CC BY
5
УДК 631.544.43; 004.896
Хвойные бореальной зоны. 2022. Т. XL, № 4. С. 333-337
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СНЕГОВОЙ НАГРУЗКИ НА КАРКАС ТЕПЛИЦЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ СЕЯНЦЕВ С ЗКС В SOLIDWORKS*
Д. В. Черник, Е. В. Авдеева, А. К. Логачев, К. Н. Черник, Н. Л. Ровных
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский Рабочий», 31
E-mail: dionisu2@mail.ru
Развитие компьютерных технологий оказывает значительное влияние на все сферы деятельности человека, упрощая его жизнь. При этом совершенствуется не только аппаратная составляющая, но и программное обеспечение, в том числе и системы автоматизированного проектирования, способные облегчить труд инженера не только по разработке проектной документации, но и по выполнению трудоемких прочностных расчетов любой сложности. Программа SolidWorks предназначена для решения подобных задач. Кроме того, использование специализированных инструментов структурного анализа SolidWorks Simulation, SolidWorks Motion и других позволит значительно разгрузить умственный труд инженера, исключив монотонные арифметические вычисления.
Объектом исследования данной научной работы является каркас теплицы для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой. Предмет исследования - напряжения, возникающие в конструкции теплицы под воздействием снеговой нагрузки и собственной силы тяжести. Цель работы - обоснование параметров конструкции каркаса теплицы для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой (ЗКС) на основе анализа нагрузок и напряжений, возникающих в ее элементах под действием веса элементов конструкции и снеговых воздействий для обеспечения необходимой и достаточной прочности методом твердотельного моделирования.
В процессе работы проводилось исследование модели каркаса теплицы для выращивания сеянцев с ЗКС с целью оптимизации конструкции. В результате исследования определены: максимальные напряжения, возникающие на каркасе теплицы под действием снеговой нагрузки; наиболее нагруженные места конструкции. Даны рекомендации по оптимизации конструкции.
Ключевые слова: лесовосстановление, теплица, твердотельное моделирование, анализ нагрузок.
Conifers of the boreal area. 2022, Vol. XL, No. 4, P. 333-337
STUDY OF THE EFFECT OF SNOW LOAD ON THE FRAMEWORK OF GREENHOUSES FOR GROWING SEEDLINGS WITH ROOT-BALLED TREE SYSTEM IN SOLIDWORKS
D. V. Chernik, E. V. Avdeeva, A. K. Logachev, K. N. Chernik, N. L. Rovnykh
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dionisu2@mail.ru
The Fourth Industrial Revolution, or "Industry 4.0", is a concept of technological The development of computer technology has a significant impact on all areas of human activity, simplifying his life. At the same time, not only the hardware component is being improved, but also the software, including computer-aided design systems that can facilitate the engineer's work not only in developing design documentation, but also in performing time-consuming strength calculations of any complexity. SolidWorks is designed to solve such problems. In addition, the use of specialized structural analysis tools SolidWorks Simulation, SolidWorks Motion and others will significantly relieve the engineer's mental work by eliminating monotonous arithmetic calculations.
The object of research of this scientific work is the frame of a greenhouse for growing seedlings with a closed root system. The subject of research is stresses arising in the structure of the greenhouse under the influence of snow load and gravity. The purpose of the work is to substantiate the design parameters of the greenhouse frame for growing seedlings with a root-balled tree system based on the analysis of loads and stresses arising in its elements under the influence of the weight of structural elements and snow impacts to ensure the necessary and sufficient strength by the method of solid modeling.
* Проект «Разработка импортозамещающего комплекса оборудования точного высева семян для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой, оптимизация параметров модульной теплицы для условий лесничеств Красноярского края», № 2022030508374 поддержан Красноярским краевым фондом науки.
Черник Д. В., Авдеева Е. В., Логачев А. К., Черник К. Н., Ровных Н. Л. Исследование воздействия снеговой нагрузки ...
