CC BY
26УДК 624.074.5
КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ УЗЛОВ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПОКРЫТИЙ БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Н.А. БУЗАЛО, С.А. АЛЕКСЕЕВ, Н.Г. ЦАРИТОВА
Южно-Российский государственный политехнический университет им. М.И. Платова г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132. Buzalo_n@mail.ru
Аннотация: При строительстве в труднодоступных районах, при возведении временных и сезонных зданий и сооружений все шире используютмя быстровозводимые системы, основой которых являются легкие стальные конструкции, в том числе и пространственные. Авторами поставлена задача расчета и конструирования узла соединения стержней легкой металлической пространственной конструкции регулярной структуры, особенностью которого является возможность компактной упаковки стержневых элементов системы при транспортировке и возмоность монтажа без применения тяжелой техники.
Ключевые слова: Быстровозводимые зданий и сооружения, узлы пространственных стержневых конструкций.
Введение
В последние годы в отечественном и зарубежном строительстве отмечается расширение применения наряду с традиционными капитальными зданиями и сооружениями быстровозводимых и мобильных комплексов. Существующие
капитальные строительные системы отличаются длительными сроками возведения, значительным весом конструкций, оказывают большое давление на основания. Кроме этого невозможно быстро разобрать основные элементы таких зданий при необходимости изменения планировочных решений, трансформации помещений.
Мобильные системы характеризуются возможностью разборки без существенных трудозатрат и повреждений конструктивных элементов, рациональной передислокацией серийными видами автомобильного,
железнодорожного, воздушного и водного транспорта, быстрым изменением объемно-планировочных решений в зависимости от требований заказчика, возможностью монтажа без использования тяжелого кранового оборудования. Особенностью быстровозводимых зданий является также отсутствие необходимости в дорогостоящих земляных работах по изготовлению массивных фундаментов. Здание устанавливается на легкие точечные опоры или просто на бетонную площадку. Статичная и неизменная искусственная среда обитания человека может превращаться в новое, адаптирующееся и динамичное пространство.
Обзор и анализ существующих вариантов быстровозводимых зданий
Быстровозводимые и мобильные здания и сооружения могут использоваться в производственном и жилищном строительстве в отдаленных и
труднодоступных районах, для сезонных сооружений в зонах отдыха, для нужд сельского хозяйства в качестве временных хранилищ техники и собранного урожая. Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации подобных зданий и сооружений в России и за рубежом являются чрезвычайно актуальными в наше время.
В современном строительстве видится широкое применение полнокомплектных быстровозводимых зданий. Как правило, основные несущие элементы подобных сооружений выполняются из металлических прокатных или легких холодногнутых оцинкованных профилей (рис. 1), что позволяет значительно снизить нагрузку на фундамент и упрощает сборку. В качестве ограждающих конструкций быстровозводимых зданий применяют сборные конструкции из современных полимерных материалов и «сэндвич» - панели. Применение «сэндвич» - панелей - достаточно экономичный вариант, используемый
преимущественно для складских и
сельскохозяйственных помещений. Наружные поверхности стеновых и кровельных «сэндвич» -панелей имеют устойчивое к коррозии покрытие, обладающее высоким сопротивлением к истиранию, взаимодействию с кислотными средами и ультрафиолетовому излучению. Полнокомплектные промышленные и сельскохозяйственные
быстровозводимые здания представляют во многих случаях для заказчика оптимальное решение, позволяют существенно сократить время и расходы на строительство за счет коротких сроков поставки и комплектации из готовых элементов. Смонтированные здания легко оснащаются системами отопления, водоснабжения, пожаротушения, технологическим оборудованием, электрооборудованием и другими системами. Ограждающие конструкции выполняются с учетом энергосберегающих технологий, что особенно важно для холодных районов России. Подобные сооружения не уступают по теплоизоляционным свойствам традиционным капитальным постройкам.
Среди быстровозводимых сооружений можно выделить большую группу с покрытиями из пространственных стержневых конструкций (ПСК), которые обладая всеми преимуществами мобильных зданий, в то же время позволяют перекрыть достаточно большие пролеты и получить
архитектурно выразительные сооружения для размещения спортивных и выставочных залов, торговых павильонов, кафе и других объектов, необходимых только временно в курортный сезон на юге России. В своей основе ПСК допускают образование самых различных форм: плит, складок, сводов, куполов, гипаров, оболочек переноса, комбинированных решений [1]. Тип пространственного покрытия предопределяется архитектурным замыслом при одновременном решении вопросов рационального выбора несущей
системы, унификации ее элементов, технологичности изготовления и удобства монтажа. Наиболее простая и распространенная форма такого рода конструкций - структурные плиты разнообразного очертания с различными условиями опирания [2]. Эффективность плит в случае больших размеров перекрываемого пространства повышается при использовании их в комбинации с вантовыми, висячими, арочными, рамными и другими несущими конструкциями.
ПСК могут быть однослойными (однопоясными), двухпоясными или
многопоясными. Например, структурные плиты выполняют двухпоясными; сетчатые купола и цилиндрические оболочки при обычных пролетах делают однослойными (однопоясными) (рис. 2).
Рис. 2 Модель пространственной стержневой конструкции, выполненная
Конструктивные решения ПСК отличаются таким большим многообразием [3], что нет возможности описать их все подробно. Рассмотрим, прежде всего, конструкцию узлов сопряжения стержней. Именно здесь сосредоточены главные особенности технологии изготовления и сборки ПСК, определяющие отличия одних систем от других [4].
