CC BY
76
Области применения тонкостенного полого элемента
С.А.Ращепкина
1. Основы формообразования ребристых конструкций
Академик Н.П.Мельников писал, что в теории формообразования рассматривается развитие инженерной мысли относительно соединений и методов создания конструктивных форм [4]. Исследования отечественных ученых в области теории и практики металлических конструкций позволили сформулировать новые идеи формообразования конструктивных форм оболочечных сооружений и их элементов. Причем создание различных конструктивных форм можно рассматривать как своеобразный циклический процесс [12].
В 1960-1965 годах Г.В.Раевским (Институт им. Е.О.Патона) был предложен новый способ формообразования корпусов и труб из плоских заготовок. На его основе были разработаны и внедрены в практику производства плоскосворачиваемые трубы, эффективность которых состояла в низкой трудоемкости изготовления и монтажа, высокой транспортабельности [2].
В развитие идеи Раевского в 1975-1995 годах А.П.Денисовой [2] в Саратовском государственном техническом университете были продолжены работы по созданию рациональных форм несущих металлических конструкций из рулонных заготовок. На основе предложенного нового строительного элемента были разработаны и внедрены в производство плоские несущие конструкции сварногнутого профиля - балки, рамы, арки, стойки, структурные плиты.
Начиная с 1997 года в Балаковском институте техники, технологии и управления СГТУ (филиал) получило развитие новое направление - создание легких пространственных конструкций из рулонных заготовок с использованием предложенного нами формообразующего инновационного тонкостенного полого элемента (ПЭ). Полый элемент - универсальный конструктивный элемент, который можно вписать (внедрить) в любую тонкостенную плоскую или оболочечную конструкцию и тем самым создать новую, высокопрочную ребристую конструкцию [5].
В основе формообразования легких пространственных ребристых конструкций из рулонных заготовок лежит принцип совмещения технологии изготовления и обеспечения жесткости, устойчивости, несущей способности и долговечности конструкции, ее высокотранспортабельности из-за использования плоских и рулонных двухслойных заготовок и формообразующего инновационного тонкостенного ПЭ. Сформулированный нами принцип позволил создать новые классы пространственных конструкций (рис.1-4) [3, 5 - 11]:
1-й класс - ребристые тонкостенные полые элементы (ПЭн);
2-й класс - пространственные ребристые конструкции (ПЭф).
С помощью ребристых тонкостенных полых элементов (мини-оболочек), представляющих собой самонесущие отдельно стоящие оболочки или самонесущие системно сблокированные мини-оболочки, можно создавать новые конструкции и сооружения (ПЭн): хранилища, подпорные стенки, ограждающие системы из сблокированных элементов.
Пространственные ребристые конструкции на основе формообразующего полого элемента (ПЭф) представляют собой плоские (панельные) или оболочечные (замкнутые и незамкнутые) элементы различной конструктивной формы (цилиндрической, сферической, купольной, сводчатой).
2. Конструкции 1-го класса и области их применения
А. Конструктивное решение полого элемента ПЭн.
Тонкостенный полый элемент получают из двухслойной заготовки, образованной из двух полос, скрепленных шовной сваркой или клеящим составом [13], с последующим ее деформированием избыточным давлением. В зависимости от формы рулонной заготовки можно получить полые элементы в виде самонесущих мини-оболочек двух конструктивных типов (рис. 1) [5, 6]:
- элементы постоянного или переменного по длине сечения из рулонных заготовок соответственно переменной или постоянной ширины (рис. 1а, б);
- элементы с различной жесткостью продольных плоских ребер - малой жесткости (одиночные) толщиной, равной толщине полосы и повышенной жесткости (спаренные) толщиной, равной двойной толщине полос 2? (рис. 1в, г).
Величина геометрических параметров и конфигурация поперечного сечения полого элемента зависят от величины избыточного давления, которым регулируется форма поперечного сечения полого элемента. Кроме того, тонкостенный полый элемент может иметь гладкую или гофрированную поверхность (рис.1д) [5].
