• Сегодня: Среда, Октябрь 18, 2017

Сетчатые оболочки – конструкции XXI века

Выставочный павильон США «Экспо-67» в Монреале

Авторы:

Егор Парфёнов
Cпециалист ЗАО «Росинжиниринг»

Евгений Коновалов
Главный технолог ЗАО «Росинжиниринг»


Аннотация

В статье описана технология проектирования и строительства быстровозводимых конструкций с использованием пространственно-стержневых конструкций. Такие сооружения могут найти широкое применение в хозяйстве, в особенности эта технология может быть востребована для высоких широт. Приведены различные варианты типов каркасов, геодезических структур и соединительных элементов.


Использование пространственно-стержневых конструкций не является новой технологией: строительство с их применением имеет более чем полувековую историю. Сетчатые оболочки чаще всего применялись в промышленном строительстве, где требовалось с минимальными затратами металла перекрыть пролеты более 30–40 м.

На заре развития отрасли сетчатые оболочки применялись в своих простейших геометрических формах — геодезических куполах. Это было обусловлено относительной простотой при расчете отдельных элементов конструкции. Первые геодезические купола были разработаны Ричардом Фуллером в 40-х гг. прошлого века. Фуллер разложил купольную конструкцию на треугольники, стороны которых располагаются на геодезических линиях, соединяющих две точки на криволинейной поверхности. Такая конструкция позволила покрывать максимально возможное пространство с использованием наименьшего количества строительных материалов. Труды Р. Фуллера принесли свои результаты: мировое сообщество обратило внимание на новый многообещающий тип конструкций, что позволило в последующие десятилетия создать несколько интересных проектов, среди которых:

Выставочный павильон США «Экспо-67» в Монреале (высота 62 м, диаметр 76 м). 1967 г.
Рис. 1. Выставочный павильон США «Экспо-67» в Монреале (высота 62 м, диаметр 76 м). 1967 г.
Выставочный павильон США «Экспо-67» в Монреале. Высота 62 м, диаметр 76 м. 1967 г.
Рис. 2. Сент-Луис, США. Геодезический купол «Климатрон», используемый как оранжерея ботанического сада (высота 21 м, диаметр 53 м). Выполнен в алюминиевых конструкциях. 1960 г.

Новый вектор развития отрасли был задан относительно недавно, в связи с совершенствованием и повсеместным внедрением вычислительной техники.

Появление новых систем автоматизированного проектирования (САПР) и программируемых станков (ЧПУ) позволило выйти за пределы простейших конфигураций сетчатых оболочек, строить не только геодезические купола, но и придавать объектам разнообразные формы. Огромные массивы данных теперь могут быть обработаны автоматически, и большое количество однотипных элементов конструкций, отличающихся тем не менее в небольшом диапазоне параметров, могут быть созданы в полуавтоматическом режиме с использованием ЧПУ при минимальном участии человека.

Пример проектов сетчатых оболочек произвольных конфигураций
Рис. 3. Пример проектов сетчатых оболочек произвольных конфигураций

Свойства сетчатых оболочек

Характерной чертой сетчатых оболочек является отсутствие несущих конструкций в виде различных колонн, балок, перекрытий. Конструкция является самонесущей и в большинстве случаев обладает более высокими несущими свойствами в сравнении с конструкциями другого типа. Это происходит из-за равномерного распределения нагрузок на все стержни конструкции, что фактически исключает хрупкое разрушение. Конструкции на основе геодезического купола помимо высоких несущих свойств имеет и хорошие аэродинамические показатели, что расширяет спектр его применения.

Сборка сетчатых оболочек осуществляется в более быстрые сроки и требует на порядок меньше трудовых ресурсов по сравнению с конструкциями традиционного типа. Для монтажа не требуется специальная строительная техника, оборудование и оснастки — основным рабочим инструментом является гаечный ключ.

Для покрытия купольных конструкций часто применяют мембранные материалы. Мембрана, является высокотехнологичным, универсальным покрытием. Такие покрытия удобны в перевозке и монтаже, компактны и не горючи. В условиях сурового российского климата возможно использование утепленных мембран. Помимо мембран для покрытия могут быть использованы стальные листовые материалы, сэндвичи и т.д., вырезанные в виде треугольников. Они крепятся между собой болтовыми и клепальными соединениями.

Широкое применение получило — остекление оболочек. Такое покрытие наиболее привлекательно с архитектурной и эстетической точек зрения, однако использование стекла в качестве ограждающей конструкции всегда приводит к удорожанию и увеличению металлоемкости вследствие уменьшения допусков перемещений элементов конструкции и осадки.

Геодезический купол

Геодезический купол, как было уже сказано, представляет собой частный случай сетчатой оболочки и является наиболее эффективным при создании полусферических конструкций. Форма купола, по сравнению с традиционными прямоугольными зданиями, идеальна при сильных сейсмических, ветровых и снеговых нагрузках. Возведенный купол значительно сложнее разрушить ударными нагрузками; даже поврежденная в одном или нескольких местах до 30%, она не утрачивает своей несущей способности и не разрушается. Геодезический купол является быстровозводимым сооружением, не требующим значительного количества строительной техники. В качестве покрытия конструкции возможно установить тканную или полимерную структуру, стеклопакеты, оргстекло, непрозрачную сэндвич-панель, поликарбонат и прочее.

