CC BY
40
УДК 624.011.1
ИЖУТОВ ИВАН СЕМЕНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ivaninzhutov@gmail. com БАРКОВ МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ, аспирант, barkovms@gmail. com
НИКИТИН ВАДИМ МИХАЙЛОВИЧ, инженер, nikitin@gmail. com
Сибирский федеральный университет,
660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82,
ЕРМОЛИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, ermolin@front. ru
Сибирский государственный технологический университет,
660049, Россия, г. Красноярск, пр. Мира, 82
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ПОКРЫТИЙ ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВУХСКАТНЫХ КЛЕЕДОЩАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В статье рассмотрен отечественный и зарубежный опыт формообразования покрытий с применением клееных деревянных конструкций. При помощи синтеза положительных качеств, с преодолением недочетов авторами разработаны рациональные формы пространственной конструктивной системы, основанной на применении двухскатных клеедощатых элементов.
Ключевые слова: двухскатный элемент; формообразование покрытий; клееные деревянные конструкции; пространственная система.
IZHUTOV, IVAN SEMENOVICH, Dr. of tech. sc., prof., ivaninzhutov@gmail. com BARKOV, MAXIM SERGEYEVICH, P.G., barkovms@gmail. com
NIKITIN, VADIM MIKHAILOVICH, engineer, nikitin@gmail. com Siberian Federal University,
82 Svobodny Avenue, Krasnoyarsk, 660041, Russia,
ERMOLIN, VLADIMIR NIKOLAEVICH, ermolin@front. ru
Siberian State Technological University,
82 Mira Avenue, Krasnoyarsk, 660049, Russia
FORMING THE LONG-SPAN COATING OF PUBLIC BULIDINGS AND STRUCTURES USING THE DUAL-SLOPE GLUED-BOARD ELEMENTS
The article describes the domestic and foreign experience of formation of coatings with glued laminated wooden structures. With the synthesis of positive qualities, overcoming the short-
© И.С. Ижутов, М.С. Барков, В.М. Никитин, В.Н. Ермолин, 2012
comings, the authors developed a rational forms of spatial structural system based on the use of dual-slope glued-board elements.
Keywords: dual-slope element, forming the coatings, glued wooden structures, the spatial system, dual-slope element.
Анализ архитектурного формообразования современных зданий с применением клееных деревянных конструкций (КДК) в отечественной и зарубежной практике позволяет выделить ряд общих тенденций, появление которых обусловлено объективными закономерностями развития конструкций в соответствии с требованиями научно-технического прогресса.
До второй половины 1950-х гг. главенствующим принципом конструирования конструкций из дерева был дифференциальный, предполагающий разделение конструктивных элементов на несущие и ограждающие. Позднее его место занял интегральный принцип, воплощенный поначалу в дощатоклееных оболочках, согласно которому в конструкциях совмещаются несущие и ограждающие функции. В современной практике по интегральному принципу проектируют в основном клеефанерные конструкции, а дощато-клееные - по дифференциальному. Интегральный обычно применяется при небольших пролетах, дифференциальный - при любых: он по-прежнему остается более массовым [1].
Современное развитие архитектуры клееной древесины в различных странах имеет свои особенности.
Велодром во Франции перекрыт сложной пространственной системой ромбовидной в плане формы, которая включает в себя 12 клеедощатых ферм, установленных по три на каждой диагонали. На них опирается основание квадратной пирамиды крыши с диагональю 37 м (рис. 1, а). Увеличение пролета системы до 75 м обеспечивается путем объединения и включения в совместную работу всех элементов, т. е. наделением свойством пространственной работы.
В качестве несущих конструкций покрытия первого аэропорта XXI столетия в Ирландии были запроектированы шпренгельные системы с двухветве-вым верхним поясом и с максимальным расстоянием между опорами 40 м (рис. 1, б). Отметим, что использование двухветвевой конструкции верхнего пояса позволяет увеличить шаг колонн до 12 м.