Изготовление полых элементов из двухслойных рулонных заготовок производится в два этапа [7]: на первом изготавливаются плоские заготовки, которые в зависимости от их длины могут быть свернуты в бухты или сложены в пакеты; на втором с помощью избыточного давления производят формообразование полого элемента требуемых размеров (длины и поперечного сечения) с заданной жесткостью продольных ребер. Формообразование полых элементов (мини-оболочек) производится как в заводских условиях, так
и на месте монтажа конструкций. На рисунке 1 обозначено: 1 - полая оболочка; 2, 3 - концевые участки, которые можно обрезать или использовать как кровлю и воронку, например, в мини-емкости; 4 - продольные ребра («консоли»); 5 - гофры.
Б. Сооружения с применением полых элементов ПЭн. На основе проведенных нами исследований разработан ряд модифицированных ребристых сооружений из металлических самонесущих полых элементов с унифицированными размерами, различным объемно-планировочным решением, разным количеством продольных ребер с конструктивной жесткостью (рис. 2) [5 - 7, 10, 11]: мини-элеваторы из отдельно стоящих ПЭн в виде мини-емкостей или сблокированные из ПЭн (мини-оболочек); хранилища и склады; свайные фундаменты; вытяжные трубы и башни, опоры кранов и т.д.
Мини-элеваторы (рис. 2а). Хозяйствам, работающим с небольшим количеством зерна, для хранения товарного зерна предлагается использовать мини-элеваторы объемом 50-600 м3, которые позволяют выдерживать качество зерна и его высокую кондицию. Мини-элеваторы быстро возводятся, занимают небольшую площадь, имеют высокую степень механизации, просты в эксплуатации. К тому же мини-элеваторы, составленные из ПЭн (мини-оболочек), обладают небольшой вместимостью, что позволяет фермерским хозяйствам использовать их в качестве складов зернового направления; пригодны к длительному хранению зерна; их сборно-разборность позволяет быстро собрать или разобрать зерносклад. Металлические мини-элеваторы можно установить на сплошной фундамент (железобетонную плиту) или приподнять на колонны.
Отдельно стоящие емкости. Конструктивно емкость представляет собой ребристую оболочку полого поперечного сечения, снабженную загрузочной и разгрузочной воронками (или специальным загрузочно-рагрузочным устройством). Причем металлические полые элементы принимаются длиной, равной высоте стенки Н1 и включающей стенку, кровлю и воронку (рис. 2г). Такие емкости предназначены преимущественно для хранения зерновых продуктов и цемента различных классов.
Особый интерес представляет мобильный (передвижной) склад (рис. 2е), предназначенный для транспортировки зерна и зерновых продуктов из небольших фермерских хозяйств, а также муки, цемента и т.д.
Хранилища и склады представляют собой ряд сблокированных несущих мини-оболочек, одновременно выполняющих функции ограждающих конструкций. На рисунке 2з, и, к, ж приведены хранилища, скомпонованные из мини-оболочек с прямоугольным и круговым расположением в плане. Следует отметить, что из мини-оболочек можно образовать крупноразмерные хранилища со стенкой повышенной жесткости, рекомендуемые для различных сыпучих материалов, например цемента, песка, химудобрений.
Свайные фундаменты и башни. Тонкостенные полые элементы ПЭн можно применить при сооружении фундаментов, пролетных строений в условиях строительства на слабых грунтах (рис. 2в, д), а также при сооружении башен-труб (рис.2б), трубопроводов для транспортировки сыпучих материалов различного назначения, где полые элементы (оболочки) используются в качестве самонесущих конструкций.
¿1 А*
и
2 Ъ
\
/
1 - 1
2-2
.1 2а \
до формообразования после формообразования ДО формообразования после формообразования
а б
-о «с>
аЧ а { а
-О-
Ч \а\а I
"О
ГI *\а А
г
Х>
аЧ\ а \ а ш д
Рис.1. Модификации самонесущего полого элемента ПЭн:
а - из заготовки постоянной ширины; б - из заготовки переменной ширины; в - ребра с одиночными «консолями»; г - ребра со спаренными «консолями»; д - оболочка с гофрами
Таким образом, полый элемент является универсальным конструктивным инновационным элементом, который позволяет создавать высокопрочные несущие конструкции для различных зданий и сооружений. Продольные ребра полого элемента создают жесткость и несущую способность как в отдельно стоящей самонесущей мини-емкости, так и в сооружении из сблокированных мини-оболочек. Достигается это за счет расположения продольных ребер жесткости
практически без эксцентриситета по отношению к срединным поверхностям сборного сооружения из ПЭн.
