Russian Federation
Novocherkassk, Rostov-on-Don, Russian Federation
Platov South-Russian State Polytechnic University (Department «Industrial and Civil Engineering, Geotechnics and Foundation Engineering», docent of Department «Industrial and Civil Engineering, Geotechnics and Foundation Engineering»)
from 01.10.2002 to 03.07.2018
Novocherkassk, Rostov-on-Don, Russian Federation
Novocherkassk, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
To reduce energy resource consumption in construction industry and housing and utilities infrastructure, it is necessary to maximize the use of new structural solutions for buildings and structures. Separation of the functions of the bearing and enclosing structures allows the use of optimal design scheme with minimal steel spread for the supporting structures and effective modern thermal insulation materials for the enclosure. The advantages of gridshell structural system are durability, seismic stability, easily built, dismantling, transportation, re-installation without the use of heavy equipment, it is also can be used in remote and hard-to-reach places. The authors propose modules that can be used as exhibition pavilions, shops, cafes with the height of the room up to 6 m. Mass production of gridshell domes became possible with the advent of computer-aided design, allowing to perform the calculation and design of a three-dimensional model of the structure.
steel gridshell structures, energy efficient enclosure, 3D CAD model
За последние десятилетия сформировались общие тенденции в развитии современной цивилизации - рост потребления энергоресурсов, повышение спроса и цены на энергоресурсы. Учитывая естественную ограниченность мировых запасов топливно-энергетических ресурсов, при существующих объемах и темпах роста потребления, очевидной является возможность возникновения их дефицита в обозримом будущем. В связи с постоянным ростом спроса на энергию развитие энергосберегающих технологий во всем мире становится все более актуальным, в том числе и в России. В связи с этим, одним из приоритетов является ограничение темпов роста потребления энергетических ресурсов за счет повышения энергоэффективности объектов в строительстве, промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и на транспорте, внедрения энергосберегающих технологий и материалов.
Во многих странах большое внимание уделяется возведению энергоэффективных домов, в которых затраты, связанные с потреблением энергии, в среднем на 20 - 30% меньше, чем в обычных. В 2018 г. в Российской Федерации вступил в действие свод требований, направленных на повышение энергосбережения, и, в целом, энергоэффективности в строительном комплексе страны, что будет способствовать внедрению новых архитектурных решений, современных строительных технологий, энергоэффективных стройматериалов и т.д. Для эффективной реализации требуемых задач по поэтапному снижению объемов тепловой энергии, расходуемой на здания, необходимо четко определить параметры элементов здания, влияющих на эти затраты:
- увеличение термического сопротивления ограждающих конструкций здания (наружных стен, покрытий, перекрытий над неотапливаемыми подвалами) до технически возможного максимального уровня;
- сведение к минимуму количества и тепловой проводимости, имеющихся в конструкции тепловых мостов;
- обеспечение необходимой воздухоплотности конструкции здания относительно притока наружного воздуха;
- повышение до максимального технически возможного уровня термического сопротивления светопрозрачных ограждающих конструкций;
- создание системы вентиляции для подачи свежего воздуха, удаления отработанного воздуха, распределения тепла в помещении и организация регенерации тепла вентиляционного воздуха.
Одним из направлений в создании энергосберегающих «домов будущего», с применением энергоэффективных технологий, может быть разработка и внедрение строений на основе металлических сетчатых оболочек.
Конструкции покрытий на основе сетчатых оболочек, изобретенных и запатентованных великим русским инженером В.Г. Шуховым, лежат в основе многих проектов, созданных известными архитекторами.
В историю строительной техники вошло покрытие здания листопрокатного цеха Выксунского металлургического завода, выполненное Шуховым в 1898 году (рис. 1). Конструкция в виде металлического сетчатого свода двоякой кривизны, опирающегося на трехшарнирные арки, позволила значительно сократить расход металла по сравнению с традиционным стропильным покрытием. Шухов создал классическое сводчатое покрытие из новых по тем временам металлических прокатных элементов [1]. Взаимоперекрещивающиеся стержни (уголки), опираясь на арки-фермы, образовали жесткий каркас, по которому устроена кровля. Для того времени это было качественно новое промышленное здание – высокое, просторное светлое (фасады здания представляли собой витражи от цоколя до покрытия).