Заслуживает быть отмеченной и система покрытия олимпийского дворца «Richmond olympic oval», построенного в Канаде (рис. 1, в). Комбинированные основные несущие конструкции пролетом около 100 м - составные арки. В сечение треугольной формы входят два клеедощатых элемента. Между собой они имеют угол порядка 30° и объединены металлическим каркасом. В полости проходят инженерные коммуникации.
Модуль структурной панели покрытия Wood Wave© structural panel (рис. 1, г) состоит из 3 частей, объединенных кровельной обшивкой, каждая часть имеет размеры в плане 1,2^12,8 м. Панели образуют с арками пространственную систему, что определяет уменьшение расхода древесины за счет обеспечения и учета совместной работы конструкций [2].
Начиная с 1995 г. в России наращиваются объемы строительства сооружений с большепролетными покрытиями на основе древесины. Характерным примером может послужить спортивный комплекс «Крылатское». Пролет
линзообразных металлодеревянных ферм - 50,6 м, а их высота в середине пролета - 6 м. По эстетическим и конструктивным соображениям основные прогоны приняты линзообразного очертания с криволинейным нижним поясом и постоянной высотой на опорах. Обратим внимание на то, что использование переменности сечения прогонов линзообразной формы позволило увеличить шаг ферм до 10 м [7].
а б
Рис. 1. Общественные здания и сооружения:
а - велодром во Франции; б - аэропорт в Ирландии; в - олимпийский дворец «Richmond olympic oval» в Канаде; г - структурная панель покрытия Wood Wave© structural panel; д - линзообразные деревянные фермы в покрытии бассейна «Невская волна» в г. Санкт-Петербурге; е - шпренгельные балки дворца водных видов спорта в г. Казани
Аналогичной формы деревянные фермы пролетом 56 м применены в покрытии бассейна «Невская волна» по ул. Джона Рида в г. Санкт-Петербург (рис. 1, д). Фермы установлены с шагом 6 м. Верхние пояса выполнены криволинейными, а по ширине сечения составлены из двух ветвей. Пространственная жесткость покрытия обеспечивается двумя связевыми блоками, образованными крестовыми стальными связями и распорками, установленными по верхним поясам через 12 м (благодаря жесткости верхних поясов), а также листами профилированного настила с усиленным профилем [8]. Достоинства системы - шарнирная конструкция соединения верхнего и нижнего поясов, оптимальное соотношение высоты и пролета ферм - 78.
При строительстве дворца водных видов спорта в г. Казани (рис. 1, е) использовались шпренгельные балки пролетом 54 м. Устройство стальной затяжки и установка стоек в места возникновения наибольших изгибающих моментов позволили повысить эффективность конструкции и снизить материалоемкость.
Эффективность большепролетных конструкций достигается не только за счет максимального использования прочностных свойств материалов, но и за счет их рациональной формы.
Любое покрытие зданий и сооружений является пространственной системой. В том случае, когда конструктору удается учесть при проектировании совместность работы отдельных конструкций и технологические особенности их изготовления, сборки и монтажа, экономические показатели зданий заметно повышаются. Это положение и отмеченные выше технические решения, определяющие достоинства покрытий, авторы и взяли за основу при разработке строительной системы покрытий зданий и сооружений, базирующейся на использовании дощато-клееных двухскатных элементов [5].
В формообразовании системы (рис. 2) за основной элемент принят двухскатный клеедощатый элемент. Его преимущество при работе на изгиб или сжатие с изгибом перед балками с постоянной высотой поперечного сечения обусловлено увеличением высоты сечения от его торца к середине с той же тенденцией, что и изгибающих моментов (в большинстве случаев). Так, в случае использования двухскатного элемента в верхних поясах ферм увеличиваются эксцентриситеты узловых сжимающих усилий. Последнее обстоятельство приводит к увеличению разгружающих моментов, возникающих от действия этих усилий, и к некоторому выравниванию моментов в верхних поясах в целом. Кроме этого, при использовании крупноразмерных двухскатных плит, монтируемых на упомянутые фермы, оказывается возможным заметно увеличить шаг несущих конструкций (до 12 м), тем самым сократить количество отправочных марок, а также уменьшить сроки возведения. Совместная работа плит с фермами образует жесткий диск покрытия.
