X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

1. Краткий обзор применения структурных систем

Структурные системы состоят из многократно повторяющихся линейных элементов, образующих систему часто расположенных пересекающихся ферм. Они обладают повышенной жесткостью, меньшей (примерно в 2 раза) строительной высотой по сравнению с плоскими фермами, что позволяет сократить объем здания и эксплуатационные расходы. В зависимости от конструктивного решения различают системы структур типа «Берлин», «Модуль», «Кисловодск», «ЦНИИПСК», «ЦНИИСК», МАРХИ и множество других пространственных облегченных каркасов. Системы типа МАРХИ появились в нашей стране в 1969 году, созданные специалистами кафедры инженерных конструкций Московского архитектурного института. Был разработан способ строительства сборных сооружений практически любой формы, экономичных и эстетически привлекательных [1].

Павильон Триумф на территории выставочного комплекса "Росстройэкспо" на Фрунзенской набережной, г. Москва, 1985г. [2]. Общий размер павильона 113х33м (рис.1,а). В покрытии применены две полурамы размером 33х33м с контурным опиранием с переходом конструкции на вертикальную стену (система МАРХИ). Расход стали 24,0 кг/м².

а - выставочный павильон «Триумф», г. Москва
б - деловой центр, г. Москва
в - магазин «Мой» г.Калуга
д - блок 1	е - блок 2
Выставочный павильон, г.Кубинка

Рис.1. Гражданские здания

Атриум делового центра. Расположен в Москве, в районе Сокол [2]. Конструкция вспарушенной формы, покрыта стеклом (рис.1,б). Размеры конструкции в плане - 14,5х14,5 м. Расход стали составил 21,6 кг/м². Конструкция была собрана на земле, затем поднята на рабочую отметку башенным краном в стесненных условиях (рис.1,в).

Магазин «Мой» в г.Калугас размерами в плане 36х36м [2]. Здесь применены конструкции системы МАРХИ с диагональной структурой решетки. Расход стали 11,3кг/м² (рис.1,в).

Выставочный павильон. Блок 1. Павильон Военно-Промышленного комплекса на территории парка «Патриот» [3], расположен в г. Кубинка Московской области (рис.1,г).. Общая площадь павильона - более 5,1 тыс. м². Приведенная масса конструкции к площади покрытия - 22 кг/м²Высота здания до оси нижнего пояса конструкции - 17,4 м.

Выставочный павильон. Блок 2. Блок 2 П-образной формы является пристройкой к Выставочному павильону Военно-Промышленного комплекса на территории парка "Патриот" (рис.1,е) [3]. Конструкция покрыта маскировочной сетью для создания тени над экспозицией. Размер конструкции в плане - 72х141 м. Общая площадь - более 8 600 м². Расход стали на покрытие составил 15,74 кг/м².

Рис. 2. Многоуровневый паркинг, г. Сочи

Многоуровневый паркинг, выполненный сборно-разборном варианте в конструкциях системы МАРХИ (рис.2). Здесь применён модульный размер стержней равный 1,5 м [2]. Высота между поясами структурной плиты равна 1060 мм. Проект разработан к Зимней Олимпиаде в 2014г.

Саяно-Шушенская ГЭС. Восстановление разрушенных конструкций на Саяно-Шушенской ГЭС. В 2009г. в результате аварии на Саяно-Шушенской ГЭС были разрушены полностью перекрестно-стержневые пространственные конструкции системы МАРХИ шатра машинного зала [4]. Сильно пострадала вертикальная стена-стойка рамы, и получили различного рода повреждения отдельные стержни во всех остальных рамных секциях шатра.

Благодаря высокому профессионализму работников НПЦ «Виктория», в течение 10 дней с учетом имеющихся разрушений была разработана на стадии рабочего проекта КМД и передана на завод вся техническая документация по восстановлению разрушенных конструкций с необходимыми расчетами, учитывающими специфику состояния конструкций, обеспечивающими их эксплуатационную надежность (рис.3,а).

Вопросы, связанных с расчленением на части основных монтажных блоков каждой новой секции рамного шатра и их взаимные стыковки на рабочей отметке, а также сохранение шатра в зоне 1-го агрегата, потребовало выполнения большого объема вычислительных работ, обеспечивающих надежность рамной конструкции на всех этапах возведения пространственного сооружения.