3. Конструкции 2-го класса и области их применения А. Конструктивное решение полого элемента ПЭф.
Металлические конструкции, где полый элемент выступает как формообразующий инновационных пространственных конструкций, представляют собой ребристые пластины или
Область применения и назначение полых элементов
Промышленные здания
Здания сельскохозяйственного назначения
Гражданские здания
Специальные сооружения
■ III III ■ Щ
\/ V V
Рис.2. Модификации сооружений из самонесущих полых элементов ПЭн
Рис. 3. Создание металлических ребристых конструкций с помощью ПЭф: а, б - из двухслойной заготовки; в - из двухслойно-дискретной заготовки
оболочки, в которых ребра полого поперечного сечения расположены симметрично относительно их срединной поверхности (одно из важных достоинств новых пространственных конструкций). Формообразование таких конструкций происходит на основе плоских заготовок различных модификаций (рис. 3) [5, 8 - 10] - двухслойной (две металлические пластины, скрепленные дискретно расположенными продольными швами) и двухслойно-дискретной (металлическая пластина с дискретно прикрепленными полосами).
Заданная форма пространственной ребристой конструкции с помощью формообразующего элемента, например двухслойно-дискретной заготовки (рис.Зв), достигается следующим образом. На поверхность плоской листовой заготовки дискретно прикрепляют полосы шовной сваркой или специальным клеящим составом [13]. Подачу сжатого воздуха между полосами и листовой заготовкой осуществляют через штуцеры, приваренные к полосам. При этом одновременно формируется инновационный тонкостенный полый элемент (продольные полые ребра) и создается проектная форма ребристой пространственной конструкции. На рисунке 3 показаны фрагменты сформированных ребристых конструкций: 1 - лист; 2 - полосы; 3 - продольные «консоли»;
4 - формообразующие полые элементы (в сформированной конструкции - продольные полые ребра); 5 - срединная поверхность сформированной конструкции.
Изготовление ребристой конструкции возможно как в заводских условиях, так и на строительной площадке. Если формообразование конструкции производят на монтажной площадке, то плоские заготовки при необходимости могут быть свернуты в рулоны или сложены в пакеты весом не более
5 т [8]. В таком компактном виде они могут доставляться на строительную площадку любым транспортом.
Таким образом, в основу создания инновационных ребристых пространственных конструкций с помощью тонкостенного полого элемента как формообразующего (ПЭф) заложен принцип двухэтапности технологии их создания:
на 1-м этапе - изготовление плоских заготовок из листовой стали, на 2-м - формообразование проектной формы ребристой конструкции из плоских или рулонных заготовок.
Б. Здания и сооружения из новых ребристых конструкций, созданных с помощью формообразующего полого элемента ПЭф.
Сооружения, созданные с помощью ПЭф, можно разделить на:
- плоские и оболочечные конструкции;
- замкнутые и незамкнутые оболочки;
- сборные и цельносварные;
- с ребрами между листом и наваренными на него полосами;
- с ребрами через нахлест краев листовых заготовок.
Нами разработан ряд модифицированных пространственных конструкций для зданий и сооружений с различным объемно-планировочным решением и унифицированными
размерами - шагом, количеством и типом ПЭф, сформированных заподлицо с плоской или оболочечной пространственной конструкцией (рис. 4) [5, 8, 9], а именно:
- хранилища небольшой вместимости (прямоугольные и круглые в плане), составленные из цилиндрических ребристых панелей;
- крупноразмерные ребристые емкости с различным расположением полых ребер;
- покрытия складов, хранилища бункерного типа;
- кольцевые стенки, газгольдеры, опоры мостов и эстакад,
напольные склады и ангары и т.д.
Хранилища из цилиндрических ребристых панелей. Конструктивно они состоят из небольших ребристых панелей длиной, равной высоте стенки, кровли, загрузочных и разгрузочных устройств (рис. 4а, б). Количество ребер и размеры определяются расчетом. Преимущественно такие хранилища предназначены для зерна, цемента, химудобрений.
