книги / 621

Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. № 1. 2013

УДК 624.078.4

И.И. Зуева, С.Л. Иванова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТИПА «ЦНИИСК»

Рассмотрены конструктивные особенности структурных конструкций типа «ЦНИИСК», проведен анализ достоинств и недостатков структурных конструкций как пространственных систем. Приведены примеры расчета структурного блока размерами 24×12 м, результаты подбора сечений элементов и проверки прогибов с учетом конструктивных особенностей данных систем. Даны рекомендации о возможности применения структурных конструкций типа «ЦНИИСК» в условиях Пермского края.

Ключевые слова: пространственные конструкции, структурные блоки, болты нормальной точности, сечения элементов, прогибы.

Структурные покрытия получили значительное распространение в мировой строительной практике. Основные особенности монтажа таких конструкций – заводское изготовление, легкость транспортировки отдельных конструктивных элементов и поточные методы монтажа.

Опыт строительства пространственных конструкций в нашей стране показывает, что их применение обеспечивает снижение расхода материалов и даже, учитывая повышенную трудоемкость возведения, обеспечивает снижение общей стоимости.

В пространственных конструкциях наряду с оболочками, висячими и пневматическими системами все большее и большее значение приобретают регулярные структурные системы. Рациональное расположение структурных элементов в пространстве обеспечивает оптимальную работу конструкции. Структурные системы позволяют использовать повторяемость простых элементов конструкций, что делает особенно рациональным внедрение их в строительство. Структурные системы – одна из разновидностей пространственных конструкций, отличающаяся большими возможностями образования новых художественно выразительных форм путем многократного повторения однотипных элементов. Повторяемость конструктивных элементов зданий и сооружений создает необходимость и возможность широкого внедрения индустриальных методов.

91

elib.pstu.ru

И.И. Зуева, С.Л. Иванова

Большой интерес проявляют архитекторы и инженеры к отечественному и зарубежному опыту проектирования и применения металлических структурных конструкций. Это связано с уникальными возможностями структур создавать различные композиции пространственных каркасов, отвечающие неограниченному кругу задач объемнопланировочных решений. При этом используется ограниченный набор унифицированных стержневых и узловых элементов полной заводской готовности. Исследования показали, что в мировой строительной практике структуры поэлементной сборки занимают особое место, так как характеризуются высокой степенью стандартизации – в них типизированы стержень и узловой элемент. Благодаря этому проектировщик использует систему пространственных конструкций как метод проектирования и строительства.

Во многих странах мира существуют свои системы, которые конструктивно отличаются друг от друга видом узлового соединения, способом соединения элементов, формой сечения стержневых элементов, несущей способностью элементов, определяющих несущую способность системы. В мировой практике строительства для структурных конструкций получили распространение одноболтовые узловые соединения с осевыми болтами, работающими на растяжение или сжатие; сварные узловые соединения, обладающие высокой несущей и формообразующей способностями; фрикционные соединения.

Пространственные стержневые конструкции – структуры применяются для индивидуальных зданий, в массовом строительстве. Одним из видов структурных конструкций для массового применения является структурная плита типа «ЦНИИСК».

Структурные конструкции типа «ЦНИИСК» – это структурная стержневая плита, собираемая из прокатных профилей. Верхние продольные пояса выполняются из двутавров, нижние – из одиночных уголков, наклонные раскосы – из одиночных или парных уголков. В отличие от ранее применявшихся довольно сложных узловых сопряжений в этой системе раскосы крепятся к поясам непосредственно по одной полке при помощи болтов нормальной точности. Ввиду относительной простоты изготовления, невысокой стоимости и использования недефицитных прокатных элементов эта конструкция получила широкое применение в строительстве.

92

elib.pstu.ru

Особенности проектирования структурных конструкций типа «ЦНИИСК»

Типовые структурные блоки имеют размеры в плане 18×12 м и 24×12 м, высоту 1,5 м. Пример структурного блока размерами 24×12 м показан на рис. 1.

Рис. 1. Структурный блок типа «ЦНИИСК» размерами 24×12 м

Структурные конструкции представляют собой многократно статически неопределимые системы. Расчет таких конструкций выполняется с применением программных комплексов. Предварительно могут быть заданы сечения элементов по типовым сериям с учетом действующей нагрузки и снегового района. В отличие от других систем, например «Кисловодск», в структурах типа «ЦНИИСК» на верхние пояса из двутавров опирается стальной профилированный настил, в этом случае прогоны отсутствуют и настил, кроме того, обеспечивает устойчивость верхнего пояса из плоскости.