During the work, a study of the model of the greenhouse frame for growing seedlings with ZKS was carried out in order to optimize the design. As a result of the study, the following were determined: maximum stresses arising on the greenhouse framework under the influence of snow load; the most loaded points of the structure. Recommendations for design optimization are given.
Keywords: reforestation, greenhouse, solid-state modeling, load analysis.
ВВЕДЕНИЕ
Основами государственной политики в области использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов в Российской Федерации на период до 2030 г. и Лесным кодексом Российской Федерации предусматривается дальнейшее развитие работ по воспроизводству лесов. Законодательно определено, что лесовос-становление осуществляется в целях восстановления вырубленных, погибших, поврежденных лесов и должно обеспечивать восстановление лесных насаждений, сохранение биологического разнообразия лесов, сохранение полезных функций лесов. Способы восстановления лесов определены частью 1 статьи 62 Лесного кодекса: естественный, искусственный и комбинированный. Искусственное восстановление лесов осуществляется путем посадки саженцев или посева семян лесных растений. Посадка сеянцев и саженцев осуществляется с открытой и закрытой корневой системой (ЗКС) [1].
Исследования по выращиванию сосны с закрытой корневой системой показали, что несмотря на отставание в росте на первых этапах по сравнению с открытой корневой системой, культуры с закрытой корневой системой уже на четвертый год выращивания дают отрыв в приросте в высоту по сравнению с открытой корневой системой. Данный фактор показывает, что культуры с ЗКС быстрее наращивают высоту и в последующие годы будут превосходить культуры с открытой корневой системы по диаметру [2].
Неоднократные обрушения зданий, в том числе теплиц, из-за снеговой нагрузки привели к тому, что задача нормирования снеговых нагрузок на покрытия сооружений стала весьма актуальной. Эта задача является трудной и обширной, и ее решение по ряду причин оказывается недостаточным и ещё далеким от исчерпания. Формирование снега на покрытии зависит от геометрических характеристик теплицы и его положения относительно направления ветра. Снеговые нагрузки на покрытия отапливаемых и неотапливаемых теплиц отличаются в 3-4 раза [3]. Исходя из этого оптимизация конструкции каркаса теплицы на
основе анализа воздействия снеговой нагрузки с использованием высокоточных интеллектуальных систем автоматизированного проектирования является актуальной темой.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Перед проведением анализа нагрузок и напряжений, возникающих в элементах конструкции теплицы под действием внутренних и внешних сил с использованием инструментов твердотельного моделирования необходимо произвести расчет снеговой нагрузки, которая, в свою очередь, зависит от территориального расположения теплицы (см. таблицу).
Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия следует определять по формуле [4]
где се - коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра или иных факторов; с - термический коэффициент; ц - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие; - нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, кПа.
Алгоритм проведения анализа в SolidWorks [5]:
1) создание нового статического исследования;
2) определение материала элементов конструкции теплицы с помощью инструментов редактирования материала;
3) наложение внешних связей, ограничивающих перемещение модели теплицы в пространстве;
4) наложение внешних нагрузок и силы тяжести на каркас теплицы согласно вышеприведенным расчетам на снеговую и ветровую нагрузки;
5) создание сетки модели;
6) запуск анализа исследования;
7) оценка прочности конструкции каркаса теплицы на основе полученных результатов.
Исходные данные для проведения научно-исследовательской работы
№ Параметр Значение
1 Территориальное расположение теплицы Красноярский край
2 Снеговой район V
4 Размеры площади участка под теплицу, м 30x17,3
5 Форма торцевых и рядовых конструкций теплицы арочная
6 Количество торцевых конструкций 2
7 Количество рядовых конструкций 14
8 Шаг между арками, м 2
9 Максимальное расстояние между осями верхнего и нижнего пояса арки, мм 465
10 Марка стали элементов конструкции теплицы Ст3
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На основе исходных данных разработана трехмерная модель теплицы для исследования и обоснования параметров конструкции (рис. 1).