Рис. 1. Несущие конструкции листопрокатного цеха Выксунского металлургического завода во время монтажа
В течение первой половины XX века сетчатые оболочки чаще всего применялись в промышленном строительстве. С их помощью перекрывали производственные цехи и выставочные павильоны, где требовалось с минимальными затратами металла перекрыть значительные пролеты. В настоящее время сетчатые конструкции - одно из перспективных направлений в строительном проектировании. Они оправдывают название «конструкций XXI века». Об этом свидетельствует растущее количество сооружений, выполненных по данной технологии и интерес заказчиков.
Сетчатые конструкции имеют неограниченные возможности для создания новых архитектурных форм, их характерная черта - отсутствие массивных несущих элементов. Это возможно благодаря равномерному распределению нагрузок на все стержни каркаса. Растущее количество зданий и сооружений, выполненных с использованием сетчатых покрытий, свидетельствует о перспективности применения таких конструкций, особенно в условиях низких температур, в сейсмоопасных и отдаленных районах.
Производство и контрольная сборка – полный цикл изготовления сетчатых конструкций. Доставка изделия к месту строительства выполняется в разобранном и компактно упакованном виде. На стройплощадке элементы без специальных инструментов быстро монтируются в секции снаружи или внутри здания. Многообразные сетчатые конструкции могут быть использованы при реконструкции фасадов существующих зданий, при возведении стадионов, музеев, отелей, аэропортов, автомобильных парковок и многих других сооружений. Легкость, быстроту возведения и экономичность строительства обеспечивает простота технологии. Кроме того, доступен демонтаж и повторный монтаж конструкций, что особенно актуально для временных и сезонных сооружений.
Область применения сетчатых конструкций не ограничивается только большепролетными сооружениями [2-4]. Возможно использование подобных технологий в малоэтажном индивидуальном строительстве. Преимущества таких домов на основе сетчатых куполов во многом основаны на свойствах сферы:
- максимальный внутренний объем при одинаковой с «прямоугольным» строением полезной площади, следовательно, лучшая аэрация и инсоляция помещений;
- минимальная площадь внешней поверхности при одинаковой с «прямоугольным» строением полезной площади, что обуславливает меньшее поглощение звуков снаружи, оптимальную теплоизоляцию (наибольшие потери тепла происходят через наружные углы здания);
- сетчатый купольный дом обладает высокой сейсмостойкостью, так как отсутствуют тяжелые перекрытия и покрытия;
- возможность выдерживать большие снеговые нагрузки (самое рациональное строение для арктических широт);
- аэродинамическая форма купола обеспечивает лучшее по сравнению с другими строениями огибание ветрами: купольные дома устойчивы во время разрушительных ураганов и смерчей;
- симметрия сферы позволяет свободно ориентировать купол при размещении на земельном участке; внутренняя планировка несущих стен может быть свободной; солнечные батареи и модули солнечных коллекторов можно наиболее эффективно ориентировать в пространстве.
Сетчатые купольные индивидуальные дома кроме этого полностью соответствуют требованиям минимизации ресурсов и энергозатрат на возведение и эксплуатацию здания, а также принципам биопозитивности:
- использовать только малоэтажную высокоплотную застройку со зданиями не выше деревьев (2-3 этажа);
- на первом этаже размещать мастерские, магазины, кафе, на втором этаже - жилые помещения;
- в качестве покрытия использовать кровлю-газон или размещать гелиоколлекторы, солнечные батареи;
- широко использовать пространственные конструкции покрытий как формы, наиболее близкие к природным формам;
- выбирать форму зданий, наиболее приспособленную для утилизации солнечной и ветровой энергии и энергосбережения (утепленные северные стены с минимумом проемов, теплицы и зимние сады с южной стороны, энергосберегающие окна, двери, стекла, форточки, жалюзи);
- использовать участки городских неудобий, подрабатываемые территории, на которых невозможно разместить многоэтажные здания;
- предусмотреть меры по наиболее полному озеленению горизонтальных и вертикальных поверхностей дома;
- в отделку зданий вносить элементы национального искусства, настенной живописи.
