10694

21

УДК 624.014

А.С. Зубрилов

Исследование тонкостенных стальных конструкций из профилей повышенной жесткости при расчете на устойчивость плоской формы изгиба

Основными задачами совершенствования стальных конструкций является уменьшение трудоемкости их изготовления и монтажа, а также снижение металлоемкости за счет совершенствования существующих методик расчета.

Применение холодногнутых оцинкованных профилей толщиной до 3 мм в качестве несущих конструкций в сооружениях самого разного назначения в настоящее время является актуальным ввиду высокой технологичности конструкций такого рода на этапе их изготовления и монтажа. Использование таких профилей в зданиях и сооружениях с небольшими нагрузками на покрытие позволяет получить значительный экономический эффект по сравнению с традиционными стальными конструкциями из горячекатаных и гнутых профилей.

Впоследние годы в нашей стране активно развивается применение тонкостенных профилей повышенной жесткости (ППЖ), ведется их активное исследование и наращивание нормативной базы.

Современное состояние требований к проектированию зданий и сооружений нуждается в дополнительных научных исследованиях по выявлению влияния устойчивости плоской формы изгиба на профили повышенной жесткости.

Инженерная методика проектирования и расчета элементов по изгибно-крутильной форме потери общей устойчивости сложилась на рубеже XIX и XX веков. Научные работы, связанные с расчетом стержней, подверженных действию осевой силы с изгибом, были опубликованы Л. Эйлером К.Г. Юнгом, Ф. Блейхом, Ю.И. Ягном, Н.Н. Стрелецким, С.П. Тимошенко, В.3. Власовым, В.В. Горевым, Э.Л. Айрумяном.

Вмировой практике разработаны нормы и стандарты для проектирования таких конструкций, например, Еврокод 3 и американский стандарт AISI, учитывающие особенности работы холодногнутых профилей из оцинкованной стали в конструкциях зданий и сооружений. Российские СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» не могут быть использованы для расчета конструкций из тонкостенных гнутых профилей толщиной менее 4 мм, так как не учитывают некоторых существенных особенностей их работы. К таким особенностям профилей, связанным с их тонкостенностью, относятся редуцирование сечения, изменение механических характеристик стали по сечению, наличие остаточных деформаций и геометрических несовершенств формы. Из-за отсутствия

22

национального стандарта для ЛСТК расчет таких конструкций в настоящее время выполняют по зарубежным нормам или стандартам.

Существенного прогресса в решении задач устойчивости плоской формы изгиба тонкостенных стержней открытого профиля не происходит. Связано это с трудностями интегрирования уравнений устойчивости, которые содержат переменные коэффициенты. По этой причине известны решения только для случаев, когда поперечная нагрузка вызывает лишь один закон изменения изгибающего момента по длине стержня. Под эти условия подводятся и задачи устойчивости при симметричной эпюре изгибающего момента.

Для стержня, находящегося в условиях растяжения (сжатия), изгиба или кручения, существенными являются нормальные и касательные напряжения, возникающие на площадках поперечного сечения стержня. Нормальные же напряжения, возникающие на площадках продольного сечения и действующие параллельно касательной к профильной линии, в работе тонкостенного стержня как пространственной системы не играют существенной роли.

Изгибное состояние описывается законом плоских сечений. В этом состоянии обе полки двутавровой балки испытывают одинаковую деформацию изгиба: верхние волокна полок растянуты, нижние – сжаты.

Изгибно-крутильное состояние относится к явлению изгибаемого или стесненного кручения, т.е. такого кручения, при котором отдельные продольные элементы стержня (пластинки) наряду с кручением испытывают также изгиб. В поперечных сечениях, помимо касательных напряжений, возникают и нормальные напряжения. Состояние изгибного кручения в этой теории описывается уже другим законом, принципиально отличным от закона плоских сечений.

Рис. 1 Нагрузки на двутавровую тонкостенную балку

При нагрузке, показанной на рис. 1, крайние волокна полки, расположенной справа, испытывают растяжение, а нижнее – сжатие; крайние же верхние волокна левой полки испытываю сжатие, а нижние – растяжение. В результате такой деформации поперечные сечения двутавровой балки уже не остаются плоскими. Искривление поперечного сечения, обусловленное продольным перемещением точек сечения из его плоскости, называется депланацией сечения.

23

В случае изгибного кручения депланация стержня сопровождается возникновением в поперечных сечениях не только касательных, но и нормальных напряжений. В каждом поперечном сечении стержня нормальные напряжения приводятся к новой обобщенной силе, представляющей собой систему взаимно уравновешенных продольных усилий – продольный бимомент стержня.

