В статье описаны преимущества быстровозводимых зданий пролетом 18 метров из легких металлических конструкций, а также представлены результаты расчета и сравнения значений массы производственного здания длиной 60 метров, с применением блока покрытия из С-образных профилей с оптимальными параметрами, с аналогичным вариантом для нескольких регионов.
Ключевые слова: быстровозводимые здания, легкие металлические конструкции.
Быстровозводимые здания из легких металлических конструкций являются актуальной альтернативой традиционным сооружениям из дерева, кирпича и бетона. К основным преимуществам быстровозводимых зданий можно отнести:
– универсальность — возможность адаптировать под сооружения различного назначения (лаборатории, спортивные сооружения, гаражи, склады, ангары, торговые павильоны);
– снижение стоимости строительства — такие здания требуют меньших инвестиций (за счет снижения материалоемкости и трудоемкости монтажа и транспортировки) в сравнении с аналогичными сооружениями из металлических конструкций;
– значительное сокращение сроков строительства за счет максимальной заводской готовности (возможно изготовление на одном заводе как блоков покрытия, так и колонн и других конструктивных элементов.). Например, С-образные профили изготавливаются в г. Первоуральск на ООО «Уральский трубный завод, следовательно, полный комплект несущих и ограждающих конструкций для быстровозводимых зданий может найти свое применение (возведение) в любой точке Свердловской области и в близлежащих районах.
Одним из вариантов быстровозводимого здания является здание из С-образных профилей, состоящее из колонн высотой до 8 метров и блоков покрытия пролетом 18 м. Блок покрытия включает в себя два несущих продольных ребра и поперечные ребра, опираемые на систему стержней. В качестве кровельного покрытия и стенового ограждения предусмотрены трехслойные панели типа «сэндвич» с несгораемым минераловатным утеплителем (производство ООО «Челябинский Завод профилированного стального настила»).
Был произведен расчет оптимальных параметров блока покрытия с применением метода многофакторного планирования эксперимента. Оптимальные параметры блока определены с применением метода крутого восхождения. Расчет блока покрытия произведен в программном комплексе «ЛИРА-САПР 2013». Исследуемые параметры блока покрытия приведены на рис. 1.
Рис.1. Исследуемые параметры блока покрытия.
В качестве параметров приняты высота (х1) и ширина (х2) блока покрытия. За значение выхода принято значение массы блока без учета массы плит покрытия.
Таблица 1
Результаты кметоду крутого восхождения
|
№ |
x1 |
x2 |
Выход (масса блока), кг |
|
1 |
1,812 |
2,157 |
603,32 |
|
2 |
1,826 |
2,314 |
598,21 |
|
3 |
1,838 |
2,472 |
605,36 |
|
4 |
1,851 |
2,630 |
656,64 |
|
5 |
1,864 |
2,787 |
814,55 |
|
6 |
1,877 |
2,940 |
884,62 |
|
7 |
1,890 |
3,102 |
910,14 |
Рис.2. Графическая интерпретация метода крутого восхождения
В результате анализа полученных данных, можно сделать вывод, что наиболее оптимальными параметрами блока покрытия являются x1 = 1,824 м, x2 = 2,338 м. Для дальнейших расчетов округляем полученные значения, и принимаем x1 = 1,85 м, x2 = 2,0.
Был произведен расчет рамы производственного здания с применением блока покрытия, с ранее найденными оптимальными параметрами, для строительства в г. Екатеринбург (вариант 1 — III снеговой район), г. Нижний Тагил (вариант 2 — IV снеговой район) и г. Пермь (вариант 3 — V снеговой район).