Многие авторы считают, что традиционные национальные жилища, как нельзя лучше удовлетворяют принципам биопозитивного строительства [5,6]. Рассуждая о сетчатых конструкциях невозможно не вспомнить о традиционных жилищах степных кочевников. Сборно-разборное сооружение (рис. 2), которое возможно в минимальные сроки разобрать, компактно упаковать, перевезти, не прибегая к тяжелым подъемно-транспортным средствам, и вновь собрать на новом месте.
Рис. 2. Юрта — жилище кочевых народов степной части Евразии
Следует отметить, что отечественная строительная индустрия в плане использования материалов для возведения зданий до последнего времени оставалась достаточно консервативной отраслью. Традиционно в жилищном строительстве широко применяются проверенные временем материалы - дерево, кирпич и бетон. Вместе с тем, практика развитых в промышленном отношении государств свидетельствует о том, что лидирующие позиции в этом списке постепенно занимают новые эффективные материалы, в том числе металл. Разработчики новых методов строительства предлагают иной подход к его использованию, и прежде всего при возведении жилых зданий. К таким инновационным способам можно отнести применение металлоконструкций заводского изготовления. Это обусловлено прежде всего долговечностью, прочностью, надежностью несущих конструкций и высокими эксплуатационными характеристиками ограждающих конструкций. Впрочем, не последнюю роль играет и эстетический фактор – сегодня возможно создание самых необычных форм здания, фасадов и интерьеров.
Не менее важным преимуществом, выгодно отличающим их от традиционных деревянных, кирпичных или железобетонных строений, является простота и удобство обслуживания и ремонта. Такие дома обладают свойствами экологичности и пожаробезопасности, благодаря сочетанию испытанных качеств традиционных строительных и самых современных отделочных материалов, высокое качество которых подтверждено соответствующими сертификатами.
Сегодня можно с уверенностью утверждать, что металл в жилищном строительстве становится не менее востребованным материалом, чем дерево, кирпич и железобетон. Практика показывает, что эксплуатационные характеристики домов из металлоконструкций абсолютно не уступают, а по ряду показателей даже превосходят аналогичные параметры зданий из традиционных материалов.
На сегодняшний день нами созданы и запатентованы принципиально новые конструкции стальных каркасных модулей [7-9]. Основу каркаса таких зданий образует конструкция из металлических уголков. В отличие от применяющихся в настоящее время металлических каркасов, состоящих из множества элементов, предлагаемые конструкции состоят из минимально возможного количества типоразмеров стержней. Причем сама форма каркаса оптимизирована с учетом следующих факторов:
- максимальная прочность каркаса и устойчивость к сейсмическому воздействию;
- минимально возможное количество типоразмеров стержней каркаса;
- простая конструкция фундамента (столбчатые, свайные фундаменты или винтовые сваи в зависимости от грунтовых условий площадки строительства), так как нагрузка на фундамент намного меньше, чем в зданиях с массивным каркасом;
- максимально возможный внутренний объем при минимальной площади наружных стен;
- оптимальный раскрой стандартных 12 метровых плетей металлического проката;
- применение эффективных теплоизоляционных материалов для навесных стен и покрытия, ремонтопригодность стенового ограждения.
Каркасный модуль (рис. 3), выполнен из стальных прокатных профилей. Основу каркаса образует сетчатая конструкция из металлических прокатных уголков 100×7 мм и швеллеров № 20, стальной профильной трубы 150×4 мм, соединяемых между собой непосредственно на площадке строительства болтами М18 (класса прочности 5.8).
Рис. 3. Каркасный модуль индивидуального жилого дома
Особо следует отметить минимальные трудозатраты при монтаже каркасного модуля. Все элементы каркаса заводского изготовления собираются на площадке строительства на болтах и поднимаются в проектное положение с однократным привлечением грузоподъемной техники. Узел соединения решетчатых стоек с ребром купола (узел А на рис. 3) выполнен с возможностью поворота стоек для упрощения монтажа. Конструкция узла показана на рис.4.
