В статье проводится обзор научной литературы в области арочных конструкций. Рассматриваются существующие конструктивные решения универсальных промышленных арочных сооружений.
Ключевые слова: проектирование, арка, легкие арочные конструкции, ЛСТК, рациональное очертание арок
На сегодняшний день в России большое количество объектов производственного сектора, представляет собой переоборудованные заводские помещения, которые ранее остались невостребованными вследствие снижения объемов промышленного производств (рис. 1).
Рис. 1.Невостребованные заводские помещения
Техническое состояние таких объектов зачастую не соответствует современным нормативным требованиям и потребностям эксплуатирующих организаций. В связи с меняющейся экономической ситуацией в стране и с переходом в ряде отраслей к импортозамещению появилась необходимость возведения большого количества промышленных объектов различного назначения.
Существует проблема, связанная с необходимостью разработки конструктивных решений, для быстрого, экономически выгодного и качественного повышения темпа промышленного производства.
Арочные конструкции из лёгких стальных тонкостенных профилей
Для того чтобы сооружение отвечало требованиям экономичности при проектировании необходимо применять рациональное очертание и эффективные типы профилей металлических конструкций.
Хорошими показателями по стоимости и расходу стали в сегменте лёгких универсальных промышленных зданий обладают арочные конструкции из тонкостенных холодногнутых профилей (Рис. 2).
Рис. 2. Арочный ангар с применением ЛСТК
Тонкостенные конструкции хорошо зарекомендовали себя в строительстве малоэтажных жилых и гражданских, а также универсальных производственных объектов [1, 2].
ЛСТК — Лёгкие стальные тонкостенные конструкции из тонкой (до 3 мм) оцинкованной стали повышенной прочности (рис. 3,4).
Рис. 3. Холодногнутые профили обычной жёсткости
Рис. 4. Холодногнутые профили повышенной жёсткости
К легким металлическим конструкциям относится целый класс стальных тонкостенных профилированных настилов (рис. 5).
Рис. 5. Сечение стального профилированного настила
Также в качестве несущих элементов применяются термопрофили с перфорацией стенок. Перфорация значительно снижает потери тепла из-за удлинения мостика холода (рис. 6).
Рис. 6. Термопрофиль с прорезанными в шахматном порядке отверстиями
Использование ЛСТК, в сравнении с другими конструкциями, имеет ряд достоинств:
– Экономичность;
– В силу своей небольшой массы каркасы из ЛСТК не требуют массивных фундаментов;
– Для монтажа лёгких стальных тонкостенных профилей не требуется грузоподъёмное оборудование;
– Высокая скорость сборки;
– Низкая теплопроводность ЛСТ термопрофилей;
– Всесезонный монтаж.
Однако столь важное свойство, как легкость может заметно сказаться на несущей способности конструкции. Поэтому легкие стальные тонкостенные конструкции перед их внедрением в строительство должны быть подвергнуты тщательному анализу по несущей способности [3].
Также имеются и недостатки у данного типа профилей:
– Несмотря на активное распространение ЛСТК в России, на сегодняшний день отсутствует нормативная база по расчёту и проектированию этих конструкций;
– Предвзятое отношение у заказчика, из-за небольшой толщины металла профилей ЛСТК и кажущейся низкой несущей способности;
– Недолговечность (не более 100 лет).
Развитие теоретических положений рационального очертания арочных конструкций
Арка (arcus по-латыни — дуга, изгиб) — это дугообразное перекрытие проема в стене или пролета между двумя опорами [4].
История арок насчитывает уже более двадцати пяти веков. Несмотря на широкое применение арок и различных сводов, в то время не существовало теории их расчёта. Ещё римляне применяли каменные своды для перекрытий зданий и мостов. Долговечность сооружений достигалась применением конструкций с излишним запасом, так как отсутствовал расчёт этих конструкций [5].
Первые попытки теоретически объяснить работу арок стали появляться в конце XVII и в начале XVIII столетия. В 1678 году Роберт Гук высказал идею о том, что правильная форма арки представляет собой перевернутую висячую цепь. В 1697 году Грегори Бенфорд опубликовал теорию арок, в которой высказал предположение о том, что линия давления должна совпасть с внутренней гранью арки [6].
Также необходимо упомянуть выдающегося изобретателя и механика Ивана Петровича Кулибина (1735–1816), который сделал существенный вклад в теорию расчета. Составленный им проект деревянного арочного моста (рис. 7), перекрывающего р. Неву одним пролетом в 296 метров, был выдающимся для своего времени (1773–1776 гг.).