Для анализа полученной модели каркаса теплицы в системе автоматизированного проектирования создаем новое статическое исследование и задаем характеристики материала, соответствующие характеристикам стали Ст3 [6].
На модель теплицы накладываем внешние связи, ограничивающие перемещение модели теплицы в пространстве. В качестве фундамента теплицы планируется установить железобетонные сваи, фиксируем плоскость каждой сваи на уровне опорной поверхности.
Определив предварительно снеговую нагрузку и эквивалентные силы, соответствующие данной нагрузки, прикладываем их к каркасу теплицы вместе с силой тяжести (рис. 2). Эквивалентные силы ассимет-ричной снеговой нагрузки равны 442,5 кН и 737,5 кН [4; 7].
Создаем сетку модели. Для автоматической адаптации размера элемента к локальной кривизне геометрии и для создания плавного массива сетки воспользуемся сеткой на основе смешанной кривизны, при этом плотность сетки установим максимальную, что обеспечивает максимальную точность расчетов.
Анализ исследования: по результатам расчета получена эпюра нагрузок в виде ленты с цветовой индикацией, где красный цвет - максимальные напряжения, синий - минимальные (рис. 3).
Максимальные напряжения, возникающие на каркасе теплицы под снеговой нагрузкой равны 1038 МПа, что в 4,15 раз превышает допустимые напряжения (250 МПа). Пятно максимальной концентрации напряжений находится на сгибе внутреннего пояса с боковой стороны седьмой арки (рис. 4). Это объясняется тем, что арки, расположенные ближе к середине конструкции теплицы, испытывают наибольшие напряжения, так как не имеют дополнительных опор внутри конструкции.
Рис. 3. Эпюра напряжений на каркасе теплицы от снеговой нагрузки
Черник Д. В., Авдеева Е. В., Логачев А. К., Черник К. Н., Ровных Н. Л. Исследование воздействия снеговой нагрузки
Рис. 4. Пятно максимальной концентрации напряжений от снеговой нагрузки
Полученные данные позволяют сделать вывод о необходимости увеличения расстояния между внутренним и наружным поясами арки в 1,5-2 раза, что увеличит несущую способность нагруженных узлов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам анализа напряжений конструкции каркаса теплицы для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой под действием снеговой нагрузки сделаны следующие выводы:
- максимальные напряжения, возникающие на каркасе теплицы под действием снеговой нагрузки превышают допустимые напряжения в 4,15 раз;
- наиболее нагруженным местом являлся узел на внутреннем поясе арки, где сходятся малый и большой радиусы поясов рядовых конструкций теплицы;
- для существенного повышения прочности конструкции каркаса теплицы необходимо увеличить расстояние между внутренним и наружным поясами арки в 1,5-2 раза;
- рекомендуется заменить сталь конструкции каркаса теплицы на сталь более высокого класса прочности С345 [8].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Теория и практика искусственного лесовосста-новления : учебник / А. Р. Родин, С. Б. Васильев, С. А. Родин [и др.]. Москва : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 164 с. ISBN 978-5-7038-5113-5. Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. URL: https://eianbook.com/book/205838.
2. Лугинина, Л.И. Применение сосны обыкновенной (pinus sylvestris l.), выращенной по контейнерной технологии на вырубках Нижегородской области / Л. И. Лугинина, Н. Н. Иващенко // Вестник Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 1. С. 25-31. ISSN 2306-8647. Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. URL: https://e.lanbook.com/journal/issue/313059 (дата обращения: 23.05.2022). Режим доступа: для авториз. пользователей.
3. Ледовской, И. В. Проблемы теории снеговых нагрузок на сооружения : специальность 05.23.17 "Строительная механика" : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Ледов-ской Игорь Васильевич. Санкт-Петербург, 2009. 292 с.