Рис. 4. Узел соединения элементов каркасного модуля (узел А)
Предлагаемые модули могут быть использованы в качестве выставочных павильонов, магазинов, кафе с высотой помещения до 6 м, а при устройстве перекрытия - жилых коттеджей с общей площадью до 170 – 200 м2 и высотой помещений до 3 м.
Массовое строительство сетчатых куполов стало возможным с появлением систем автоматизированного проектирования, позволяющих выполнить расчет и конструирование трехмерной модели сооружения. Для создания модели каркаса был использован программный комплекс SCAD Office (рис. 5). В результате расчета получены значения перемещений узлов конструкции от воздействия собственного веса несущих и ограждающих элементов, ветровой, снеговой нагрузок, а также сейсмического воздействия [10], определены значения расчетных внутренних усилий, подобраны сечения элементов каркаса.
Технологические возможности проектирования, применения новых материалов и конструкций, использования новых методов монтажа многократно расширились за последние годы, в том числе за счет использования метода послойного создания физических объектов по цифровой 3D-модели. При изготовлении стержневых элементов конструкции, соединительных узлов, раскройке ограждающих материалов необходима высокая точность, что доступно с использованием современного высокоточного оборудования [11].
Рис. 5. Трехмерная модель каркасного модуля, выполненная в ППП SCAD
Высокие аэродинамические и конструктивные свойства, повышенная сейсмостойкость, скорость и простота монтажа, возможность доставки в отдаленные районы всех составляющих элементов в компактно упакованном виде с защитой от внешних воздействий, возможность демонтажа и переноса сооружения на новое место, возможность реконструкции либо с восстановлением тех же самых эксплуатационных функций, либо с приданием зданию новых функций, малая нагрузка на основание позволяют применять подобные конструкции с большой эффективностью.
1. Shuhov V. G. Izbrannye trudy, tom 1, «Stroitel'naya mehanika», 192 str., pod red. A. Yu. Ishlinskogo, Akademiya nauk SSSR, Moskva, 1977
2. Ryule G. Prostranstvennye pokrytiya (konstrukcii i metody vozvedeniya). Tom II. Metall, plastmassy, keramika, derevo. M.: Stroyizdat, 1974
3. Tairov V.D. Setchatye prostranstvennye konstrukcii. - Kiev: Budivel'nik, - 1966 - 74s.
4. B. Forster, M. Mollaert. European Design Guide for Tensile Surface Structures. TensiNet. Brussel: 2004. - 332 p.
5. Geiger Engineers. Long span roof projects, selected projects. Geiger associates, № 4, 1994
6. R. Motro. Tensegrity. Structural systems for the future. Kogan Page Science. 2003
7. Versilov S.O., Ignatov V.N., Korotkiy A.A. Karkasnyy modul' zdaniya. Patent Rossii № 2604613. Opublikovano 10.12.2016. Byul. № 34
8. Versilov S.O., Ignatov V.N., Korotkiy A.A. Karkasnyy modul' zdaniya. Patent Rossii № 178555. Opublikovano 09.04.2018. Byul. № 10
9. Sharnirnyy uzel prostranstvennoy sterzhnevoy konstrukcii regulyarnoy struktury: pat. 2586351 Ros. Federaciya: MPK E04V 1/58 / N.G. Caritova, N.A. Buzalo; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO Yuzhno-Rossiyskiy gosudarstvennyy politehnicheskiy universitet (NPI) imeni M.I. Platova - № 2015100939/03; zayavl. 12.01.15; opubl. 10.06.16, Byul. №16.
10. SP 20.13330.2011 Nagruzki i vozdeystviya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 2.01.07-85*
11. Tumasov A.A., Caritova N.G. Transformiruemye prostranstvennye sterzhnevye konstrukcii pokrytiy. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2016. №12-3(54). S. 190-194.