При чисто бимоментной нагрузке, т. е. нагрузке, статически эквивалентной нулю, тонкостенный стержень будет испытывать деформацию кручения. Таким образом, явление кручения стержня может иметь место не только при действии поперечных крутящих сил (моментов), но и при действии одних только продольных сил. Это явление для тонкостенного стержня открытого профиля находится в тесной связи с депланацией сечения. По этой причине не может быть изучено методами элементарной теории изгиба балок, основанной на гипотезе плоских сечений.

Рис. 2 Схема конечно-элементной модели с жестким закреплением

Численное исследование производится методом конечных элементов в ППП «NASTRAN» с помощью твердотельных конечных элементов для моделей из холодногнутых тонкостенных профилей С-образного сечения ПС 150-45-1,5.

Литература

1.СП 16.13330.2011. Стальные конструкции: свод правил: утв. М- вом регионального развития РФ 27.12.2010: взамен СНиП II-23-81*: дата введ. 14.08.81. – М.: Госстроем СССР, 2001. – 96 с.

2.Власов, В.3. Тонкостенные упругие стержни / Власов В.3.; Моск. гос. издательство строительной литературы. – М.: Наука, 1940. – 507 с.

24

УДК 72.061.5

А.Г. Конюков

Принципы формирования производственных зданий нового поколения

Возводимые и реконструируемые в настоящее время производственные здания будут эксплуатироваться в течение ближайших 100 лет и более, вплоть до достижения предела долговечности, когда дальнейшая эксплуатация станет технически невозможной из-за отказов несущих элементов здания. За это время производственные здания претерпевают многократные модернизации технологических процессов. В современном производстве в различных отраслях промышленности периоды модернизации технологии колеблются в диапазоне от 2-3 до 20-25 лет [1]. Из этого следует, что периоды морального износа производственных зданий значительно короче времени их физического износа.

Решение проблемы устойчивости зданий к преждевременному моральному старению требует существенного пересмотра принципов формирования архитектурно-строительных структур производственных зданий нового поколения.

По мнению группы специалистов ЦНИИПромзданий под руководством Булгакова С.Н. [2] при проектировании производственных зданий нового поколения следует учитывать следующие основные требования:

адаптивность объѐмно-планировочных и конструктивных решений зданий, обеспечивающих их многоцелевое использование;

гибкость и мобильность объѐмно-планировочных, конструктивных и инженерных решений зданий;

надѐжность строительных конструкций, соответствующая расчѐтной продолжительности эффективного функционирования производства;

оптимизация условий взаимодействия работающих и техники; экологическая совместимость с окружающей средой; архитектурная выразительность зданий, соответствующая

социально-культурному уровню развития общества.

В качестве объекта исследования определены трикотажные производства, имеющие многочисленные сходные функциональнотехнические требования с приборостроением и точным машиностроением. Это небольшие размеры территорий, площадь которых в большинстве случаев не превышает 2 га, санитарная вредность производств позволяет размещать эти предприятия в черте селитебной зоны, относительно

25

небольшие нагрузки на перекрытия не более 10 – 15 кН/м², а также повышенные требования к микроклимату производственных помещений

[3].

Адаптивность объѐмно-планировочных конструктивных решений

предполагает создание гибких пространственно-производственных структур зданий, которые должны обеспечить мобильность внутреннего пространства. Это достигается автономией строительной, технологической

иинженерной систем здания, а также созданием зальных производственных помещений с укрупнѐнной сеткой колонн каркаса, где можно размещать новые технику и технологию с максимальным использованием площадей и строительного объѐма [2]. Таким образом, будущие модернизации производств должны быть сведены преимущественно к техническому перевооружению на существующих площадях без значительных затрат на изменения пассивной части объекта недвижимости, которыми, как правило, сопровождается реконструкция с коренным переустройством состарившегося фонда зданий и сооружений.

Гибкость и мобильность объѐмно-планировочных, конструктивных

иинженерных решений зданий определяет новый подход к архитектурностроительной унификации производственных зданий, в основе которого лежит принцип автономного проектирования строительной и технологической частей производственного здания. Суть этого состоит в

опережающем проектировании унифицированной строительной «оболочки» с последующим размещением технологического, инженернотехнического и подъѐмно-транспортного оборудования. При этом строительная «оболочка» в виде несущих и ограждающих конструкций должна обеспечить оптимальное размещение технологии и трассировку инженерных сетей с возможностью подключения технологического оборудования в любой точке производственной зоны. Инженернотехнические устройства (установки для вентиляции и кондиционирования воздуха, трансформаторные подстанции и магистральные коммуникационные шахты) должны выноситься в обособленные помещения за пределы производственных зон.

При таком подходе создаются условия для реконструкции или технического перевооружения без материальных затрат на коренное переустройство строительной части здания.

