CC BY
18Конструктивные особенности металлокаркасов уникальных сооружений. Особенности узловых решений основных конструкций с учетом эффективной работы узлов и экономии металла
см см о см
СП
о ш т
X
<
т о х
X
Мехтиева Сабина Сафаровна
инженер, заместитель начальника производственно-технического отдела (направление металлоконструкций уникальных сооружений), ООО "Смарт Констракшн", post_mcc@mail.ru
Разработка конструктивной формы строения - это многофакторная задача, которая включает в себя не только вопросы эстетики и архитектуры, которые формируют внешний вид. Но и существенные инженерные расчеты, которые должны быть проведены, как с точки зрения проектной концепции, так и монтажных работ. Дополнительно, среди выдвигаемых требований
- минимизация металлоемкости конструкции, оптимизация архитектурных требований и минимизации материалоемкости, создание безопасных условий эксплуатации при любых, даже самых непредвиденных обстоятельствах.
В результате чего, были рассмотрены три разных поверхности
- сферическая купольная, выпуклая цилиндрическая и висячая сферическая. Для каждой из них были представлены свои индивидуальные формулы расчета основных параметров, которые позволяют определить расчетные нагрузки, приходящиеся на балочные и рамочные элементы. Это позволяет провести сравнительные характеристики полученных данных по отношению к каждому типу оболочковой конструкции и сделать выводы с точки зрения особенностей их эксплуатации. Помимо этого, еще на этапе проектирования архитектор и инженер строитель, могут сравнить условно - эффект от получаемого эстетического вида и материальные затраты с точки зрения количества необходимого материала, который обеспечит нужные параметры безопасности использования здания в разных условиях.
Ключевые слова: здание, конструкция, оболочки, нагрузка, поверхность, балка, сферический, цилиндрический, висячий, сопротивление, напряжение, металлический каркас.
Основная часть. Общеизвестным фактом является то, что использование пространственных оболочковых конструкций является эффективным в том случае, когда необходимо создать качественное, функциональное и экономичное покрытие большепрогонных сооружений. Если говорить о преимуществе таких типов поверхностей в строительстве, то рациональность их применения определяется следующими доказанными фактами:
Во время работы над КМ, до того, как осуществляется переход к КМД удается снизить материалоемкость приблизительно на 25%.
Масса самого покрытия в этом случае может быть подобрана таким образом, что на этапе проектирования позволяет уменьшить ее до 40%, в сравнении с плоским типом укрытия.
Удается существенным образом повысить архитектурно-художественную выразительность всего строения.
С точки зрения инженерных расчетов, именно такая форма криволинейных поверхностей в архитектуре обладает высокой устойчивостью к разным типам нагрузок, начиная от статических, заканчивая динамическими. И это крайне важный фактор в современном строительстве.
Но, несмотря на такие преимущества, очевидным остается и тот факт, что широкое использование данных типов покрытий в современных сооружениях встречается крайне редко. Это обусловлено сразу несколькими ключевыми моментами:
Во-первых, во время строительства, а точнее, еще на этапе подготовки к нему, приходится использовать достаточно сложно оснастку при изготовлении каждого элемента укрытия. Это связано в первую очередь с проблемами унификации элементов.
Во-вторых, приходится выполнять достаточно сложные расчеты и подводить под них тщательные исследования геометрических аспектов проектирования. И это связано не только с расчетами геометрических параметров каждого конкретного элемента, которые должны быть идеально подогнаны друг к другу. Но и с той нагрузкой, которая будет приходиться на основные узлы крепления и соединения.
Для того, чтобы детально разобрать характеристику формирования разных типов каркасов, их преимущества и недостатки, приведем примеры расчетов на прочность и гибкости основных узловых решений. А после этого оценим, при помощи какого геометрического метода можно получить конструктивно-унифицированные элементы для покрытия каркасной поверхности, чтобы получить стыковку без излома в одном из направлений поверхности и с изломом в другом направлении.
Так, для проведения анализа было взято сразу несколько купольных конструкций, которые были использованы для возведения достаточно крупногабаритных
строительных объектов общей вместимостью, начиная от 1.000 человек и более. На их примере были выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния конструкции, которые возникают, как в стержнях металлических купольных каркасов, так и в основных узлах их соединений.
