Библиографическое описание:

Федорец А. В. Применение LVL-бруса в стропильных системах // Молодой ученый. — 2016. — №10. — С. 324-331.



В настоящее время в Российской Федерации наблюдается спад строительства из-за тяжелой экономической ситуации. Анализ и свод информации для проектирования и строительства домов, показал, что есть возможность улучшения качества строительства, а путем введения новых технологий и материалов, что позволит сократить затраты, а следовательно, сделать строительство более эффективным в данной экономической ситуации. [1]

Работа посвящена изучению ЛВЛ-бруса, в частности, балок, на примере ферм стропильной системы. За объект для расчетов взято здание Военной академия связи имени С. М. Будённого, реконструированное в 2014 году. В работе рассмотрены положительные и отрицательные характеристики ЛВЛ-балок, рассмотрены различные узлы, а также их архитектура.

ЛВЛ появился в России относительно недавно, и пока не получил широкого применения. ЛВЛ является одной из разновидностей клееного бруса, который уже нашел применение в России в сооружении большепролетных конструкций. Обычный брус, больше 6 метров, изготавливают только по специальному заказу, а клееный можно сделать практически любой длины, но усложняется транспортировка. Также одной из разновидностью клееного бруса является гнутоклееный брус который, используется в современном строительстве для придания замысловатых сложных архитектурных форм конструкции. В частности, это загородные индивидуальные дома, спортивные центры и галереи. Одним из примеров использования таких конструкций выступает построенный недавно в Санкт-Петербурге аквапарк Питерленд, с самым большим куполом аквапарка в Европе (Рис 1).

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\0_22ebc_d386040f_orig.jpg

Рис. 1. Купол аквапарка

Диаметр купола 90 метров, высота 45 метров. Высота балки у основания достигает 2-х метров. (Рис 2) Такую конструкцию невозможно было выполнить из цельного дерева.

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\122565541.jpg

Рис. 2. Опора купола

Помещение аквапарка находится в постоянных условиях повышенной влажности и из-за, этого металлические конструкции подвержены коррозии, поэтому вариант с клееным брусом был самый оптимальный. Данная конструкция покрыта специальной пленкой, повышенной прочности, по ней даже машина может ездить и она не порвется (но ножом проколоть можно), каждое окно состоит из трех слоев пленки: два слоя прозрачные, при чем настолько прозрачны, что их и не видно, а один слой с узорами листочков клена, чтобы свет рассеивался. Эта пленка имеет уникальные свойства: помимо того, что она ничего не весит, она отталкивает воду, пыль, снег, замечательно держит тепло, она еще и пропускает ультрафиолетовые лучи, благодаря чему, находясь в аквапарке, в любое время года можно загорать. Из стекла и металла подобная конструкция весила в несколько раз больше.

Сама форма купола более сложна по сравнению с обычным пролетом. Проектирование фабрик и ангаров с большими пролетами поставлено на поток, и не составляет большого труда. Но в таких конструкциях крыша выполнена из металлического профильного листа, а он непрозрачный что требовалось в аквапарке для естественного освещения. Стекло необходимой прочности для удержания снеговой нагрузки имело бы в десятки раз больший вес по сравнению с металлом. И для использования аквапарка зимой пришлось бы ежедневно очищать крышу от снега, что достаточно опасно и затратно. Поэтому проектировщики выбрали форму купола, благодаря которой снег не скапливается на поверхности, а также пленку, которая очень мало весит.

Благодаря данной концепции купол получился легким и воздушным. В то же время он сделан очень прочным, чтобы противостоять сильным ветрам с моря. Воздушная прослойка между слоями пленки хорошо удерживает тепло. А так же пленка не подвержена воздействию воды. В целом архитекторы выбрали наиболее удачный вариант, по моему мнению.

Постановка цели и задачи

Решаемой задачей является проведение расчетов в различных конфигурациях и с различными материалами конструкции:

  1. Выявление преимуществ и недостатков материала ЛВЛ-балок и древесины
  2. Выбор наиболее экономически выгодной схемы конструкции.

В работе использованы наиболее популярные материалы и их рыночные стоимости на 2016 год для последующего проведения анализа экономической эффективности.

Для расчетов будем использовать Систему автоматизированного проектирования (САПР) Autodesk Robot structural analysis professional, ранее мной не использованную и не изучаемую в нашем вузе.

Знакомство с программным комплексом Autodesk Robot structural

В нашем университете преподаются две программы для произведения расчетов, это SCAD office и ANSYS.