Хранилища из плоских ребристых панелей. Особый интерес представляют скомпонованные из плоских ребристых панелей с косоугольным (рис. 4г) и прямоугольным (рис.4з) расположением в плане. Следует отметить, что при косоугольном расположении ребристых панелей одновременно образуются крупноразмерные секции и мини-ячейки, которые можно использовать для разнородного сыпучего материала, например разносортного зерна и зерновых продуктов, а также для хранения разнородных инертных материалов, веществ химической промышленности.
Крупноразмерные цилиндрические ребристые емкости-бункеры и покрытия. В крупноразмерных бункерах стенку рекомендуется подкреплять наклонными полыми ребрами жесткости, образованными заподлицо с рулонным крупноразмерным полотнищем [5] (рис. 4ж, д, л). Такие ребра обеспечивают жесткость и прочность при небольшой толщине стенки, способствуют защемлению ее в фундаменте, а также позволяют наращивать высоту бункера.
Зернохранилища бункерного типа. Металлические емкости бункерного типа (рис. 4в), выполненные из крупноразмерных заготовок с продольными полыми ребрами, рекомендуются к применению в небольших сельских хозяйствах для хранения продовольственного, фуражного и семенного зерна влажностью до 14% на стадиях уборки и обработки урожая. Они могут быть использованы для продолжительного его хранения в условиях первичных сельских хозяйств и межхозяйственных кооперативов.
Напольные склады, ангары. Из предложенных ребристых плоских и цилиндрических пространственных конструкций ПЭф можно скомпоновать складские здания различного очертания, назначения и вместимости. Ребристые плоские конструкции в виде панелей рекомендуется использовать в качестве несущих стеновых (рис. 4е) элементов, а также круглых в плане (рис.4н) складских помещений и опор мостов (рис. 4и), совмещающих функции ограждающих элементов. Цилиндрические панели с продольными ребрами рекомен-
дуются для покрытий ангаров (рис. 4м) и напольных складов (рис. 4к).
Таким образом, полый элемент ПЭф является универсальным конструктивным элементом, который может вписаться в любую тонкостенную плоскую или оболочечную конструкцию и тем самым образовать инновационную пространственную конструкцию, где ребра создают минимальный эксцентриситет по отношению к основной плоской или оболочечной конструкции, повышая ее несущую способность.
На основе проведенных исследований нами были разработаны и апробированы ребристые конструкции при одной и той же технологии для строительства различных зданий и сооружений. Тонкостенные пространственные их конструкции наиболее целесообразно применять в отдаленных районах, так как к месту строительства необходимо доставлять только пакеты или бухты рулонных заготовок любым транспортом. При этом транспортные расходы снижаются до 24%.
Предлагаемая номенклатура новых пространственных конструкций может быть применена для сельскохозяйственных хранилищ - напольные склады, мини-элеваторы; промышленных зданий - ремонтные мастерские, укрытия различной техники, станции техобслуживания, сооружения
для хранения и перегрузки различного рода сыпучих материалов (инертных материалов, минудобрений, угля и т.д.); опор пролетных строений, тяжелых кранов, несущих конструкций подпорных стенок.
Литература
1. ГольденбергЛ.И. Устойчивость круговых цилиндрических оболочек силосов // Строительная механика и расчет сооружений. 1985. №1. С. 60-64.
2. Денисова А.П. Легкие металлические конструкции повышенной транспортабельности. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1989.
3. Денисова А.П., Ращепкина С.А., Ефременков А.Н. Легкие стальные конструкции. Их применение при сооружении складов и хранилищ // Сельское строительство. 2006. №6. С.16-19.
4. МельниковН.П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития. М.: Стройиздат, 1983.
5. Ращепкина С.А. Металлические емкости из легких конструкций повышенной транспортабельности. Саратов: РИЦ Сарат. гос. техн. ун-та, 2007.
6. Ращепкина С.А., Романов Д.А. Экспериментальные
Рис. 4. Модификация пространственных конструкций для зданий и сооружений различного назначения
исследования формообразования металлической полой оболочки // Наука и технологии. Секция 1. Неоднородные материалы и конструкции. Краткие сообщения XXVIII Российской школы по проблемам науки и технологий. Екатеринбург: УрО РАН, 2008. С.81-83.
7. Ращепкина С.А. К вопросу технологии производства новых металлических конструкций // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». Спецвыпуск. 2009. №3. С.147-150.