В качестве первого образца рассматриваем здание с ребристо-кольцевым типом покрытия. Ярким примером подобной конструкции становится купол Рейхстага (Берлин) - рисунок 1. На нем представлено, как итоговое строение, так и схематический принцип построения его оболочки. С точки зрения своего формирования такие поверхности впервые появились в странах Востока и были призваны удовлетворить утилитарную функцию -возможность простого и быстрого возведения из глиняных и кирпичных материалов. После этого данная конструкция прошла через ряд трансформации, таких как древнеримские базилики, барабанные типы купольных оболочек в архитектуре Средней Азии и Руси, позже в соборах Западной Европы [2, С. 120]. И, наконец, с развитием монолитного и сборного железобетона, а также тонкостенных сводов оболочек и металлических конструкций, такие формы появились и в современной застройке.
Рисунок 1. - Купол Рейхстага (Берлин) и принцип его ребристо-кольцевого построения
Рассматривая ключевые параметры этой части здания, стоит отметить следующие ключевые цифры для расчета, сведенные в таблицу 1.
Таблица 1
Ключевые габаритные параметры купольной части Рейхс-
Диаметр по нижней торцевой части, м Высота в нижней точки от оснований купола, м Масса каркаса вместе с укрывающим материалом в тоннах Масса металлического каркаса в тоннах
40 23,5 1200 700
Фактически, любая купольная конструкция рассчитывается на определение показателя работы с учетом как самих металлических балок, так и массы тех листов, которые укрывают всю поверхность [4, С.103]. То есть, определяется, какие силы действуют на каждый узловой элемент. И в данном случае ими являются сжимающие продольные силы и силы на изгиб. Именно их рассчитывают с установленной точностью для того, чтобы высчитать в результате ту несущую способность купола, которую он сможет выдержать и делают это с запасом для возникновения определенных непредвиденных ситуаций [1, С.130].
Расчет величины нормальных напряжений выполняется в каждом элементе несущей конструкции купола и определяется формулой: N. . К, . К.!
4 Чи ^
(1)
Что касается непосредственно ребристо-кольцевого купола, то в нем стержневые элементы, которые составляют каркас, будут фактически являться либо реберными частями, либо кольцами, поддерживающими каркас. Напряжение в каждом из этих элементов, причем все они являются однотипными в конструкции, и в проектной, и в монтажной схеме могут иметь широкий диапазон значений [7]. Именно по этой причине выбран метод, при котором будут сравниваться между собой максимальные значения (с учетом их абсолютной величины значения напряжения) по одному знаку в однотипных элементах - ».тих и предельные значения напряжения для проектной схемы купольной части здания.
Но, если учитывать все тонкости эксплуатации непосредственно купольного каркаса, то здесь не будет достаточно просто сравнить эти максимальные напряжения, которые возникают в монтажной и проектной схемах. Ведь в этом случае получится недостаточно ясная картина с точки зрения всех возможных отклонений, которые могут возникнуть в узлах строения.
Именно из-за этого сравнение проводится между максимальным по модулю (абсолютной величине) напряжением к расчетной величине сопротивления, которое показывает сталь марки С245. Исходя из этого уточнения, получаем следующее соотношение:
(2)
Далее был выполнен расчет с учетом усредненных параметров балки, которые могли бы быть использованы при возведении такого купола, так как точные данные в отношении применяемых материалов конкретно в этом типе здания отсутствуют [3, С.10].
В результате получены следующие расчетные значения:
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м м
Нагрузка на каждый элемент при работе на сжатие и изгиб:
» =34,5 МПа,
Л;
я'.л
Ли ,.-=28,5 МПа.
Расчетные сопротивления на растяжение: МПа.
Оценивая напряжения, который формируются в балках каркаса, то в соответствии с формулой (1), которая была представлена выше, получаем следующие предельные значения:
агк = 15 МПа = Ь,ЬМГ1а
Что касается непосредственно того момента, который касается эксплуатации и связанным с массой внешних факторов, таких, как ветровая, дождевая и снеговая нагрузка [6], то стоит учесть следующее теоретическое соотношение, называемое коэффициентом запаса, которое при расчете приобрело следующее численное выражение:
/ '
Эта величина запаса является достаточной для того, чтобы вписаться в существующие нормы и стандарты с точки зрения выражения нестандартных внешних и внутренних воздействий, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации сооружения. Поэтому выбранные типы опорных элементов создают необходимую устойчивость и надежность.
Что касается других типов оболочковых покрытий, создаваемых на металлокаркасах, то их образцы сведены в таблицу 2.
Таблица 3
Цилиндрические типы оболочек
Момент внешней нагрузки на каждую балку под воздействие собственной массы и массы того покрытия, которое будет возложено на формируемую поверхность, составляет:
Где Ти А 7 _ эт0 силы которые действуют в единичной части вырезанной из общей цилиндрической поверхности [5, С. 9]. При этом:
А Т = А <25/21Ь
Где ДQ - изменение силы; S - статистические моменты, которые возникают в единичном элементе поперечного сечения оболочки;
I и Ь - размерные параметры конкретной оболочки по отношению к рассчитываемой части.