Рис. 7. Проект моста И. П. Кулибина через Неву
В дальнейшем большое количество учёных провели множество исследований и экспериментов. В 1826 году Навье опубликовал курс механики арок. Впервые расчёт арки как деформируемого упругого бруса представил Бресс в 1848 году [7].
Первый расчет арки методами теории упругости дал проф. X. С. Головин (1844–1904) в 1882 году. В начале XX века были опубликованы исследования профессора С. И. Белзецкого, которые были посвящены аналитической теории рациональных очертаний сводов и арок.
Арка с рациональной осью — это такая арка, в любом сечении которой изгибающий момент равен нулю. При равномерно-распределённой нагрузке рациональная дуга арки имеет параболическое очертание. На практике такие ситуации не встречаются. Обычно приходится учитывать совокупность различных по характеру нагрузок.
В начале XX столетия были опубликованы глубокие исследования проф. С. И. Белзецкого, посвященные аналитической теории рациональных очертаний цилиндрических сводов и арок. В этих работах были заложены начала многих дальнейших исследований различных авторов по вопросам подбора очертания арок [5].
До сегодняшнего дня, вопрос о расчёте арок не перестаёт привлекать к себе внимание и продолжает являться объектом научных исследований.
Проектирование арочных конструкций внаши дни
Традиционный подход к проектированию и строительству зданий состоит в назначении фиксированного пролета, габаритной высоты и рациональной конструктивной схемы. Такой подход, приводит к большому числу вариантов зданий, что затрудняет их реализацию по технико-экономическим критериям. Для сокращения количества типоразмеров используются унифицированные параметры зданий, что, в свою очередь, приводит к нерациональному использованию их площадей.
Для решения это проблемы существует методика проектирования по принципу «открытой типизации», которая предполагает множество вариантов зданий, используя при этом минимальное число конструктивных элементов. В своей работе «Конструкции легких арочных зданий, реализуемых по принципу «открытой» типизации» [8] Фахрутдинов А. Э., в какой-то степени, реализовал этот принцип применительно к арочным ангарам.
Зачастую, при проектировании, применяется круговое очертание арок (Рис. 8. а), что не является оптимальным решением с точки зрения металлоёмкости. Применение рациональных форм арок (Рис. 8. б) позволит снизить изгибающие моменты в конструкции, а, следовательно, снизить и расход металла. Существующие аналитические и графические методы определения рациональной формы арки достаточно трудоёмки и учитывают не весь спектр возможных нагрузок, которые может воспринимать конструкция, поэтому существует необходимость их дальнейшего развития.
Рис. 8. Частный случай сравнения изгибающих моментов трёхшарнирных арок: а — кругового очертания; б — рационального очертания
Заключение
В результате анализа научной литературы и существующих конструктивных решений, в сегменте универсальных промышленных арочных конструкций, можно сделать следующие выводы:
– Существующие на данный момент конструктивные решения тонкостенных арочных конструкций имеют ряд недостатков и не удовлетворяют технико-экономическим требованиям к данным сооружениям;
– Требуется разработка методики определения рационального очертания тонкостенных арочных конструкций и развитие экспериментально-теоретических исследований в этой области;
– Наблюдаются тенденции развития теории расчёта ЛСТК и арочных конструкций.
– Проектирование зданий и сооружений на данном этапе развития движется к применению рациональных конструктивных форм, эффективных сечений для достижения максимального экономического эффекта.
Литература:
- Ватин Н. И., Синельников А. С. Большепролетные надземные пешеходные переходы из легкого холодногнутого стального профиля // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 1. С.47–52.
- Ватин Н. И., Синельников А. С. Холодногнутый стальной профиль в малых мостовых конструкциях // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 3. С. 39–51.
- Рыбаков В. А., Гамаюнова О. С. Напряженно-деформированное состояние элементов каркасных сооружений из тонкостенных стержней // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 7 (12). С. 79–123.
- Горев, В. В. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов, Г. И. Белый и др. М.: Высш. шк., 1999. 528 с.
- Бернштейн, С. А. Очерки по истории строительной механики / С. А. Бернштейн. М.: Стройиздат, 1957. — 233 с.
- Koiter, W. T. The effective width of flat plates for various longitudinal edge conditions at loads far beyond the buckling load // Rep. № 5287, National Luchtvaart Laboratorium, 2012, pp. 365–374.
- Thomas, H. Optimum least-coast design of a truss root system / H. Thomas, Ir. Randolph, Daniel M. Brown // Computers and structers. 1977. — № 1. — P. 13–22.
- Фахрутдинов, А. Э. Конструкции лёгких арочных зданий, реализуемых по принципу «открытой» типизации [Текст]: автореферат. дис. … техн. наук: 05.23.01 / А. Э. Фахрутдинов. — Казань, 2012. — 20 с.