Бурейская ГЭС. Машинный зал представляет собой рамную конструкцию системы МАРХИ размером в плане 150х28,5 м (рис.3, б) [5]. Конструкция собрана из стержней длиной 2,0 м. Ригель рамы двухярусный высотой сечения 2,82 м. Стойки рамы двухпоясные с размером сечения 1,0 м. Бурейская ГЭС является крупнейшей электростанцией на Дальнем Востоке России. Расход металла (включая стены) составил 42,55 кг/м².

а - восстановлениеконструкций на Саяно-Шушенской ГЭС
б - рамная конструкция системы МАРХИ на Бурейской ГЭС
в - Каркас склада, г. Пермь

Рис. 3. Промышленные здания

Каркас склада с применением покрытия системы МАРХИ [6]. Структурное покрытие 108,6 х 72,4 м, г. Пермь, 2012г. Подъём первого фрагмента структуры размерами 36x36м показан на рис.2. Монтаж велся автокраном ГП 300 тонн с вылетом стрелы 24 м³ (рис.3,в).

2. Типы структурных системы МАРХИ

Перекрестно-стержневые пространственные конструкции системы МАРХИ обладают большими формообразующими возможностями, позволяющими решать практически любые объемно-композиционные задачи, в которых пространственный каркас решает не только функционально-утилитарную задачу перекрытия пространства, но и является формообразующей композиции всего сооружения [1].

Рис. 4. Конструктивные схемы пространственных каркасов типа МАРХИ:

а-в – системы, образованные пирамидами на квадратном основании; ж-е – системы, образованные пирамидами на многоугольном основании

Собираемые из отдельных трубчатых стержней и многогранных узловых элементов при помощи болтового соединения, системы МАРХИ представляют собой регулярные структуры, в основе которых лежат правильные многогранники. Они обладают важнейшим свойством – плотным заполнением пространства и единой длиной модульного стержня в пределах проектируемой конструкции.

Конструктивные решения структурных плит отличаются большим многообразием, в мировой практике применения структур насчитываются около 130 различных систем, отличающихся, прежде всего конструкцией узла сопряжения стержней.

Таблица 1

Технико-экономическое сравнение различных типов структур [7, 8]

Тип структурного покрытия	Расход стали, кг/м2	Трудоемкость, чел.-ч/м2
«Берлин»	20,54	1,56
«Кипсер»	30	2,8
«МАрхИ»	13,63	1,14
«Кисловодск»	18,75	1,42
«ЦНИИСК»	22,8	0,88

Анализ данных табл. 1 показал, что применение системы «МАрхИ» экономичнее по расходу стали и по общей трудоемкости, чем остальных систем соответственно.

3. Системы опор и опорные узлы структурных плит

Опирание структурных плит может быть предусмотрено в различных зонах плиты как по контору, так и в пролете плиты, с тем чтобы разгрузить поясные сетки в центральной зоне (рис.5).

а) б) в)

Рис. 5. Варианты решения опор для структурных плит: а – обычные колон- ны и колонны с решетчатыми капителями; б – колонны с жесткими капите- лями (разгрузочными балками); в – пространственно-стержневые опоры

На рис.6 представлены конструктивные решения опорных узлов структуры при опирании на колонну (рис.6).

а б

Рис. 6. Общий вид капителей колонн: а – решетчатая капитель; б – жесткая капитель из перекрестных балок

4. Технико-экономическое обоснование применения

многогранной плиты

На основе анализа существующих решений и уникальных особенностей пространственных металлических покрытий было решено применить круглую в плане пространственную структурную плиту, подчеркивающую архитектурную выразительность здания (рис.7) [1]

.

Рис. 7. Многогранное пространственное покрытие

Кроме того, необычная форма здания, сочетающаяся с пространственным покрытием, впечатляет красотой и оригинальностью. Здание диаметром 76 м перекрывают стержневой плитой из тетраэдров, плита опирается на железобетонные колонны, расположенные по периметру здания, передовая нагрузку от конструкции на них.

