CC BY
0УДК 631.23
ОБОСНОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЦЕЗАЩИТНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ УСТРОЙСТВ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА
Чемодуров В.Т., доктор технических наук, профессор;
Ажермачев С.Г., кандидат технических наук, доцент;
Воронцов Н.Ю., инженер, сотрудник Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».
В настоящей работе проводится обоснование и оптимизация параметров каркасных жалюзийных солнцезащитных устройств защищенного грунта. Новизна работы заключается в разработке методики расчёта несущей способности жалюзийных солнцезащитных устройств для устройств защищённого грунта. Практическая значимость работы заключается в возможности использования разработанной методики для проектирования жалюзийных солнцезащитных устройств для устройств защищён-ного грунта. Предложены схемы каркасных жалюзийных солнцезащитных перекрытий устройств защищённо-го грунта, для которых разработана методика расчёта на несущую способность. Выполнено расчётное исследование несущей способности каркасных солнцезащитных устройств парников и теплиц. Разработаны компоновочные схемы каркасных жалюзийных солнцезащитных перекрытий
JUSTIFICATION AND OPTIMIZATION OF PARAMETERS SUN PROTECTION COVERING DEVICES PROTECTED SOIL
Chemodurov V.T., Doctor of Technical
Sciences, Professor;
Azhermachev S.G., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Vorontsov N.Y., engineer; Institute «Agrotechnological academy» of FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University».
In this work, we substantiate and optimize the parameters of frame louvered sun shading devices for protected ground. The novelty of the work lies in the development of a methodology for calculating the load-bearing capacity of louvered sun shading devices for protected ground devices. The practical significance of the work lies in the possibility of using the developed methodology for designing louvered sun-protection devices for protected ground devices. Schemes of frame louvered sun-protection ceilings for protected ground devices have been proposed, for which a methodfor calculating the load-bearing capacity has been developed. A computational study of the load-bearing capacity of frame sun-protection devices in greenhouses and greenhouses was carried out. Developed layout diagrams for frame louvered sun shading coverings for protected ground devices
147
устройств защищённого грунта
Ключевые слова: жалюзийные солнцезащитные устройства, схемы каркасных жалюзийных солнцезащитных перекрытий, вычислительная модель.
Keywords: louvered sunscreens, schemes of frame louvered sunscreens, computational model.
Введение. Использование устройств защищённого грунта в сельскохозяйственном производстве постоянно растёт. Их применение позволяет существенно повысить управляемость агротехнологических процессов выращивания сельскохозяйственной продукции, создавать необходимые для эффективного производства климатические условия, существенно снизить влияние сезонности и атмосферных климатических условий на технологические процессы сельскохозяйственного производства, избежать потерь сельскохозяйственной продукции из-за неблагоприятных климатических явлений, таких как засуха, сильный ветер, ливни, град. В результате использования устройств защищён-ного грунта сельскохозяйственное производство становится более устойчивым, производительным, с хорошо прогнозируемым результатом.
Основными типами устройств защищённого грунта являются парники и теплицы, ограждением которых служат лёгкие каркасные конструкции, покрытые светопроницаемыми поверхностями, выполненными из стекла, жёстких или гибких полимеров. Теплицы оснащены собственной системой отопления для поддержания необходимого температурного режима в холодное время года. Парники собственной системы отопления не имеют, повышенная температура в них по сравнению с атмосферной температурой поддерживаются за счёт инсоляции защищённого грунта в течение светового дня и защите от тепловых потерь ограждением.
Целью настоящей работы является обоснование параметров каркасных жалюзийных солнцезащитных перекрытий устройств защищённого грунта.
Новизна работы заключается в разработке методики расчёта несущей способности жалюзийных солнцезащитных устройств для устройств защищённого грунта.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования предлагаемой методики для проектирования жалюзийных солнцезащитных конструкций для устройств защищенного грунта.
Объектом исследования является конструкция устройства жалюзийной солцезащиты парника или теплицы.
Предметом исследования является несущая способность конструкции устройства жалюзийной солцезащиты парника или теплицы.
Материалыи методы и методы исследования. Для оценки несущей способности конструкции необходимо выполнение следующих этапов оценки, таких как составление расчетной схемы, установление действующих на конструк-
148
цию нагрузок, определение усилий в элементах конструкций, выбор материала конструкции и определение моментов сопротивления выбранного сечения конструктивных элементов, выбор типа профиля несущей конструкции и подбор поперечных сечений профиля, проверка подобранных сечений профиля.