Надѐжность строительных конструкций, соответствующая расчѐтной продолжительности эффективного функционирования производства, обеспечивается при разработке общей концепции производственного здания, при его проектировании, изготовлении его конструктивных элементов, при его строительстве и эксплуатации. Для обеспечения необходимой долговечности производственного здания необходимо учитывать: условия эксплуатации, с учѐтом возможных изменений технологии производства; условия эксплуатации по функциональному назначению; прогнозируемое влияние окружающей

26

среды, а также свойства применяемых материалов, средства их защиты от негативных воздействий внутренней среды и постепенного ухудшения свойств строительных конструкций.

Оптимизация условий взаимодействия работающих и техники

направлена на всестороннее развитие личности посредством гуманизации производства. Сущность гуманизации производства заключается в создании такой производственной среды, в которой человек, выступающий в качестве главной производительной силы, чувствовал бы себя комфортно независимо от быстрой смены технологий, динамики роста и развития производства [4]. В строительной части здания гуманизация отношений между человеком и машиной достигается: средствами архитектуры, технической эстетики и благоустройства; режиссурой движения человека к рабочему месту и обратно; организацией кратковременного отдыха с проведением сеансов психологической разгрузки; внедрением функциональной музыки, цветовым решением производственных помещений и внедрением элементов визуальной информации и произведений искусства.

Известный специалист в области промышленной архитектуры Серк сказал: «…Мы верим, что миссия (архитектора и строителя) будет исполнена, когда фабрики и заводы станут тем, чем они должны быть – не очагами нужды, копоти, зловония и отравы, а культурными центрами, носящими на своѐм облике печать технических побед человеческого гения…» [5].

Экологическая совместимость с окружающей средой обусловлена тем, что технология использует минеральные и сырьевые ресурсы земли, воду, воздух и при этом выделяет в окружающую среду побочные продукты производства. Очевидно, что при создании нового поколения производственных зданий следует всемерно способствовать уменьшению этих воздействий.

Основные экологические принципы создания производственных объектов в первую очередь связаны с охраной воздушного и водного бассейнов, а также с охраной земельных ресурсов.

Основное внимание в охране воздушного бассейна сосредоточено на внедрении новых технологических процессов, уменьшающих или полностью исключающих выбросы вредных веществ в атмосферу.

Наиболее перспективным направлением в части охраны водного бассейна является создание систем оборотного водоснабжения, когда очищенная вода вновь поступает на технологические нужды, что полностью исключает сброс сточных вод в водные бассейны.

Строительная часть производственных зданий непосредственно оказывает влияние на экономию земельных ресурсов путѐм сокращения земельных участков для промышленного строительства. Это достигается путѐм блокирования «под одной крышей» различных производств, а также внедрением в проектно-строительную практику многоэтажных зданий.

27

Благоприятное воздействие на окружающую среду оказывает рекультивация плодородного почвенного слоя с последующим благоустройством.

Архитектурная выразительность зданий, соответствующая социально-культурному уровню развития общества, призвана преодолеть обеднѐнную пластику фасадов трикотажных фабрик, сформированных из многократно повторяющихся однотипных конструкций.

Добиться повышения архитектурной выразительности производственных зданий можно членением фасадных поверхностей системой архитектурных акцентов, в качестве которых используются узлы вертикального транспорта и мелкомасштабная система открытых инженерных коммуникаций, вынесенных на фасад здания.

Реализация предлагаемых принципов формирования производственных корпусов трикотажных фабрик позволит комплексно решить проблему моральной долговечности, обеспечить интенсификацию промышленного производства, использовать в различных исходных ситуациях нового строительства и реконструкции действующих производств, создать условия для совершенствования методов проектирования на основе «открытой системы типизации» с применением функциональных фрагментов.

Литература

1.Архитектурно-строительная классификация и типизация производственных зданий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://domremstroy.ru/stroyka/zd23.html

2.Булгаков, С.Н. Философия, концепция и принципы создания современных производственных зданий / С.Н. Булгаков [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http: // www.gvozdik.ru/analit/1912.html

3.Ким, Н.Н. Архитектура гражданских и промышленных зданий/ Н.Н. Ким, Т.Г. Маклакова. – М., Стройиздат, 1987. – 386 с.: ил.

4.Шлякова, О.А. Гуманизация производства и экономический рост: сущность, взаимосвязь и взаимообусловленность: дис. … кандидата экономических наук: 08.00.01 / О.А. Шкляева [Электронный ресурс]. –

Режим доступа: http: // yandex/ru/yandsearch?text

5.Серк, Л.А. Архитектура промышленных зданий / Л.А. Серк: - М., Пром. Зодчество, 1928.

