EXPERIMENTAL DESIGN OF A SPATIAL LATTICE METAL STRUCTURE FOR COVERING AN INDUSTRIAL BUILDING

Full Text

Новые технические решения в области строительных конструкций - от стадии идеи до стадии внедрения в массовое строительство - проходят несколько этапов: 1. Разработка идеи. На данном этапе, как правило, прорабатывается идея, т.е. это стадия осознания «ноу хау», изобретения, полезной модели и т.п. 2. Защита нового технического решения. Это этап доказательства новизны, доказательства преимуществ предложенного решения по отношению к известным аналогам. На данном этапе важно закрепить свое право на предложенное техническое решение, т.е. произвести защиту интеллектуальной собственности. 3. Моделирование и оптимизация предложенного технического решения. На этом этапе следует уделить внимание таким вопросам, как: надежность, безопасность, долговечность, технологичность, экономичность и техническая реализуемость предложенного решения. Это этап глубокой теоретической проработки, этап экспериментального моделирования (натурного и виртуального), этап поиска наилучших параметров объекта по заранее принятым критериям. В результате прохождения данного этапа рождается понимание о всех важных особенностях будущей строительной конструкции, о требуемых технологии и оборудовании для ее изготовления, о ее технико-экономических показателях. 5 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 В.Ю. Алпатов, А.В. Соловьёв 4. Опытно-экспериментальное проектирование или опытно-конструкторская разработка. Это важный этап для доказательства верности ранее высказанных предположений о свойствах будущей конструкции. На данном этапе идея и модель превращаются сначала в проектную документацию, а затем в реальный физический объект. Для массового внедрения полученная конструкция должна быть проверена на надежность и безопасность в реальных условиях эксплуатации. При условии положительного прохождения этого этапа предложенная разработка может быть рекомендована к массовому применению. Представленный алгоритм разработки новой строительной конструкции может дополняться другими этапами, например, разработкой типовой проектной документации, серийным изготовлением и пр. С другой стороны, какие-то этапы могут быть пропущены или частично сокращены, например, оптимизация технического решения или защита интеллектуальной собственности. Однако этап опытно-экспериментальной проработки нового технического решения строительной конструкции, как правило, присутствует всегда. Авторами ранее были проведены работы по получению патента на новое техническое решение металлической пространственной решетчатой конструкции покрытия, собираемой из уголковых профилей с применением листовых фасонок в узлах [1]. Позже были выполнены работы по моделированию [2, 3] и оптимизации запатентованного решения [4]. В настоящей статье авторы представляют информацию о дальнейшем развитии своей идеи - о выполнении опытно-экспериментальных и конструкторских работ. Запатентованное конструктивное решение пространственного металлического покрытия было применено авторами на производственном корпусе одного из промышленных предприятий Самарской области. Авторами был разработан проект нового цеха для расширения существующих производственных мощностей предприятия (рис. 1). Новое здание было запроектировано с металлическим несущим каркасом, а в качестве покрытия была применена авторская пространственная конструкция (рис. 2, 3). По заданию новое здание нужно было разместить близко к существующему (цех №4 на рис. 1, 2). Рис. 1. План здания Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 6 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Вновь возводимое здание должно быть построено на расстоянии 6 м от существующего производственного цеха. Во избежание периодического подтопления межцехового пространства в осенне-весенний период, образования значительных снеговых заносов в зимний период и получения дополнительных производственных площадей было принято решение перекрыть вновь образуемое межцеховое пространство. Такое решение, вследствие наличия разности высот существующего и возводимого здания (см. рис. 2), потребовало учесть возможность образования снегового мешка на покрытии в зимний период. Для уменьшения снегового мешка покрытие вновь возводимого здания выполнено односкатным с уклоном в сторону от существующего здания. Авторами были проведены опытно-конструкторские работы, в результате которых был представлен проект марок КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции металлические деталировочные); запроектировано здание размерами 3084 м2 с металлическим каркасом, состоящим из колонн, связей между колоннами и пространственного структурного покрытия; осуществлен проект реконструкции покрытия и стенового ограждения здания производственного цеха размерами 2466 м2, име- Рис. 2. Поперечный разрез здания Рис. 3. Монтаж пространственной конструкции покрытия 7 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 ющего высоту 17,94 м; выполнено перекрытие пространства между указанными зданиями (см. рис. 1). Покрытие нового цеха запроектировано в виде плоской структурной плиты из прокатных уголков. Согласно проекту, покрытие собирается из крупноразмерных пространственных блоков, которые, в свою очередь, собираются путем объединения плоских наклонных ферм. Сборка блоков осуществляется на земле, после чего блоки устанавливают в проектное положение при помощи крана. Одной из отличительных особенностей проектирования покрытия нового здания явилось применение методов оптимального проектирования конструкций. Структурная конструкция покрытия была оптимизирована при помощи созданного авторами программного комплекса «Поиск оптимальной формы структурных конструкций». Этот комплекс объединяет в единый расчетный аппарат проектирования программу поиска оптимальной формы структурных конструкций, разработанную на кафедре металлических и деревянных конструкций Самарского государственного технического университета (МДК СамГТУ), известный расчетный комплекс «Мираж» (НИИАСС, Киев) и разработанный ранее на кафедре МДК СамГТУ комплекс по оптимальному подбору сечений. Другой отличительной особенностью проектирования конструкций нового здания явилось применение современных программных средств структурного анализа систем методом конечного элемента при проектировании узлового соединения структурной конструкции. Анализ напряженно-деформированного состояния узлового соединения произведен при помощи известных расчетных комплексов: «Лира» (НИИАСС, Киев), Cosmos/Works (Structural Research & Analysis Corp., Los Angeles), ANSYS Design Space 6.0.1 (ANSYS, USA). Расчетная модель узла, геометрия которого создана средствами известного комплекса твердотельного моделирования Solid Works (Solid Works Corp. U.S.), представлена на рис. 4. Рис. 4. Расчетная модель узла пространственной конструкции Запроектированная конструкция покрытия была изготовлена и смонтирована на указанном объекте. Авторы вели наблюдения за ее поведением в течение двух лет. Изначально надзор осуществлялся постоянно в течение двух месяцев, затем периодически. После монтажа кровли по рекомендации авторов было выполнено экспериментальное испытание конструкции расчетной нагрузкой. Нагрузка моделировалась путем загружения покрытия мешками с песком. Во время испытаний проводились измере- В.Ю. Алпатов, А.В. Соловьёв Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 8 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ ния прогиба конструкции и напряжений в наиболее ответственных стержнях. Результаты измерений показали соответствие расчетным прогнозам. Выводы. Применение пространственных стержневых систем для покрытия большепролетных зданий промышленного и общественного назначения имеет множество преимуществ перед традиционными решениями покрытий [5-9]. Пространственная работа такого покрытия при условии его рационального (оптимального) проектирования позволяет снизить общий расход материала на конструкции покрытия. Монтаж такой конструкции происходит значительно быстрее, чем покрытия с применением плоских ферм, что позволяет сократить общий срок строительства здания или сооружения. Жесткость несущего каркаса здания обеспечивается пространственной работой всего покрытия и не требует установки дополнительных связей жесткости в покрытии. Опыт применения пространственных решетчатых конструкций в качестве покрытий зданий больших пролетов говорит об их надежности и рациональности их применения [10].

About the authors

Vadim Yu. ALPATOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Alexey V. SOLOVYOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files