Расчет структурных конструкций выполняется в следующей последовательности:

–сбор нагрузок;

–определение расчетных усилий от действующих нагрузок;

–определение необходимого количества болтов нормальной точности для крепления пространственно расположенных раскосов к поясам (количество болтов влияет на расчетные длины раскосов);

93

elib.pstu.ru

И.И. Зуева, С.Л. Иванова

–подбор сечений элементов или проверка предварительно заданных сечений;

–проверка жесткости структуры с учетом подобранных сечений. В структурном блоке типа «ЦНИИСК» верхний пояс рассматри-

вается как внецентренно сжатый элемент, остальные элементы являются растянутыми или сжатыми.

Рассмотрим более подробно расчет структурного блока размерами 24×12 м (рис. 2) для г. Перми (V снеговой район) и особенности подбора сечений его элементов.

Рис. 2. Пример расчета структурного блока типа «ЦНИИСК» размерами 24×12 м

Структурный блок рассчитывается на постоянную нагрузку, на снеговую нагрузку (по четырем схемам: по всей плоскости блока, одностороннюю вдоль пролета, одностороннюю поперек пролета, на четверти блока), на ветровые нагрузки при действии ветра в поперечном и продольном направлениях. Горизонтальные нагрузки от колонн

истоек фахверка передаются на верхние пояса структурных блоков. Постоянные и снеговые нагрузки прикладываются к продольным элементам верхнего пояса как равномерно распределенные. Во всех случаях в расчетной схеме принимаются колонны – защемленными внизу

ишарнирно опертыми вверху, фахверковые стойки – шарнирно опертыми вверху и внизу.

94

elib.pstu.ru

Особенности проектирования структурных конструкций типа «ЦНИИСК»

Расчет структурного блока на отмеченные нагрузки выполнен по программе ЛИРА 9.6. На рис. 2 приведены расчетные усилия в элементах блока, количество болтов, подобранные сечения и длины элементов. Как показали исследования, влияние ветровых нагрузок на структурный блок незначительное, усилия изменяются не более чем на 1 %.

Болты нормальной точности работают в данной системе на срез и смятие. При подборе сечений раскосов, как уже отмечалось, количество болтов влияет на расчетные длины этих элементов. Верхний пояс из двутавров при определении расчетных длин рассматривается неразрезным. Гибкости сжатых элементов не должны превышать предельных значений для структурных конструкций. Коэффициенты условий работы при проверке сечений элементов структуры определяются: для растянутых элементов с учетом ослабления отверстиями, для сжатых элементов с учетом крепления болтами.

Вданной системе верхние и нижние продольные пояса крепятся к наклонной сварной торцевой ферме из одиночных уголков. С целью сокращения монтажных узлов элементы, расположенные по торцам, свариваются в ферму в заводских условиях и доставляются на строительную площадку в виде торцевой фермы пролетом 12 м. Раскосы в ней привариваются к поясам. Такое крепление учитывалось при определении расчетных длин элементов и коэффициентов условий работы.

Вструктурных конструкциях, элементы которых сочленяются на болтах нормальной точности, следует учитывать податливость болтовых сопряжений, что приводит к увеличению прогиба конструкции [1].

Вэтом случае общий прогиб, полученный для системы с неподвижными соединениями, рекомендуется увеличивать на 30 %, если разница между диаметром отверстия и болта 2–3 мм, и на 20 %, если разница составляет 1,5 мм. При подборе сечений структурного блока сечения восьми элементов были уменьшены (унификация сечений не нарушена) по сравнению с типовым блоком. Масса этих элементов уменьшилась на 23 %, при этом масса всего блока снизилась на 1 %. Расчет структуры с учетом изменившихся сечений показал, что прогиб увеличился на 1 %, произошло перераспределение усилий, усилия изменились от 0,8 до 1,2 %.

Структурные конструкции типа «ЦНИИСК» доставляют на место строительства в виде отдельных элементов: торцевых ферм, длинно-

95

elib.pstu.ru

И.И. Зуева, С.Л. Иванова

размерных элементов верхнего и нижнего поясов и раскосов в пакетах, что обеспечивает максимальную загрузку транспортных средств.

Укрупнительная сборка производится на универсальных стендах. Сборка структурного блока начинается с установки торцевых ферм, затем крепятся нижние пояса и распорки по нижнему поясу. На следующем этапе верхние пояса соединяются с торцевыми фермами, а к ним и нижним поясам – распорки и раскосы. Монтаж структурных блоков осуществляется из полностью собранного на земле покрытия гусеничным краном. В зону монтажа готовый структурный блок доставляется электрической лебедкой.