Наиболее простым по реализации, но позволяющим оптимизировать характеристики конструкции (минимизировать металлоемкость и выбрать оптимальные формы элементов конструкции), является расчет предельного состояния конструкции. То есть расчет, при котором определяют минимально допустимые значения момента сопротивления сечений конструкции, обеспечивающей несущую способность наиболее нагруженного конструктивного элемента.
Результаты исследования. Конструктивная схема жалюзийной солнцезащиты.
Рассмотрим схему жалюзийной защиты, накрывающей куполообразную в поперечном сечении поверхность ограждения парника или теплицы. Схема поперечного сечения каркаса жалюзийной защиты представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Схема каркаса жалюзийной защиты
В поперечном сечении каркас представляет собой четыре жестко соединённые балки, расположенные под углом к плоскости основания. Ширина основания каркаса - В. Нижние балки расположены под углом а и достигают высоты Н' Верхние балки расположены под углом в от высоты Н1 до высоты Н. Каркас состоит из стыкующихся друг с другом секций длиной L (см. рис 2). Для увеличения жёсткости и обеспечения геометрической неизменяемости каркаса в нём используются диагональные элементы (см. рис. 3). Секции с диагональными устанавливаются через каждые 6 или 7 секций без диагональных элементов.
Нижние балки каркаса шарнирно опираются на плоскость основания парника. На плоские поверхности каркаса, образуемые его балками, устанавливаются панели поворотных ламелей, обеспечивающих требуемый уровень инсоляции объёма парника или теплицы. Ламели могут располагаться горизонтально или вертикально. Панель ламелей имеет равную по её площади массу и при размещении на каркасе представляет собой равномерно распределённую нагрузку на балки каркаса. На боковую поверхность жалюзийной солнцезащи-
149
ты (каркаса с установленными панелями ламелей) действует ветровая нагрузка, представляющая собой равномерно распределённую нагрузку, направленную поперёк вертикальной плоскости каркаса (см. рис. 4) или вертикально. Панель ламелей имеет равную по её площади массу и при размещении на каркасе представляет собой равномерно распределённую нагрузку на балки каркаса. На боковую поверхность жалюзийной солнцезащиты (каркаса с установленными панелями ламелей) действует ветровая нагрузка, представляющая собой равномерно распределённую нагрузку, направленную поперёк вертикальной плоскости каркаса (см. рис.4).
Рисунок 3. Схема секции каркаса с диагональными элементами
Методика расчета несущей способности каркаса жалюзийной солнцезащиты. Например, для имеющихся данных о геометрии каркаса и распределённых нагрузках q1 (панели ламелей на нижних балках каркаса), q2 (панели ламелей на верхних балках каркаса) и q3 (ветровая нагрузка) при заданных условиях крепления каркаса к основанию определить моменты сопротивления несущих балок каркаса, обеспечивающие несущую способность каркаса солнцезащитного жалюзийного устройства. Схема нагружения балок каркаса секции жалю-зийной солнцезащиты представлена на рис. 4. Вариант поперечного сечения ламели приведен на рис. 5.
Рисунок 2. Схема соединения секций каркаса
150
Рисунок 4. Схема нагружения балок каркаса секции жалюзийной солнцезащиты
Рисунок 5. Поперечное сечение солнцезащитной ламели
Определение реакций опор А и В (см. рис. 4).
Вертикальная реакция опоры А. Реакцию VА определим из условия равновесия моментов сил относительно точки В:
(н - н±-у
^ Мв = УЛ ■ В + q3 (H - HL)\ [В (H — H 2.
н н± Г/ /ii \ /
-^--<71 —1-- (ß -^Г—) + 2 tga L\ 2 tgaJ V
H,
= О
(В_ (Н - Н, )\ + (В__ (Н - и1у\
ИдР ) V2 )
Упростив выражение (1), получим:
2 tga
<Î2
tgß
I
MB =VA-В+q3--
н-
■ В
4l ■ -— + 42
tga
(H-H,)
tgß
= о
Из (2) следует, что реакция УЛ равна:
н, ( н-н^
Va = -
'/2
Чэ
(1)
(2)
(3)
Ьда. " Ьдр "" 2В
Вертикальная реакция опоры В. Реакцию УВ определим из условия равновесия моментов сил вокруг тонкий:
2 tga L\ 2 tga/
(Jl^)] + q2.<2LJhl. Г(£ + Ш + (£ _ Ml = о I V2tn«/J " tnß LV2 2toß / \2 2tnß /J 1
(4)
У21даП " 142 2Г,д/3
После упрощения выражения (4), получим:
151
ъ
Из (5) следует, что реакция VВ равна:
-) = 0
Кв = <71 ■
Н
± С н - но
+ 42. ■■
Яз ■
(5)
(6)
Ьдсс 13 27?