4. СП 20.13330.2016. Свод правил. Нагрузки и воздействия: актуализированная редакция СНиП 2.01.0785*: утвержден Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 03.12.2016 № 891/пр : введен 04.06.2017. Москва : ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» при участии ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова».
5. Алямовский, А. А. SOLIDWORKS Simulation и FloEFD. Практика, методология, идеология / А. А. Алямовский. Москва : ДМК Пресс, 2018. 658 с. ISBN 9785-97060-646-9. Текст: электронный // Лань : электронно-библиотечная система. URL: https://eianbook.com/ book/131715 (дата обращения: 23.05.2022). Режим доступа: для авториз. пользователей.
6. ГОСТ 280-2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 20 июля 2007 г. № 185-ст : дата введения : 2008-06-01 / разработан Научно-исследовательским институтом «УкрНИИмет» Украинского государственного научно-технического центра «Энергосталь»; Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 327 «Прокат сортовой, фасонный и специальные профили». Москва : Стандартинформ, 2009. 8 с. Текст непосредственный.
7. Долгушин, В. А. Механика: Сопротивление материалов. Расчёт элементов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость : учебно-методическое пособие / В. А. Долгушин, С. С. Соляник, А. В. Спирина. Санкт-Петербург : СПбГАУ, 2019. 47 с. Текст: электронный // Лань : электронно-библиотечная система. URL: https://eianbook.com/book/162755.
8. ГОСТ 19281-2014. Прокат повышенной прочности : национальный стандарт Российской федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 октября 2014 г. № 1430-ст : дата введения : 2015-01-01 / разработан Федеральным государственным унитарным предприятием "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И. П. Бардина" (ФГУП "ЦНИИчермет им. И. П. Бардина"). Москва : Стан-дартинформ, 2016. 46 с. Текст непосредственный.
REFERENCES
1. Rodin A. R., Vasil'ev S. B., Rodin S. A. [and others]. Teoriya i praktika iskusstvennogo lesovos-stanovleniya [Theory and practice of artificial reforestation]. 2019, 164 p (in Russ.).
2. Luginina L. I., Ivashchenko N. N.. Bulletin of the Nizhny Novgorod State Agricultural Academy. Primenenie sosny obyknovennoy (pinus sylvestris l.), vyrashchennoy po konteynernoy tekhnologii na vyrubkakh Nizhegorodskoy oblasti.[ The use of Scotch pine (Pinus sylvestris l.), grown by container technology in the clearings of the Nizhny Novgorod region], 2017, no. 1, pp. 25-31 (in Russ.).
3. Ledovskoy, I. V. Problems of the theory of snow loads on structures. Doctor's thesis. St. Petersburg, 2009, 292 p (in Russ.).
4. Set of rules. Loads and impacts: updated version of SNiP 2.01.07-85 *: approved by Order of the Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the
Russian Federation dated 03.12.2016 No. 891 / pr : introduced on 06.04.2017. Moscow, 2017 (in Russ.).
5. Alyamovskiy, A. A. SOLIDWORKS Simulation i FloEFD. Praktika, metodologiya, ideologiya. [SOLID WORKS Simulation and FloEFD. Practice, methodology, ideology]. 2018, 658 p (in Russ.).
6. Russian State Standard. GOST 280-2005. Carbon steel of ordinary quality. Moscow, Standartinform, 2009, 8 p (in Russ.).
7. Dolgushin, V. A. Mekhanika: Soprotivlenie materialov. Raschet elementov konstruktsiy na prochnost', zhestkost' i ustoychivost' [Mechanics: Strength of materials. Calculation of structural elements for strength, rigidity and stability]. 2019, 47 p (in Russ.).
8. Russian State Standard. GOST 19281-2014. High-strength rolled products. Moscow, Standartinform, 2016, 46 p (in Russ.).
© Черник Д. В., Авдеева Е. В., Логачев А. К., Черник К. Н., Ровных Н. Л., 2022
Поступила в редакцию 12.06.2022 Принята к печати 01.08.2022