SCAD office изучался достаточно подробно и длительное время, но программа долгое время не обновлялась под современные компьютеры, имела устаревший интерфейс, замедляющий работу в ней. В целом даже масштабные расчеты в МКЭ выполняла достаточно хорошо, но медленно, но бывали и случаи ошибок в самых простых балках и рамах. Вызвано это плохой оптимизацией и поддержкой, современные многоядерные процессоры могут обрабатывать намного быстрее, но SCAD не использует их потенциал. Главным плюсом является наличие Российских ГОСТов и СНиПов. [5-6]

ANSYS- ему было уделено намного меньше времени, в России не так популярен и используется мало, но в целом показал себя хорошо. Намного лучше использует вычислительные мощности компьютера за счет специализированной связи с графическим ядром NVIDIA. Графический процессор построен по другому принципу в отличие от центрального процессора, в нем содержится в 1000 раз большее число ядер но, с меньшей мощностью, что позволяет производить многопоточные вычисления параллельно в разных ядрах а, не по очереди как это делается в ЦП. Если говорит более простым языком-то для модели в МКЭ с 1000 узлами видеокарта будет обрабатывать каждый узел на своем ядре параллельно от других, а центральный процессор поочередно. Конечно, производительности в 1000 раз мы не получим, так как узлы зависимы друг от друга и необходимо обмениваться данными между собой, но получить выигрыш в 2-4 раза возможно (Рис 3) [7-11]

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\ansys-mechanical-perfchart.png

Рис. 3. Диаграмма вычислительной мощности

Я решил изучить новую программу от самого именитого производителя программного обеспечения для инженеров от компании Autodesk. Классический AutoCAD, Revit, Civil 3D используются повсеместно, и хорошо связываются между собой и очень удобны при проектировании, но переносить модели из них в другие комплексы не очень практично и в процессе возникает много ошибок, так как компании конкуренты не хотят сотрудничать в плане взаимодействия. Поэтому я решил выбрать Autodesk Robot structural, который должен хорошо подойти для этих задач. К тому же Autodeck еще лучше взаимодействует с NVIDIA в вопросе многопоточных вычислений. [12]

Интерфейс напоминает смесь AutoCAD-а и ANSYS-а, также сгруппированы элементы (балки, колонны, узлы), аналогичная таблица со свойствами элемента, а добавление элементов взято из CIVIL 3D. Человеку, легко обращающемуся с AutoCAD, не составит труда разобраться и сразу перейти к работе. На выбор дается множество шаблонов для создания расчетной модели (Рис 4).

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\4.jpg

Рис. 4. Выбор типа расчетной модели

Построение расчетной модели, расчеты.

За объект для расчетов возьмем здание Военнаой академи связи имени С. М. Будённого, в частности, главный корпус с односкатной стропильной системой. Возьмем чертежи из готового проекта. (Рис 5)

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\КР 2010(заново 6)-Model.jpg

Рис. 5. Разрез 1-1

Как мы видим основная стропильная нога состоит из двух смежных досок 150х50мм, такое сечение было выбрано компанией застройщиком, по их мнению, оно универсальное и используется во многих проектах. Это отчасти правда так как в такое сечение удобно крепить подкос. Стойки выполнены из бруса 150х150мм. (Рис 6, Рис 7, Рис 8)

IMG_2577

Рис. 6. Ферма конструкции

D:\iPad\iPhone\IMG_2100.JPG

Рис. 7. Ферма конструкции

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\КР 2010(з3аново 6)-Model.jpg

Рис. 8. Узел 1

Построение модели в Robot-е стандартное и не вызывает трудностей. Шаг 1 метр. За расчетную нагрузку включая, вес листового железа и обрешетки возьмем усреднено 250 кг/м. Распределим ее по стропильной ноге и зная что конструкция и так выдерживает данный вес перейдем к расчетам по второму предельному состоянию, то есть к прогибам. Рис 9

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\Новый точечный рисунок.bmp

Рис. 9. 1-я расчетная схема

Как мы видим, максимальный прогиб составляет 23мм, расстояние между этими балками 5800мм, допустимый прогиб в стропильной ноге 1\200 что составляет 29мм, расчеты верны и удовлетворяют требованиям.

Теперь заменим стропильную ногу на двутавровую балку. Возьмем одно из наименьших сечений 300W (Рис 10), и произведем расчеты (Рис 11)

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\GreenLum-300W.800x600w.jpg

Рис. 10. Сечение балки

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\Новый точечный рисунок (2).bmp

Рис. 11. 2-я расчетная схема

Максимальный прогиб составил 7,7 мм что в 3 раза меньше допустимого. Теперь увеличим нагрузку в 3,5 раза до 800кг\м и выясним, выдержит ли конструкция. (Рис 12)

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\Новый точечный рисунок (3).bmp

Рис. 12. 3-я расчетная схема

Максимальный прогиб составил 24,6 мм что в пределах нормы. Теперь, изменим конструкцию убрав лишние опоры и изменим сечение на максимальное 500мм высотой. Расчеты выполним стандартной нагрузкой в 250кг\м (Рис 13)

E:\Мои документы\Новая папка1\Лёхина папка\ПОЛИТЕХ\Дыплом2\Новый точечный рисунок (4).bmp

Рис. 13. 4-я расчетная схема

Данная расчетная модель удовлетворяет всем требованиям и позволяет сэкономить на расходе древесины на стойках.