Выражением для проверки правильности определения реакций VA и VB
является сумма всех нагрузок на ось ОУ, равная 0:
X'
Щ И - И1
о
(7)
Горизонтальная реакция опоры А. Реакцию НА определим из условия равенства нулю моментов сил левой ветви каркаса вокруг точки С (см. рис. 4):
V „ В „ „ н2 Н1 (В Я1 \ 42 (II
Из (8) следует, что реакция НА равна:
0
(8)
ПД =
н
V
в
н-
Ч 3"
<71
Л.. (Ё. _ .АЛ
1дсс \2 21аа/
Яг 2
ГН-Ъу
V 1а в )
= 0
(9)
2 " 2 1± 1да V2 21да/ 2 V 1др Горизонтальная реакция опоры В. Реакцию НВ определим из условия равенства нулю моментов сил правой ветви каркаса вокруг точки С (см. рис. 2.4):
2 1 гда \2 Ида) 2 \ >
Из (10) следует, что реакция НВ равна:
I
к-к- =
О
(10)
Я« =■
Н
В
Яг
(В Нг \ (12
гда и 21да/ 2
Я2 (« ~
ьдР
(11)
Выражением для проверки правильности определения реакций НА и НВ является сумма всех нагрузок на ось ОХ, равная 0:
X + Н + Н +q + Н = 0.
(12)
Определение проекций опорных реакций на плоскость, перпендикулярную плоскости балки AD (см. рис. 4).
Схема определения проекций приведена на рис. 6.
Рисунок 6. Проекции опорных реакций на плоскость, перпендикулярную
плоскости балки AD
В соответствии со схемой на рис. 6 проекции опорных реакций равны:
ИА=НА^та; Ул^=УА^1па (13)
Аналогично для опорных реакций балки ВЕ:
И "=Нвэта; Vв=Vвsmа (14)
В В В В
Определение изгибающего момента в опасном сечении В. Для этого определим проекции на плоскость ЛD распределённых нагрузок q1 и q3:
q;=q1ctgа (15)
q3'=q3■sinа (16)
Нагрузки ' и ' действуют на длине балки А / ). равной
ЬАО = — (17)
5111«
Величина изгибающего момента относительно точки А вдоль балки АБ равна: М^А'-Х- q; )■ Х2/2 (18)
Здесь величинаХ- координата вдоль балки АБ. В точке А величинаХ=0.
Максимальное значение изгибающего момента в точке /.) принимает вид:
/ Н \ ^
»ь-и-ча-йЬ-«^)-^ (19)
Определение момента сопротивления поперечного сечения балки АБ в сечении В, обеспечивающего несущую способность изгибающего момента МБ.
Момент сопротивления поперечного сечения балки:
»". - м <20)
где [о] - допускаемые напряжения при изгибе материала балки.
Порядок выбора материала, вида профиля балки и его ориентации, геометрических размеров балки. Для выбранного материала по справочным данным определяют [о]. По формуле (20) вычисляют момент сопротивления WD. Для обеспечения запаса прочности полученное значение WD умножают на коэффициент запаса к (как правило, к = 1,2.. .1,4). Затем выбирают вид профиля (труба, тавр, швеллер, двутавр и др.). По таблицам для вычисленного значения к^Б определяют геометрические размеры и ориентацию выбранного профиля балки.
Приведенные выше формулы представляют собой алгоритм последовательного определения нагрузок, реакций опор и момента сопротивления несущего каркаса жалюзийной солнцезащиты.
Вариативный анализ несущей способности каркаса жалюзийной солн-цезащиты представляет собой расчёты момента сопротивления для диапазонов изменения конструктивных параметров каркаса и панелей с ламелями, что позволяет оценить диапазон изменения момента сопротивления и корректно выбрать профиль для изготовления несущего каркаса. Такой анализ делает приведенный выше алгоритм расчёта момента сопротивления универсальным для проектирования каркасной жалюзийной солнцезащиты парников и теплиц различного размера и геометрии их поперечного сечения.