Производился анализ разных профилей, на основе которого выбиралось наиболее выгодное сечение по усилиям и соответственно расходу металла (табл. 2).

Таблица 2

Технико-экономическое сравнение разных типов сечений элементов [9, 10]

№	Наименование и профиль	Поперечное сечение	Материалоемкость, т	Цена за тонну, тыс. руб.	Общая цена, тыс. руб.
1	Двутавр №14 140х80		28,69	50,6	1451,714
2	Тавр составленный из двух уголков №7 70х6		25,06	43,6	1005,416
3	Двутавр из двух швеллеров 8У 80х40		26,44	41,3	1050,672
4	Профиль круглой трубы 102х5		21,58	55,2	1191,216
5	Профиль квадратной трубы 80х5		23,35	43,3	918,050

Развлекательный центр – это отдельно стоящее двухэтажное общественное здание, по внешнему виду напоминающим цилиндр, в основании которого – круг (рис.8). Здание является каркасным, по материалу несущих конструкций - каркас смешанный (пролетом 6м). Диаметр основной конструкции – структурной плиты – 78м.

Для остекления конструкции используются стеклопакеты из каленого стекла, заполненные инертным газом – аргоном, для понижения теплопередачи и сохранения тепла в помещении в зимнее время.

Южный фасад

План на отм. 4.600

Разрез 1-1

Рис.8. Развлекательный центр

5.Расчет структурного покрытия из тетраэдров

Расчет конструкции покрытия выполнялся аналитически и с применением программного комплекса ЛИРА. Разработка инженерного алгоритма расчета с применением программных комплексов облегчает расчет конструкций и представляет собой метод научного конструирования. Причем его конечная цель достигается подбором рационального сечения элементов структурного покрытия из тэтраэдров, обеспечивающего максимальное снижение его материалоемкости. На рис. 9-12 представлены эпюры перемещений и мозаики моментов.

Рис.9 Деформации в структурном покрытии от собственного веса

Рис.10 Мозаика моментов Мх от собственного веса

Рис.11 Мозаика моментов Му от собственного веса

Рис.12 Мозаика моментов Мz от собственного веса

Выводы. На основе краткого обзора и анализа различных конструктивных решений было принято оптимальное решение – пространственное структурное покрытие из тетраэдров. Были выявлены новые возможности и уникальные особенности структурных покрытий.

По значениям эпюр можно подобрать оптимальные значения сечений элементов структурного покрытия.

Выбор данной стержневой металлической плиты обусловлен тем что, данная конструкция имеет особую необычную форму, тем самым привлекая взгляды людей, оставаясь у них в памяти, и служит рекламой для здания развлекательного центра.

Литература

1. Трущев А.Г. Пространственные металлические конструкции – М.: Стройиздат, 1983. – 215с.

2. Информационный портал: http://www.sistems-marhi.ru/works/exhibi-tion_centers.php?ELEMENT_ID=380 (Дата обращения: 17.12.17).

3. Информационный портал: https://www.aviapanorama.ru/2015/07/ mezhdunarodnyj-voenno-texnicheskij-forum-armiya-2015-2/ (Дата обращения: 20.12.17).

4. Информационный портал: https://www.chel.kp.ru/daily/26306/31845 40/ (Дата обращения: 20.12.17).

5. Информационный портал: https://engineering-ru.livejournal.com /299494.html (Дата обращения: 20.12.17).

6. Информационный портал: http://www.doski.ru/metallokonstruktsii-sistemy-marhi-msg1070846.htm (Дата обращения: 22.12.17).

7. Рекомендации по проектированию структурных конструкций. ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. – М. : Стройиздат, 1984. – 298 с.

8. Проектирование металлических конструкций / В. В. Биркелев [и др]. – Л. : Стройиздат, 1990. – 432 с.

9.Городецкий А. Примеры расчета и проектирования / А.С. Городецкий. – Киев: Факт, 2002. – 99с.

10. ГОСТ 30245-2003. Профили стальные гнутые замкнутые сварные квадратные и прямоугольные для строительных конструкций. М.: изд-во ЗАО "ЦНИИПСК им. Мельникова". – 2003.

Код для цитирования: Скопировать