Рис.3. Маркировка элементов блока покрытия
Расчет произведен в программном комплексе ЛИРА САПР 2013, результаты расчетов сведены в таблицы 2–4
Таблица 2
Результаты расчетов иподбора сечений для г.Екатеринбург
|
Тип элемента |
N, кН |
Атр, см2 |
Сечение |
Длина элемента, м |
Масса 1 м, кг |
Кол-во элементов |
Масса элементов, кг |
|
|
Блок покрытия (30 шт) |
||||||||
|
Верхний пояс (1) |
-113,65 |
8,41 |
С250×100×30×3 |
7,5 |
11,47 |
4 |
344,10 |
|
|
Верхний пояс (2) |
-94,71 |
7,00 |
С250×100×30×3 |
3,0 |
11,47 |
2 |
68,82 |
|
|
Поперечные стержни (3) |
- |
- |
С160×80×25×3 |
2,0 |
8,15 |
8 |
130,40 |
|
|
Затяжки (4) |
116,03 |
4,83 |
Ø25 мм |
9,3 |
3,85 |
4 |
142,85 |
|
|
Опорные стержни (5) |
-30,07 |
1,25 |
Труба 83×3,5 |
2,78 |
6,86 |
4 |
76,28 |
|
|
Итого, масса блока покрытия, кг: |
762,45 |
|||||||
|
Колонна (шаг 6 м) |
-128,27 |
6,54 |
2 шт С160×80×25×3 |
8,0 |
16,30 |
24 |
3129,60 |
|
|
Колонна (шаг 12 м) |
-256,54 |
13,09 |
2 шт С250×100×30×3 |
8,0 |
22,94 |
12 |
2202,24 |
|
|
Подстропильная балка (шаг 6 м) |
- |
- |
Двутавр 35Б1 |
6,0 |
38,90 |
20 |
4668,00 |
|
|
Подстропильная балка (шаг 12 м) |
- |
- |
Двутавр 45Б1 |
12,0 |
59,80 |
10 |
7176,00 |
|
|
Общая масса здания длиной 60 м (шаг колонн 6 м), кг |
30671,10 |
|||||||
|
Общая масса здания длиной 60 м (шаг колонн 12 м), кг |
32251,74 |
|||||||
Таблица 3
Результаты расчетов иподбора сечений для г. Нижний Тагил
|
Тип элемента |
N, кН |
Атр, см2 |
Сечение |
Длина элемента, м |
Масса 1 м, кг |
Кол-во элементов |
Масса элементов, кг |
|
|
Блок покрытия (30 шт) |
||||||||
|
Верхний пояс (1) |
-144,68 |
10,71 |
С250×100×30×3 |
7,5 |
11,47 |
4 |
344,10 |
|
|
Верхний пояс (2) |
-120,57 |
8,92 |
С250×100×30×3 |
3,0 |
11,47 |
2 |
68,82 |
|
|
Поперечные стержни (3) |
- |
- |
С160×80×25×3 |
2,0 |
8,15 |
8 |
130,40 |
|
|
Затяжки (4) |
147,71 |
6,15 |
Ø28 мм |
9,3 |
4,83 |
4 |
179,68 |
|
|
Опорные стержни (5) |
-38,23 |
1,59 |
Труба 83×3,5 |
2,78 |
6,86 |
4 |
76,28 |
|
|
Итого, масса блока покрытия, кг: |
799,28 |
|||||||
|
Колонна (шаг 6 м) |
-160,61 |
8,19 |
2 шт С160×80×25×3 |
8,0 |
16,30 |
24 |
3129,60 |
|
|
Колонна (шаг 12 м) |
-327,24 |
16,70 |
2 шт С250×100×30×4 |
8,0 |
30,26 |
12 |
2904,96 |
|
|
Подстропильная балка (шаг 6 м) |
- |
- |
Двутавр 35Б1 |
6,0 |
38,9 |
20 |
4668,00 |
|
|
Подстропильная балка (шаг 12 м) |
- |
- |
Двутавр 55Б1 |
12,0 |
89,0 |
10 |
10680,00 |
|
|
Общая масса здания длиной 60 м (шаг колонн 6 м), кг |
31776,00 |
|||||||
|
Общая масса здания длиной 60 м (шаг колонн 12 м), кг |
37563,36 |
|||||||
Таблица 4
Результаты расчетов иподбора сечений для г. Пермь
|
Тип элемента |
N, кН |
Атр, см2 |
Сечение |
Длина элемента, м |
Масса 1 м, кг |
Кол-во элементов |
Масса элементов, кг |
|
|
Блок покрытия (30 шт) |
||||||||
|
Верхний пояс (1) |
-175,71 |
13,00 |
С250×100×30×3 |
7,5 |