Варьируемыми исходными данными являются характеристики ламели (ширина ламели, погонная масса ламели, скважность размещения ламелей, вертикальное либо горизонтальное расположение ламелей); характеристики каркаса (ширина основания, высота, угол наклона, длина секции); характеристики ветровой нагрузки (скорость ветра, аэродинамическое сопротивление жалюзийной защиты).
W, смЗ
6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1-5
-k=0
k-0,2
--
/ _. - ■ - k=0,3
y , - ' - - — ' k=0,4
/ ' у ■- у k-0,5
' s s
50 55 60 65 70 75 80 а, град
Рисунок 7. Зависимости момента сопротивления от угла наклона балки АО от 50 до 90 градусов к горизонтальной плоскости для скважности размещения ламелей от 0 до 0,5 Выводы: Разработана методика расчёта несущей способности каркаса жалюзийной солнцезащиты, обеспечивающая вариативные расчёты нагрузок, реакций опор и момента сопротивления для широкого диапазона геометрических размеров каркаса, выбора солнцезащитных ламелей и ветровой нагрузки.
Список использованных источников:
1. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* [Электронный ресурс] / Минстрой России. — М. : FSUE «Стандартинформ», 2016. — 80 с. 2. Нормы технологического проектирования селекционных комплексов и репродукционных теплиц НТП-АПК 1.10.09.001-02. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации. Москва, 2002.
3. Горев В. В. Металлические кон-
References:
1. Set of rules 20.13330.2016. Loads and impacts. Updated version of building regulations 2.01.07-85 * [Electronic Resource ]/Ministry of Construction of Russia. - M.: FSUE "Standardinform," 2016. - 80 s.
2. Process Design Standards for Selection Complexes and Reproduction Greenhouses process design standards for selection complexes and reproduction greenhouses 1.10.09.001-02. Ministry of Agriculture of the Russian Federation.
154
струкции : учеб. для строит. вузов : в 3 т., т. 2. Конструкции зданий / В. В. Горев [и др.] ; под ред. В. В. Горева. — М. : Высшая школа, 2002. — 528 с.
4. Справочник современного проектировщика-строителя / [под редакцией Маиляна Л.Р.]. - Ростов-на-Дону: «Феникс», 2007.
5. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения [Электронный ресурс]. — М.: Стандартинформ, 2015. - 16 с.
Сведения об авторах:
Чемодуров Владимир Трофимович
- доктор технических наук, профессор, профессор кафедры общетехнических дисциплин Института «Агротехноло-гическая академия» ФГАОУВО «КФУ имени В.И. Вернадского», e-mail: Chens_mu1@mail.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехнологи-ческая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Ажермачев Сергей Геннадьевич
- кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры общетехнических дисциплин Института «Агротехноло-гическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского», e-mail: sga. simf@gmail.com, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехнологи-ческая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Воронцов Никита Юрьевич - инженер, старший лаборант, старший
Moscow, 2002.
3. Gorev V.V. Metal structures: education. for building. universities: in 3 volumes, t.2. Building structures/V.V. Gorev [et al.]; ed. V.V. Gorev. - M.: Higher School, 2002. - 528 s.
4. Handbook of the modern designer-builder^ edited by L.R. Mayilyan]. -Rostov-on-Don: "Phoenix," 2007.
5. State standard 27751-2014. Reliability of building structures and foundations. Basic Provisions [Electronic Resource]. - M.: Standardinform, 2015. -16 s.
Information about the authors:
Chemodurov Vladimir Trofimovich-Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of General Technical Disciplines of the Institute «Agrotechnological academy» of the FSAEI HE «VI. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: Chens_mu1@ mail.ru, Institute «Agrotechnological academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
Azhermachev Sergey Gennadievich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of General Technical Disciplines of the Institute "Agrotechnological Academy" FSAEI HE " V.I. Vernadsky Crimean Federal University " e-mail: sga.simf@gmail. com, 295492, Russia, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarian, Institute "Agrotechnological Academy" FSAEI
155
лаборант кафедры общетехнических дисциплин Института «Агротехноло-гическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского», e-mail: Zet1996@mail.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехнологи-ческая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
HE " V.I. Vernadsky Crimean Federal University "
Vorontsov Nikita Yuryevich -engineer, seniorlaboratory assistant, senior laboratory assistant of the Department of General Technical Disciplines of the Institute "Agrotechnological Academy" of FSAEI HE " V.I. Vernadsky Crimean Federal University " e-mail: Zet1996@ mail.ru, 295492, Russia, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarian, Institute "Agrotechnological Academy" FSAEI HE " V.I. Vernadsky Crimean Federal University "
156