8. Ращепкина С.А. Новые пространственные ребристые металлические конструкции зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2009. №7. С.48-50.
9. Ращепкина С.А. Новый способ экспериментального исследования металлических ребристых конструкций // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». 2009. №2. С.27-30.
10. Ращепкина С.А. К вопросу определения параметров формообразования мини-оболочек металлических емкостей // Вестник гражданских инженеров. Санкт-Петербург. 2010. №2. С.54-60.
11. Ращепкина С.А. Формообразование инновационных металлических конструкций различного назначения // Промышленное и гражданское строительство. 2012. №11. С.74-76.
12. ФридкинВ.М. Циклический характер формообразования строительных конструкций // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2006. №5. С.2-6.
13. Мир клея: Loctite [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// www.mirkLeya.ru/cataLog/cianokriLatnye_ kLei_Loctite/.
Literatura
1. Goldenberg L.I. Ustoichivost krugovykh tsiLindricheskikh oboLochek siLosov // StroiteLnaya mekhanika i raschet sooru-zhenij. 1985. №1. S. 60-64.
2. Denisova A.P. Legkie metaLLicheskie konstruktsii povy-shennoj transportabeLnosti. Saratov: Izd-vo Sarat. gos. un-ta, 1989.
3. Denisova A.P., Rashchepkina S.A., EfremenkovA.N. Legkie staLnye konstruktsii. Ikh primenenie pri sooruzhenii skLadov i khraniLishch // SeLskoe stroiteLstvo. 2006. №6. S. 16-19.
4. Melnikov N.P. MetaLLicheskie konstruktsii. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya. M.: Strojizdat,1983.
5. Rashchepkina S.A. MetaLLicheskie emkosti iz Legkikh kon-struktsij povyshennoj transportabeLnosti. Saratov: RITS Sarat. gos. tekhn. un-ta, 2007.
6. Rashchepkina S.A., RomanovD.A. EksperimentaLnye issLe-dovaniya formoobrazovaniya metaLLicheskoj poLoj oboLochki // Nauka i tekhnoLogii. Sektsiya 1. Neodnorodnye materiaLy i konstruktsii. Kratkie soobshcheniya XXVIII Rossiiskoj shkoLy po probLemam nauki i tekhnoLogij. Ekaterinburg: UrO RAN, 2008. S. 81-83.
7. Rashchepkina S.A. K voprosu tekhnoLogii proizvodstva novykh metaLLicheskikh konstruktsij // Nauchno-tekhnicheskij zhurnaL «Vestnik MGSU». Spetsvypusk. 2009. №3. S. 147-150.
8. Rashchepkina S.A. Novye prostranstvennye rebristye me-tallicheskie konstruktsii zdanij i sooruzhenij // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo. 2009. №7. S. 48-50.
9. Rashchepkina S.A. Novyj sposob eksperimentalnogo issle-dovaniya metallicheskikh rebristykh konstruktsij // Nauchno-tekhnicheskij zhurnal «Vestnik MGSU». 2009. №2. S. 27-30.
10. Rashchepkina S.A. K voprosu opredeleniya parametrov formoobrazovaniya mini-obolochek metallicheskih emkostej // Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. Sankt-Peterburg. 2010. №2. S. 54-60.
11. Rashchepkina S.A. Formoobrazovanie innovatsionnykh metallicheskikh konstruktsij razlichnogo naznacheniya // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo. 2012. №11. S.74-76.
12. Fridkin V.M. Tsiklicheskij kharakter formoobrazovaniya stroitelnykh konstruktsij // Montazhnye i spetsialnye raboty v stroitelstve. 2006. №5. S. 2-6.
13. Mir kleya: loctite [Elektronnyi resurs]. Rezhim dostupa: http:// www.mirkleya.ru/catalog/cianokrilatnye_klei_loctite.
The Field of Application of Thin-Walled Hollow Element.
By S.A.Rashchepkina
On the basis of the analysis of formation of building constructions from sheet metal and experimental and theoretical studies an innovative spatial ribbed metal construction were developed and tested. The article shows the efficiency of applying the same technology to create thin constructions of different purposes and areas of application.
Ключевые слова: металл, формообразование, полый элемент, ребристые конструкции.
Key words: metal, formation, hollow element, ribbed design.