Узловой элемент в системе «Октаплатт» выполняют виде полого шара из двух штампованных половин, сваренных на подкладных кольцах. Конструкция узла для структуры системы «Берлин» из трубчатых стержней включает клиновидные калиброванные наконечники, приваренные к сплющенным концам стержней. В сборе образуется цилиндр с отверстием внутри. В узле «ЦНИИСК» нет дополнительных элементов. Концы труб сплющивают и в раскосах обрезают под нужным углом. Стержни при сборке закрепляют в специальном фиксаторе так, что между их торцами образуется свободное пространство, которое заполняют расплавленным металлом в процессе ванной сварки. В узле многих систем («Дю Шато»,
«Юнистрэт», «Варитек») применяют узловые штампованные фасонки. В каждой фасонке предусмотрены выемки, образующие после соединения фасонок узловой элемент с отверстиями для трубчатых стержней. Стержни вставляют в отверстия и обваривают.
Основной раздел
Авторами запатентован узел ПСК [5], позволяющий соединять несколько стержней с шаровыми наконечниками. Узловой элемент (рис. 3) включает в себя центральный стяжной болт, периферические фиксирующие болты, прижимные детали и втулки. Прижимные детали выполнены со сферическими лунками на обращенных одна к другой поверхностях и радиальными прорезями. Расположенные в узле шаровые наконечники стержней могут поворачиваться между прижимными деталями, если фиксирующие болты не затянуты. Это позволяет упаковать элементы ПСК достаточно компактно при перевозке и выполнить монтаж конструкции без привлечения тяжелой техники.
Для оценки прочности и надежности узла была создана его конечно-элементная модель и выполнен расчет в конструктивно нелинейной постановке - с учетом контактного взаимодействия элементов с помощью программного комплекса АЫБУБ [6]. Задача решалась в нелинейной постановке. Предполагалось, что все элементы узла выполнены из стали, для которой характерна диаграмма о-е с линейным упрочнением. Заданы были контактные взаимодействия:
• 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.
В целях упрощения расчета и снятия влияния стержней на напряженно-деформированное состояние узла - стержни были заменены в расчетной модели только шаровыми наконечниками, три из которых были опорными -т.е. жестко закрепленными к «земле», к трем другим приложена нагрузка. Задача решалась в нелинейной постановке.
Распределение деформаций и максимальных напряжений по Мизесу для модернизированного узла, полученные в ПВК АЫБУБ, показаны на рисунках 4и5.
A: Static Structural
Total Deformation Type: Total Deformation Unit: m Time: 1
07.10.201313:10
0,015
Рис.4. Распределение деформаций в узле
2. Марутян A.C. Легкие металлоконструкции из перекрестных систем// Пятигорск: Рекламно-информационное агентство наКМВ. 2009.C 51-60
3. Царитова Н.Г. Принципы формообразования пространственных стержневых конструкций// Известия ОрелГТУ. - 2009. - Серия «Строительство. Транспорт» №2/21.
4. Рекомендации по проектированию структурных конструкций. ЦНИИСК им. В. A. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1984. - 298 с.
5. Шарнирный узел пространственной стержневой конструкции регулярной структуры: пат. 2586351 Рос. Федерация: МПК Е04В 1/58 / Н.Г. Царитова, H.A. Бузало; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова - № 2015100939/03; заявл. 12.01.15; опубл. 10.06.16, Бюл. №16.
6. Бузало Н. A., Алексеев С. A., Царитова Н. Г. Численное исследование шарнирного узла пространственной стержневой конструкции. http://naukovedenie.ru/index.php7p4ssue-2-14. Идентификационный номер статьи в журнале: 67TVN214.
N.A. Buzalo, S.A. Alekseev, N.G. Tsaritova Civil Ingeenering Department
South-Russian State Technical University, SRSTU
Novocherkassk, Russian Federation Buzalo_n@mail.ru
Рис.5. Распределение напряжений в узле Выводы
Анализ результатов конечно-элементного моделирования позволяет сделать вывод о работоспособности узла. Наличие втулок обеспечивает достаточную несущую способность узла и отсутствие чрезмерных деформаций прижимных дисков при различных видах нагружений. Применение разработанного узла в ПСК многократно применяемых сезонных быстровозводимых зданиях и сооружениях позволит снизить затраты на транспортировку и монтаж конструкций, расходы на устройство фундаментов.
Список литературы
1. Ружанский И.Л. Развитие конструктивных форм пространственных и легких конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 5. С 12-15.
THE ENGINEERING OF NODES OF SPATIAL ROD CONSTRUCTIONS OF PREFABRICATED BUILDINGS AND STRUCTURES
Abstract. The construction in remote and inaccessible areas, the construction of temporary and seasonal buildings need prefabricated buildings and structures. Authors have set the task of calculating and designing connection node of spatial rod constructions. Numerical model in program complex ANSYS has been created and numerical simulation was carried out. Calculation was carried out in the nonlinear formulation. Authors have obtained values of deformations and equivalent stress and completed their analysis. The proposed design technique allows the authors to evaluate structural behavior at all stages of the life cycle: creating a model, preparation of design documentation, fabrication, exploitation in all modes and conditions.
Keywords: Prefabricated buildings and structures, spatial rod constructions of coating, nodes of spatial rod constructions, numerical model in program complex ANSYS, geometrical and physical nonlinearity, numerical experiment