В структурных блоках типа «ЦНИИСК» с верхними поясами из прокатных двутавров, устойчивость которых обеспечивается настилом, крепление листов настила к верхним поясам и между собой является ответственным местом в конструкции: от качества и надежности соединения на протяжении всего периода эксплуатации зависит несущая способность структурного покрытия. Блоки структурных конструкций системы «ЦНИИСК» рекомендуется поднимать только с уложенным и закрепленным настилом. Листы профилированного настила соединяют между собой комбинированными заклепками, а к элементам верхнего пояса – прикрепляют самонарезающими болтами.

Несущая способность структурных конструкций обеспечивается при условии высокой культуры производства на всех стадиях: при изготовлении, монтаже и устройстве кровли. Как уже отмечалось, структурные конструкции являются многократно статически неопределимыми системами, поэтому повышенную чувствительность к точности и качеству изготовления и монтажа можно отнести к недостаткам структурных покрытий , особенно в структурах типа «Кисловодск». Кроме того, в некоторых структурных конструкциях зачастую имеются скрытые дефекты, которые могут привести к отказу в работе стержней структурной плиты. Наличие этих дефектов особенно опасно в растянутых стержнях. Таким образом, дефекты изготовления, отклонения от размеров при сборке и нарушение правил эксплуатации структурных конструкций могут привести к авариям, связанным с обрушением покрытий.

Зуева И.И., Зуев В.В. Влияние податливости болтового соединения на на- пряженно-деформированное состояние системы // Вестник Перм. гос. техн. ун-та. Строительство и архитектура. 2010. № 1. С. 40–46.

96

elib.pstu.ru

Особенности проектирования структурных конструкций типа «ЦНИИСК»

Ввиду относительной простоты изготовления, невысокой стоимости и использования недефицитных прокатных профилей структурные конструкции типа «ЦНИИСК» получили широкое применение для массового строительства. Как показали проведенные расчеты, структурные блоки типа «ЦНИИСК» могут быть применены в Пермском крае для V и VI снеговых районов.

I.I. Zueva, S.L. Ivanova

FEATURES OF DESIGN OF STRUCTURAL

DESIGNS OF THE СNIISK TYPE

Design features of structural designs of the СNIISK type are considered, the analysis of merits and demerits of structural designs as spatial systems is carried out. Selection of sections of elements and check of deflections taking into account design features of data of systems is given an example calculation of the structural block in the sizes 24×12 m. Recommendations about possibility of application of structural designs of the СNIISK type in the conditions of Perm region are made.

Keywords: spatial designs, structural blocks, bolts of normal accuracy, sections of elements, deflections.

Сведения об авторах

Зуева Ирина Ивановна (Пермь, Россия) – канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО ПНИПУ

(e-mail: skstf@pstu.ru).

Иванова Светлана Леонидовна (Пермь, Россия) – студентка ка-

федры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: skstf@pstu.ru).

About the authors

Zuevа Irina Ivanovna (Perm, Russia) – Candidate of Technics, Associate Professor, Department of Building constructions, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: skstf@pstu.ru).

Ivanova Svetlana Leonidovna (Perm, Russia) – student, Department of Building constructions, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: skstf@pstu.ru).

Получено 07.03.2013

97

elib.pstu.ru

Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. № 1. 2013

УДК 624.138.9

Д.Г. Золотозубов, О.А. Золотозубова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Использование геосинтетических материалов в качестве дренажных и гидроизоляционных прослоек при строительстве полигонов ТБО, автомобильных дорог, кроме знания их фильтрующей способности, требует исследования таких свойств, как сопротивление проколу, сопротивление продавливанию, истираемость геосинтетических материалов при различных условиях эксплуатации, так как это влияет на их долговечность. Также необходимо изучение влияния механических повреждений геосинтетических материалов на их основные свойства.

Ключевые слова: геосинтетика, геомембрана, геотекстиль, дренаж, гидроизоляция, сопротивление проколу, сопротивление продавливанию, истираемость.

Геосинтетические материалы применяются в различных отраслях строительства, например при сооружении полигонов ТБО, строительстве дорог и т.д. При сооружении полигонов ТБО геосинтетические материалы применяются c целью гидроизоляции основания и рекультивационного слоя, как альтернатива глиняному замку, в качестве защитного слоя для геомембраны, а также поверхностного дренажа.