Момент внешней нагрузки и той, которая формируется под воздействием собственной массы конструкции в рассчитываемом элементе: М0 = -(£сд.
+ус2/2)
где - G - нагрузка от веса выбранного участка поверхности.
Висячие типы конструкций с пологим провесом в 1/10 и сферической формы
Балочный момент для любой нити конструкции: Мг = Нус
•с
где
Н - совокупность горизонтальных и вертикальных усилий для одного элемента; ус - стрела провисания.
При радиальном расположении вант на опорное кольцо приходится усилие радиального характера, описываемое формулой: Н1=Н/Ь,
где Ь - размерный параметр, представленный на соответствующем рисунке.
Что касается финального сжимающего усилия,то его величина составляет:
Таблица 2
см см о см
СП О!
о ш т
X
<
т о х
X
Типы оболочковых конструкций
Цилиндрические
Висячие
Конструктивные схемы с обозначением сил, действующих в разных частях
Для удобства проведения расчетов, используемые в них формулы для двух типов конструкций, сведены в таблицу 3.
Усредненные расчеты по этим 3 типам конструкций сведены в таблицу 4.
Таблицу 4
Расчетные параметры усилий на сжатие, растяжение и из-гнб, возникающие в единичных элементах купольной сфери-
Нагрузки, расчетные параметры* Тип конструкции
Ребристо-кольцевая Цилиндрическая Висячая сферическая
оА сж 34,5 32,7 26,3
оА изг 28,5 29,7 33,6
У 21,4 22,56 24,5
*- расчет по отношению к двум другим типам конструкций (цилиндрической и висячей сферической) проводился исходя из аналогичных габаритов и массивности всех остальных параметров, создающих строительную оболочку.
Выводы. В результате удалось получить следующие соотношения, которые можно сравнить по величине воздействия на опоры выпуклых цилиндрических и вогнутых висячих с пологим провесом конструкций, с анализом разных видов нагрузок:
1. Нагрузка на сжатие в опоре, где сходится поддерживающие элементы арматуры, будет минимальной (при прочих равных или приближающихся к равным условиям) в висячих типах конструкций с пролетом не более 1/10 от основных габаритов.
2. Нагрузка на изгиб будет максимальной именно в висячих конструкциях, так как этом содействует сумма элементарных нагрузок, возникающих в каждой точке поверхности с учетом их направления. Это же утверждение касается и нагрузки на растяжение.
3. Но, при этом, последний вариант оболочки более нестабилен с точки зрения воздействия внешних факторов. Благодаря специфичности самой конструкции, создающей своеобразную чашу - в ней при обильных осадках может скапливаться значительное количество снеговых масс или воды. Поэтому при таком типе конструирования создать стабильную устойчивую оболочку можно оптимальным комбинированием правильной системы водоотведения, которая может эффективно работать на максимальным мощностях воздействия и одновременно с тем, усиления блочных поддерживающих элементов в виде опор и вантов.
Из чего можно сделать вывод, что выбирая тот или иной тип поверхности для создания строения, следует рассчитывать не только желаемый внешне эстетический вид, но и функциональность. Особенно с учетом региональных особенностей, так как именно они влияют на такие компоненты, как ветровая, дождевая и снеговая нагрузка, так и сейсмическая нестабильность. В этом плане представляет собой существенный интерес дальнейшее исследование с точки зрения сравнения этих параметров под воздействием внешних факторов.
Литература
1. Гохарь-Хармандарян И.Г. Большепролетные купольные здания. М.: Стройиздат, 1978. - 150 с.
2. Еремеев П.Г. Разработка, исследование, проектирование и возведение большепролетных металлических конструкций уникальных зданий и сооружений // Вестник НИЦ «Строительство». 2009. № 1. - С. 107-122.
3. Кривошапко С.Н. Металлические ребристо-кольцевые и сетчато-стержневые оболочки XIX - первой половины XX вв. // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2014. № 6. C. 4-15.
4. Кузнецов В.В. Справочник проектировщика: металлические конструкции. Т. 2: Стальные конструкции зданий и сооружений. М.: Изд-во АСВ, 1998. 512 с. Горев В.В. Металлические конструкции. Т. 2: Конструкции зданий. М.: Высшая школа, 2002. - 528 с.
5. Лебедь Е.В., Алукаев А.Ю. Большепролетные металлические купольные покрытия и их возведение // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. Т. 14. № 1. C. 4-16.
6. Лебедь Е.В. Особенности работы каркасов большепролетных металлических куполов в процессе их возведения // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. №6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-raboty-karkasov-bolsheproletnyh-metallicheskih-kupolov-v-protsesse-ih-vozvedeniya (дата обращения: 24.08.2022).