11,47 |
4 |
344,10 |
|
|
Верхний пояс (2) |
-146,43 |
10,83 |
С250×100×30×3 |
3,0 |
11,47 |
2 |
68,82 |
|
|
Поперечные стержни (3) |
- |
- |
С160×80×25×3 |
2,0 |
8,15 |
8 |
130,40 |
|
|
Затяжки (4) |
179,39 |
7,47 |
Ø32 мм |
9,3 |
6,31 |
4 |
234,73 |
|
|
Опорные стержни (5) |
-46,50 |
1,94 |
Труба 83×3,5 |
2,78 |
6,86 |
4 |
76,28 |
|
|
Итого, масса блока покрытия, кг: |
854,34 |
|||||||
|
Колонна (шаг 6 м) |
-192,83 |
9,84 |
2 шт С160×80×25×3 |
8,0 |
16,30 |
24 |
3129,60 |
|
|
Колонна (шаг 12 м) |
-391,68 |
19,98 |
2 шт С250×100×30×4 |
8,0 |
30,26 |
12 |
2904,96 |
|
|
Подстропильная балка (шаг 6 м) |
- |
- |
Двутавр 35Б1 |
6,0 |
38,9 |
20 |
4668,00 |
|
|
Подстропильная балка (шаг 12 м) |
- |
- |
Двутавр 55Б1 |
12,0 |
89,0 |
10 |
10680,00 |
|
|
Общая масса здания длиной 60 м (шаг колонн 6 м), кг |
33427,80 |
|||||||
|
Общая масса здания длиной 60 м (шаг колонн 12 м), кг |
39215,16 |
|||||||
Результаты всех расчетов сведем в итоговую таблицу 5.
Таблица 5
Сводная таблица масс каркаса здания
|
Шаг колонн |
г.Екатеринбург |
г.Н.Тагил |
г.Пермь |
|
6 м |
30671,10 кг |
31776,00 кг |
33427,80 кг |
|
12 м |
32251,74 кг |
37563,36 кг |
39215,16 кг |
Было произведено сравнение рассчитанного варианта (вариант 1) с аналогичным вариантом каркаса производственного здания с применением колонн из двутавров и ферм из уголков (вариант 2). Результаты сравнения сведены в таблицу 6.
Таблица 6
Сравнительная таблица удельного веса здания на 1 м2
|
Шаг колонн |
г.Екатеринбург |
г.Н.Тагил |
г.Пермь |
|
6 м (вариант 1) |
28,40 кг/м2 |
29,42 кг/м2 |
30,95 кг/м2 |
|
6 м (вариант 2) |
46,52 кг/м2 |
48,35 кг/м2 |
51,33 кг/м2 |
|
12 м (вариант 1) |
29,86 кг/м2 |
34,78 кг/м2 |
36,31 кг/м2 |
|
12 м (вариант 2) |
54,22 кг/м2 |
56,75 кг/м2 |
58,61 кг/м2 |
Анализ результатов проделанной работы позволяет сделать следующие выводы. Решение вопроса оптимизации расчета параметров элементов легких металлических конструкций позволяет адаптировать блок покрытия из С-образных профилей для быстровозводимых зданий из легких металлических конструкций пролетом 18 метров для различных регионов. Также, в результате сравнения выявлено, что данные быстровозводимые здания имеют меньшую материалоемкость, чем аналогичные здания в других конструктивных исполнениях, а следовательно, они менее трудоемки в транспортировке и монтаже. Это дает возможность считать данные здания более приспособленными к современным требованиям экономичности и эксплуатации, без потери основных преимуществ при смене региона строительства. Таким образом, можно сделать вывод, что быстровозводимые здания являются оптимальным выбором для сельского хозяйства.
Литература:
- Ашмарин И. П., Васильев Н. Н., Амбросов В. А. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов. — Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1974. — 76.