При строительстве полигонов ТБО используются различные виды геосинтетических материалов. Они применяются как для улучшения свойств оснований (армирование грунтов с целью повышения несущей способности), так и для предотвращения проникновения вредных веществ из тела полигона в окружающую среду. В последнем случае используются в основном два вида геосинтетических материалов: геотекстиль (типа «дорнит») – для устройства дренажа, геомембрана – для устройства гидроизоляции (например, противофильтрационная мембрана). Кроме того, как показывают многочисленные российские и зарубежные исследования и примеры практического использования, применение геосинтетических материалов позволяет снизить затраты на сооружение оснований (за счет применения местных, а не привозных материалов и снижения сроков строительства) и создание рекультивационного слоя при закрытии полигонов ТБО.

98

elib.pstu.ru

Методы определения характеристик сопротивления

Для материалов, применяемых при сооружении полигонов ТБО, актуальным является знание таких характеристик, как прочность геосинтетического материала на разрыв, сопротивление проколу, сопротивление продавливанию и истираемость. Это связано с необходимостью обеспечения большей несущей способности оснований хранилищ отходов, долговечности материалов, используемых при строительстве, и обеспечения экологической безопасности окружающей среды от инфильтрации вредных агентов полигонов в окружающий грунтовый массив и в окружающую среду.

Из перечисленных выше характеристик наиболее изученной является такая характеристика, как прочность геосинтетического материала на разрыв. На кафедре «Строительное производство и геотехника» проводились и в настоящее время проводятся эксперименты по изучению прочности на разрыв и их связь с другими характеристиками различных геосинтетических материалов [1, 2], а также исследования по применению геосинтетических материалов для различных способов армирования грунтовых оснований в сложных инженерногеологических условиях [3, 4].

Такие характеристики геосинтетических материалов, как сопротивление проколу, сопротивление продавливанию и истираемость, а также их возможная связь между собой и с другими характеристиками изучены в меньшей степени. Экспериментальные исследования в этих направлениях в настоящее время проводятся на нашей кафедре несколькими научно-исследовательскими группами.

Для определения сопротивления проколу, сопротивления продавливанию и истираемости геосинтетических материалов на кафедре «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ имеется соответствующее оборудование.

Прибор МТ 375 (рис. 1) предназначен для определения сопротивления падающему конусу геотекстильных (нетканых, тканых, трикотажных) и других материалов, создаваемых на их основе. При проведении испытаний образец фиксируется в кольцевом зажиме, без возможности смещения. Нагрузка, вызывающая разрушение материала, образуется при свободном падении конуса на образец с высоты 500 мм. В результате испытания определяется диаметр отверстия с помощью измерительного конуса. При проведении испытания также

99

elib.pstu.ru

Д.Г. Золотозубов, О.А. Золотозубова

фиксируются все необычные случаи, например отскоки и повторное пробивание отверстия.

Прибор МТ 374 (рис. 2) предназначен для определения разрывных характеристик полотна при продавливании шариком, применяется для испытания нетканых материалов и изделий на их основе. Для проведения испытаний применяют разрывную машину МТ 136, в которой верхний и нижний зажимы заменяют специальным приспособлением. Верхний зажим заменяют на продавливатель, а нижний – на держатель. Для испытаний используют пять элементарных проб диаметром 60 мм. В процессе испытания держатель с пробой поднимается на шарик и элементарная проба разрывается. При этом с силоизмерителя снимают показания прочности (в ньютонах). По результатам вычисляют среднеарифметическое значение прочности при продавливании всех элементарных проб.

Прибор МТ 372 (рис. 3) предназначен для определения устойчивости покрытия к мокрому трению. При испытании материал подвергают истиранию при помощи выдержанного в воде войлока. Абразив и образец устанавливают на прибор, определяют количество оборотов. Начинается процесс испытания, который прекращают при появлении признаков нарушения покрытия или после определенного количества оборотов. За результат принимается среднеарифметическое всех испытаний.

Изучение влияния устойчивости покрытия к мокрому трению необходимо с точки зрения оценки «механической» долговечности геосинтетических материалов, которая может изменяться как при хранении, транспортировании, укладке геосинтетических материалов, так и при их работе в грунтовом основании. Исследования этих свойств практически никем еще не проводились. Экспериментальные исследования в этом направлении требуют разработки детальной программы проведения экспериментов, установления и проверки критериев оценки «механической» долговечности, определения возможной связи «механической» долговечности с другими характеристиками геосинтетических материалов.

Все планируемые эксперименты будут проводиться в соответствии с действующими нормативными документами. Методы проведения испытаний установлены следующими нормативными документами: определение сопротивления материала падающему конусу соглас-

100

elib.pstu.ru