28

УДК 537.81: 699.88

А.В. Красильников

Оценка изменения интенсивности сверхслабых электромагнитных полей при возведении зданий на примере малоэтажных многоквартирных жилых домов в г. Н.Новгороде

Внастоящее время доказано влияние сверхслабых электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения как на здоровье человека, так и на состояние конструкций зданий, поэтому получение и изучение информации, позволяющей выявить изменения, происходящие с естественным электромагнитным полем Земли и искусственными полями, вызванными строительной деятельностью человека, представляется важным. Измерение напряженности сверхслабых электромагнитных полей в процессе возведения зданий может быть произведено с помощью прибора ИГА-1 (индикатора геофизических аномалий).

Прибор работает в двух режимах: в режиме фоновых значений (для данного режима используется цифровой блок) и в режиме поиска границ аномалий. В режиме фоновых значений интенсивность электромагнитного поля измеряется в диапазоне от 0 до 100 условных единиц данной модификации прибора. Нижнее значение в усл.ед. соответствует максимальным фоновым значениям интенсивности, верхнее значение – минимальным.

Входе экспериментальных исследований была разработана шкала распределения патогенности (в усл.ед.) для прибора ИГА-1 данной модификации (рис.1).

Рис. 1 Шкала распределения интенсивности ЭМП для используемого прибора ИГА-1

29

где И0 – среднее фоновое значение интенсивности естественного электромагнитного поля снаружи помещения (объекта), усл.ед.;

И – среднее фоновое значение интенсивности электромагнитного поля внутри помещения (объекта), усл.ед.

Если К < 1, т.е. интенсивность сверхслабых электромагнитных полей внутри помещения (объекта) меньше, чем интенсивность естественного электромагнитного поля снаружи помещения (объекта), то можно говорить, что имеет место эффект экранирования естественных полей.

Если К > 1 – (интенсивность поля внутри помещения больше, чем снаружи), – то можно говорить о степени электромагнитного загрязнения и подавлении естественных сверхслабых электромагнитных полей искусственными полями, вызванными строительной деятельностью.

Рассмотрим как изменяется коэффициент К в процессе строительства зданий на примере возведения двух малоэтажных жилых домов в г. Н.Новгороде.

Сравнительная характеристика объектов исследования представлена в табл. 1.

Среднее фоновое значение интенсивности естественного поля И0 для первого объекта составило 87 усл. ед.

Среднее фоновое значение естественного поля И0 для второго объекта – 92 усл. ед.

Фоновые значения интенсивности на всех этапах измерений находились в области нейтральной и благоприятной зон.

График изменения коэффициента К на объектах 1 и 2 представлен на рис.2. По оси абсцисс показаны этапы строительства объектов.

30

Рис. 2. Изменение коэффициента К в процесс строительства зданий

Объект 1: первый этап измерений проводился после разработки котлована глубиной 5м; второй этап измерений осуществлялся после установки пространственного армокаркаса высотой 0,4 м, диаметр рабочей арматуры 18 и 28 мм, размер ячейки 150х150 мм; измерения на третьем этапе проводились после устройства монолитной железобетонной плиты толщиной 0,5 м (класс бетона В15); четвертый и пятый этапы измерений – на 1-м и 2-м этажах после устройства ограждающих конструкций из газосиликатных блоков; шестой этап измерений проводился после выполнения отделочных работ на первом уровне зданий (открытая автостоянка).

Объект 2: первый этап измерений проводился после устройства ленточного фундамента; второй этап – после устройства керамзитобетонного основания под пол автостоянки, при этом конструктивно укладывался плоский арматурный каркас с диаметром арматуры – 10 мм и размером ячейки 200х200 мм; третий и четвертый этап измерений – измерения соответственно на 1-м и 2-м этажах после устройства ограждающих конструкций из газосиликатных блоков.

Из графиков видно, что установка арматурного каркаса (объект 1) и конструктивной арматурной стенки при устройстве керамзитобетонного основания (объект 2) вызывает увеличение интенсивности на 16% и 26% соответственно по сравнению с фоновыми значениями естественного поля.

После бетонирования тяжелым бетоном армокаркаса на объекте1 коэффициент К снизился с 1,26 до 0,95. Этот эффект может быть объяснен экранирующим действием тяжелого бетона на излучения от армокаркаса и естественного поля Земли. Изменения фоновых значений интенсивности на уровне 1 и 2 этажей, предназначенных для жилых помещений, в результате составили: для объекта 1 - 5% (К = 0,95-1.0); для объекта 2 - 11% (К = 1.11) для 1 этажа и 6% (К = 1,06) для 2 этажа. Изменения в 5-11% для такого фактора, как изменение фоновых значений естественного поля, можно считать незначительными.