7. Ситников Иван Романович, Голиков Александр Владимирович Регулирование усилий в большепролетных конструкциях при разработке рациональной конструктивной формы здания дельфинария в Волгограде // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. №4. URL:
https://cyberleninka.ru/article/n/regulirovanie-usiliy-v-bolsheproletnyh-konstruktsiyah-pri-razrabotke-ratsionalnoy-konstruktivnoy-formy-zdaniya-delfinariya-v (дата обращения: 24.08.2022).
8. Mukaiyama Y., Fujino T., Kuroiwa Y., Ueki T. Erection Methods for Space Structures // Evolution and Trends in Design, Analysis and Construction of Shell and Spatial Structures. Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2009, Valencia, 28 September - 2 October. Spain, Universidad Politecnica de Valencia, 2009. Pp. 1951-1962.
9. Charlotte Coliseum. Charlotte, NC. URL: http:// scottymoore.net/charlotteColiseum.html (дата обращения: 18.03.2017).
Design features of metal frames of unique structures. features of nodal solutions of the main structures, taking into account the efficient operation of the nodes and saving metal Mehdieva S.S.
Smart Construction LLC
JEL classification: L61, L74, R53
Designing the structural form of a building is a multifactorial task that includes more than just aesthetics and architecture that shape the appearance. But also significant engineering calculations that must be carried out, both in terms of the design concept and installation work. Additionally, among the requirements put forward are the minimization of the metal consumption of the structure, the optimization of architectural requirements and the minimization of material consumption, the creation of safe operating conditions under any, even the most unforeseen circumstances.
As a result, three different surfaces were considered - spherical domed, convex cylindrical and hanging spherical. For each of them, their individual formulas for calculating the main parameters were presented, which allow you to determine the design loads attributable to beam and frame elements. This makes it possible to carry out comparative characteristics of the data obtained in relation to each type of shell structure and draw conclusions from the point of view of the features of their operation.
In addition, even at the design stage, an architect and a civil engineer can conditionally compare the effect of the resulting aesthetic appearance and material costs in terms of the amount of material needed, which will provide the necessary safety parameters for using the building in different conditions. Keywords: building, structure, shells, load, surface, beam, spherical,
cylindrical, hanging, resistance, stress, metal frame. References
1. Gohar-Kharmandaryan I.G. Large-span domed buildings. M.: Stroyizdat,
1978. - 150 p.
2. Eremeev P.G. Development, research, design and erection of large-span
metal structures of unique buildings and structures // Bulletin of the Research Center "Construction". 2009. No. 1. - P. 107-122.
3. Krivoshapko S.N. Metal ribbed-ring and mesh-rod shells of the 19th - first
half of the 20th centuries. // Structural mechanics of engineering structures and structures. 2014. No. 6. C. 4-15.
4. Kuznetsov V.V. Designer's Handbook: metal structures. T. 2: Steel
structures of buildings and structures. M.: Izd-vo ASV, 1998. 512 p. Gorev V.V. Metal constructions. Vol. 2: Structures of buildings. M.: Higher school, 2002. - 528 p.
5. E. V. Lebed and A. Yu. Long-span metal dome roofs and their erection.
2018. V. 14. No. 1. C. 4-16.
6. Lebed E.V. Features of work of frameworks of large-span metal domes in
the process of their erection. 2018. №6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-raboty-karkasov-bolsheproletnyh-metallicheskih-kupolov-v-protsesse-ih-vozvedeniya (date of access: 08/24/2022).
7. Sitnikov Ivan Romanovich, Golikov Alexander Vladimirovich Control of
efforts in large-span structures in the development of a rational constructive form of the Dolphinarium building in Volgograd. 2018. No. 4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/regulirovanie-usiliy-v-
X X
О
го А
с.
X
го m
о
W
2 О
to to
bolsheproletnyh-konstruktsiyah-pri-razrabotke-ratsionalnoy-konstruktivnoy-formy-zdaniya-delfinariya-v (date of access: 08/24/2022).
8. Mukaiyama Y., Fujino T., Kuroiwa Y., Ueki T. Erection Methods for Space Structures // Evolution and Trends in Design, Analysis and Construction of Shell and Spatial Structures. Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2009,
Valencia, 28 September - 2 October. Spain, Universidad Politécnica de Valencia, 2009. Pp. 1951-1962 9. Charlotte Coliseum. Charlotte, N.C. URL:
http://scottymoore.net/charlotteColiseum.html (accessed 03/18/2017).
CN CN O
es an
O m m
X
<
m O X X