Верхний пояс фермы состоит из двух ветвей, что позволяет трансформировать конструкцию под определенный пролет без внесения существенных изменений путем уменьшения ветвей от двух до одной и шага колонн 12 и 6 м соответственно.
Перечисленные принципы формообразования строительной системы покрытия реализованы на стадии альбома рабочих чертежей в покрытии конно-
спортивного манежа (рис. 3). Геометрическая схема несущей деревометаллической фермы пролетом 48 м принята таким образом, что узлы верхнего пояса, образованного двухветвевыми двухскатными элементами длиной 12,5 м, расположены на дуге окружности и разделяют ее на четыре равные части. Двухскатные клеефанерные плиты покрытия запроектированы с п-образным поперечным сечением с открыто расположенными основными ребрами из двухскатных клеедощатых балок [6]. Это дает возможность использовать одну и ту же технологическую линию для изготовления основной массы элементов и применить шаг колонн в манеже 12 м. Заметим, что на проектной стадии в расчетах системы учтена совместность работы ферм и плит.
Рис. 2. Система покрытия с использованием двухскатных клеедощатых элементов
Рис. 3. Конно-спортивный манеж
В [5] разработан новый способ изготовления клеедощатых элементов, позволяющий снизить трудоемкость и количество отходов в сравнении с традиционными технологиями и существенно повысить эффективность предлагаемой системы покрытия.
Выводы
Реализация предложенных в статье принципов формообразования системы покрытия для больших пролетов позволяет повысить технико-экономические показатели не только за счет максимального использования прочностных свойств материалов, увеличения сечений, но и за счет применения рациональных форм, обеспечения совместной работы элементов и конструкций, а также оптимизации и унификации технологии их изготовления.
Библиографический список
1. Попов, А.Ф. Особенности архитектуры общественных зданий с применением деревянных клееных конструкций : дис. ... канд. техн. наук : 18.08.02. - Л., 1987. - 172 с.
2. Richmond Olympic Oval [Электронный ресурс] // Naturally: wood. - Условия доступа : www.naturallywood.com/sites/default/files/Richmond-Olympic-Oval-Case-Study.pdf
3. Турковский, С.Б. Рациональные области применения несущих клееных деревянных конструкций (КДК) «Системы ЦНИИСК» / С.Б. Турковский, А.А. Погорельцев // Сборник научных трудов «Современные строительные конструкции из металла и древесины» -ОГАСА. - Вып. - № 15. - Ч. 2. - Одесса, 2011. - С. 217-225.
4. Серов, Е.Н. Основные направления развития пространственных конструкций из клееной древесины и водостойкой фанеры / Е.Н. Серов // Прогрессивные пространственные конструкции и перспективы их применения: тезисы докладов. - Свердловск, 1985.
5. Пат. 2426640. Российская Федерация, МПК B27D 1/04. Способ изготовления двухскатных дощато-клееных элементов / Инжутов И. С.: заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» - 2010116310/21 ; заявл. 23.04.2010 ; опубл. 20.08.2010, Бюл. № 23 (IV ч.). - 7 с.
6. Жаданов, В.И. Крупноразмерные плиты на основе древесины для покрытий зданий / В.И. Жаданов, П. А. Дмитриев // Известия вузов. Строительство. - 2003. - № 6. - С. 4-10.
7. Монтажные и специальные работы в строительстве : научн. хехн. журн. / учредитель ОАО «Корпорация «Монтажспецстрой», ЗАО «Трест «Коксохиммонтаж», ОАО «АК «Востокнефтезаводмонтаж», ОАО «Волгонефтехиммонтаж», ОАО «Трест № 7», ЗАО «Кислородмонтаж». - 2005, март - №3.
8. Погорельцев, А.А. Большепролетные линзообразные фермы из клееной древесины бассейна в Санкт-Петербурге / А.А. Погорельцев // Сборник научных трудов «Современные строительные конструкции из металла и древесины» - ОГАСА. - Вып. № 14. -Ч. 2. - Одесса, 2010. - С. 119-123.