Заключение

Расчеты показывают что ЛВЛ-брус хорошо справляется с поставленной задачей перекрытия больших пролетов.

1) Главным преимуществом ЛВЛ-бруса является большая несущая способность. Из этого вытекают другие положительные качества, такие как:

– экономия строительного материала.

– уменьшение трудозатрат на возведение, транспортировку, складирование и прочее.

– увеличение скорости строительства

2) Оптимальное экономически выгодное решение, увеличение шага до 2-3 метров, что сэкономит расход материала и время возведения в разы, либо изменение геометрии для получения более эффективного результата.

Программный комплекс AutodeskRobotstructuralanalysisprofessional справился с поставленной задачей.

Литература:

  1. Социально-экономические итоги развития России в 2015 г. Аналитическая справка // Центр научной политической мысли и идеологии. URL: http://rusrand.ru/analytics/socialno-ekonomicheskie-itogi-razvitiya-rossii-v-2015-g-analiticheskaya-spravka (дата обращения: 10.05.2016).
  2. ЛВЛ-Брус // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ЛВЛ-Брус (дата обращения: 10.05.2016).
  3. Фурман Е.И. Деревянные клееные конструкции: в тренде всерьез и надо // АРДИС. — 2014. — № 57. — С. 10.
  4. Питреленд // SkyscraperCity. URL: http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=441474&page=3 (дата обращения: 10.05.2016).
  5. Scad // Scadsoft. URL: http://scadsoft.com/ (дата обращения: 10.05.2016).
  6. Карпиловский В.С. SCAD. Реализация СНиП проектирующих программах. — Киев: Компас, 2001. — 180 с.
  7. Ansys // Ansys. URL: http://www.ansys.com/ (дата обращения: 10.05.2016).
  8. Ускорение расчетов в ANSYS Fluent с графическими процессорами NVIDIA // Ansys. URL: http://cae-expert.ru/articles/uskorenie-raschetov-v-ansys-fluent-s-graficheskimi-processorami-nvidia (дата обращения: 10.05.2016).
  9. ANSYS // NVIDIA. URL: http://www.nvidia.ru/object/tesla-ansys-accelerations-ru.html (дата обращения: 10.05.2016).
  10. Параллельные_вычисления // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Параллельные_вычисления (дата обращения: 10.05.2016).
  11. ACCELERATING MECHANICAL SOLUTIONS WITH GPUs // Nvidia. URL: https://www.nvidia.com/content/tesla/pdf/aa-v7-i3-accelerating-mechanical-solutions-with-gpus.pdf (дата обращения: 10.05.2016).
  12. Quadro // Nvidia. URL: http://www.nvidia.ru/object/autodesk-design-suite-ru.html#myTabListID=0 (дата обращения: 10.05.2016).
  13. Белов Н.В. Полный справочник проектировщика. — Минс: Харвест, 2011. — 480 с.
  14. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. — М.: Пожарная безопасность и наука, 2001. — 382 с.
  15. Воротынцев В.А . Каркасное перекрытие из деревянных балок // . — 2014. — № . — С. 40.
  16. Мосалков И.Л. Огнестойкость строительных конструкций. — М.: СПЕЦТЕХНИКА, 2001. — 496 с.
  17. Ватин Н.И., Горшков А.С., Немова Д.В. Энергоэффективность ограждающих конструкций при капитальном ремонте // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2013. — № № 3 (8). . — С. 1-11.
  18. Барашков Ю. А. Деревянные клееные конструкции. — М.: Знание, 1982. — 62 с.
  19. Симонов Е. В. . Большая книга строительства и ремонта. — СПб.: Питер, 2010. — 416 с.
  20. Laminated veneer lumber (LVL) -- Specifications // ISO. URL: http://www.iso.org/iso/catalogue_detail.htm?csnumber=38869 (дата обращения: 10.05.2016).
  21. Laminated veneer lumber -- Measurement of dimensions and shape -- Method of test // ISO. URL: http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=44225 (дата обращения: 10.05.2016).
  22. Engineered Wood Products // wood-works. URL: http://wood-works.ca/wp-content/uploads/2013/12/ShrinkageFloor-Systems-EngineeredWoodProducts.pdf (дата обращения: 10.05.2016).
  23. Карлсен Г.Г. Конструкции из дерева и пластмасс. — М.: Стройиздат, 1986. — 543 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle