп., 24, Полтава, Украина, 36011, эл. почта grigoriigm@gmail.com, ORCID 0000-0002-1492-0460
ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ, СУЩНОСТЬ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУРНО-ВАНТОВЫХ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Цель. В строительстве появилась необходимость создания новых конструкций, в частности пространственных систем покрытия, применение которых будет способствовать экономии материалов и уменьшению трудоемкости технологических процессов монтажа и изготовления. Обобщив результаты предварительно проведенного теоретического исследования существующих типов пространственных конструкций, в работе необходимо найти перспективные направления развития новых конструкций, которые были бы лишены недостатков аналогов с одновременным обеспечением экономического эффекта за счет рационального использования материалов и энергосбережения. Методика. Для достижения поставленной цели были выполнены исследования конструктивных решений различных пространственных систем - анализ отечественных и зарубежных патентных баз, результатов экспериментальных испытаний и теоретических исследований. Результаты. Освещены основные этапы развития нового типа пространственной конструкции -пространственной структурно-вантовой сталежелезобетонной конструкции; приведена информация об особенностях ее строения. Пространственные структурно-вантовые сталежелезобетонные конструкции - совершенно новый вид пространственных несущих систем, благодаря оригинальному конструктивному решению имеют широкую область применения. Базовым элементом созданных конструкций является модульный элемент, имеющий форму сквозной пирамиды и состоящий из плиты и трубчатых стержней. Модульные элементы производятся в заводских условиях. С пространственных модулей могут изготавливаться прямолинейные и криволинейные конструкции, а также различные несущие системы и их комбинации. Научная новизна. Автором сформулирована концепция оригинальных конструктивных форм и их несущих элементов. Предложены и созданы новые виды пространственных структурно-вантовых конструкций для зданий и сооружений различного назначения. Практическая значимость. Разработанные структурно-вантовые конструкции имеют широкую область применения: они могут использоваться для промышленного и гражданского строительства. Применение созданных конструкций при строительстве зданий и сооружений позволяет получить значительный экономический эффект за счет рационального использования материалов и сбережения энергоресурсов на стадии изготовления и монтажа.
Ключевые слова: пластина; труба; стержень; модуль; верхний пояс; нижний пояс
G. M. GASII1*
1 Dep. «Structures from Metal, Wood and Plastics», Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, Pershotravnevyi Av., 24, Poltava, Ukraine, 36011, e-mail grigoriigm@gmail.com, ORCID 0000-0002-1492-0460
DEVELOPMENT, ESSENCE AND SCOPE OF APPLICATION OF STEEL AND CONCRETE COMPOSITE CABLE SPACE FRAMES
Purpose. In construction there is a need to create new structures, including spatial coverage systems, the use of which will save materials and reduce the complexity of assembling processes and manufacturing. Summarizing the results of preliminary theoretical study of existing types of spatial structures, purpose of the article is to find perspective directions for the development of new structures, which would be deprived of the drawbacks of analogues while ensuring the economic effect due to the rational use of materials and energy saving. Methodology. To achieve this purpose, the research of constructive solutions of various spatial systems was carried out. There were analyzed domestic and foreign patent databases and the results of experimental tests and theoretical studies. Findings. The main stages of development for a new type of spatial structure (steel and concrete composite cable space
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 5 (71)
frames) are highlighted. Information on the features of its structure is given. Steel and concrete composite cable space frames are a completely new type of spatial bearing systems, which, due to the original constructive decision, have a wide field of application. The basic element of created designs is the modular element that has the shape of a thorough pyramid and consists of a plate and tubular rods. Modular elements are manufactured in factories. Flat and curved designs, as well as various bearing systems and their combinations can be made from modulus. Originality. The author has formulated a concept of original constructive forms and their supporting elements. New types of spatial structural and cable structures for buildings and constructions of different purposes were proposed and created. Practical value. Designed steel and concrete composite cable space frames have a wide field of application, they can be used for industrial and civil construction. The use of created structures in the construction of buildings and structures can provide a significant economic effect due to the rational use of materials and energy saving at the stage of manufacturing and installation.
Keywords: plate; tube; rod; module; top chord; bottom chord
REFERENCES
1. Vybranets, Y. Y. (2016). Strength and strain of combined metal systems, composite with concrete plate. (PhD thesis). Available from Lviv Polytechnic National University.
2. Krasnov, S. N. (2015). Enhancement of pedestrian superstructure under dynamic influence. (PhD thesis). Available from Kharkiv National University of Construction and Architecture.
3. Storozhenko, L. I., Gasii, G. M., & Gapchenko, S. A. (2014). Design features and technology of installation of new spatial constructions of composite grid-cable coverings. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4, 1(70), 67-72. doi:10.15587/1729-4061.2014.26041
4. Chilton, J. (2000). Space grid Structures. Boston: Architectural Press.
5. Dan, D., Fabian, A., & Stoian, V. (2011). Theoretical and experimental study on composite steel-concrete shear walls with vertical steel encased profiles. Journal of Constructional Steel Research, 67 (5), 800-813. doi: 10.1016/j.jcsr.2010.12.013
6. Abbas, H. S., Bakar, S. A., Ahmadi, M., & Haron, Z. (2015). Experimental studies on corrugated steel-concrete composite slab. Gradevinar, 67 (3), 225-233. doi:10.14256/JCE.1112.2014
7. Gasii, G., Hasii, O., & Zabolotskyi O. (2017). Estimate of technical and economic benefits of a new space composite structure. MATEC Web of Conferences, 116. doi:10.1051/matecconf/201711602014
8. Gasii, G. M. (2016). Types of steel and concrete composite cable space frames. Science and Transport Progress, 6 (66), 158-165. doi: 10.15802/stp2016/90514
9. Johnson, R. P. (2004). Composite Structures of Steel and Concrete: Beams, Slabs, Columns, and Frames for Buildings, (3d ed.). Oxford: Blackwell.
10. Krishna, P., & Godbole, P. N. (2013). Cable-suspended roofs, (2nd ed.). New Delhi: McGraw-Hill Companies.
11. deWit, N. (2012). A Composite Structural Steel and Prestressed Concrete Beam for Building Floor Systems. (Master's thesis). Lincoln: University of Nebraska.
12. Oehlers, D. J., & Bradford, M. A. (2013). Composite Steel and Concrete Structures: Fundamental Behavior. Oxford: Elsevier.
13. Perera, S. V. T. J. (2008). Shear capacity of composite deck slabs with concrete filled steel tubes, (PhD thesis). Available from University of Moratuwa, Sri Lanka.
14. Tang, R. Q., & Huang, Y. (2013). The static study on steel truss concrete slab composite structure. Journal of Guizhou University, 5.
15. Zhang, J. Y., & Ohsaki, M. (2015). Tensegrity Structures: Form, Stability, and Symmetry. Tokyo: Springer Japan. doi:10.1007/978-4-431-54813-3
Стаття рекомендована до друку д.т.н., проф. Л. I. Стороженко (Украгна); д.т.н., проф. Д. О. Банмковим (Украгна)
Надшшла до редколегй: 06.06.2017
Прийнята до друку: 12.09.2017