Визуализация геодезического купола диаметром 10 метров
Рис. 4. Визуализация геодезического купола диаметром 10 метров
Геодезический купол компании «Росинжиниринг», установленный для детской горнолыжной школы (собран бригадой из 5 чел. ручным инструментом за 24 часа в декабре 2014 г.)
Рис. 5. Геодезический купол компании «Росинжиниринг», установленный для детской горнолыжной школы (собран бригадой из 5 чел. ручным инструментом за 24 часа в декабре 2014 г.)

Использование пространственно-стержневых конструкций в арктических широтах

Технология пространственно-стержневых конструкций в России стала активно развиваться в связи с планами по освоению континентального шельфа Арктики. Благодаря совокупности несущих, аэродинамических, конструктивных свойств, быстроте и простоте сборки, компактности доставки, геодезические купола будут с успехом применяться в суровых климатических условиях Крайнего Севера.

Преимуществами сетчатых конструкций перед обычными являются мобильность и скорость сборки; конструкцию можно разобрать и собрать повторно; стержневые элементы и коннекторы, распределенные по типам, умещаются в компактную упаковку; доставляются любым видом транспорта до места сборки; узловые и стержневые элементы промаркированы, имеют стандартные габариты, а инструкция по сборке понятна и проста, работа по сборке не требует специализированных навыков.

На фундамент приходятся небольшие нагрузки (за счет равномерного распределения внутренних усилий в сечениях стержней), что позволяет использовать множество типов фундаментов. Наиболее эффективно и целесообразно применение винтовых свай, за счет их быстрой установкой и адаптивностью к условиям вечной мерзлоты. Такие фундаменты имеют небольшие габариты и удобны в транспортировке.

Подводя итог, можно сказать, что купольные конструкции сетчатого типа — одно из наиболее эффективных сооружений для полярных и субполярных районов Земли для создания комфортных условий проживания и ведения деятельности.

Об этом свидетельствует и практика зарубежных партнеров, в частности успешно установленный купол на полярной станции имени Амундсена-Скотта — это внутриконтинентальная полярная станция США, расположенная на леднике в Антарктиде. Купол был установлен в 1975 г., его диаметр — 50 м и высота — 16 м. Данное сооружение стало достопримечательностью станции; в нём находились даже магазин, почтовое отделение и паб.

Внутриконтинентальная полярная станция США на леднике в Антарктиде
Рис. 6. Внутриконтинентальная полярная станция США на леднике в Антарктиде

Проектирование свободных форм

Процесс проектирования сетчатых оболочек ведется в специализированных программных комплексах систем автоматизированного проектирования (САПР). Данные расчетные программы отвечают всем требованиям и нормам, предусмотренным российским законодательством.

Процесс создания модели и расчета прочности включает в себя несколько этапов:

1. Определяются форма и размеры поверхности в зависимости от назначения здания или сооружения, архитектурной и дизайнерской концепции, пожеланий заказчика.

Существует безграничное множество поверхностей, применяемых в строительстве. Самым простым примером служит поверхность вращения.

Схематическое построение поверхности вращения
Рис. 7. Схематическое построение поверхности вращения

Направляющими для вращения могут служить парабола, окружность, эллипс.

Структурные формы куполов могут быть комбинированными, параболическими или инвертированными. А также возможна двоякая кривизна в одном направлении или в противоположных направлениях. Возможно создание поверхности свободной формы.

Один из концептуальных проектов был выполнен компанией «Росинжиниринг» — многофункциональный спортивный комплекс общей площадью 10 542 м2. Конструкция состоит из двух сплюснутых полусфер диаметром 66 м, соединенных между собой. Общая длина здания 120,55 м, высота — 23 м. Сооружение представляет собой пространственно-стержневое конструкцию на болтовом соединении с узловыми элементами в виде многогранника с подсистемой для остекления. Внутри здания располагается административно-хозяйственный блок, выполненный из металлических балок и стоек.

Архитектурная концепция многофункционально- спортивного комплекса
Рис. 8. Архитектурная концепция многофункционально-
спортивного комплекса

2. После определения поверхности производится разбиение на треугольники (триангуляция).
Узор, форма и размеры ячейки сетки треугольников могут быть различными. Наиболее популярным разбиением на треугольники сферических поверхностей является геодезическая структура, основанная на векторном разбитии икосаэдра. Также применяется ромбовидная система разбиения, которая является универсальной, подходящей для любого типа оболочек свободной формы.

Каркас, состоящий из треугольных ячеек, может быть однослойным либо многослойным.

010

Тип каркаса выбирается в зависимости от величины пролета, сейсмики, климатических условий и других факторов.

В куполах диаметром менее 30 м применяют однослойную структуру стержней. При пролетах более 30 м, как правило, применяют двухслойную ферму первого или второго типа в зависимости от формы поверхности, внешних нагрузок и выбора типа конструктивных элементов.

3. Когда «проволочная» модель конструкции готова, ее импортируют в расчетную программу для определения жесткости стержневых элементов. В зависимости от района строительства выбираются нагрузки на конструкцию в соответствии с нормативными документами.

4. Последним этапом являются создание 3D-модели конструкции, разработка проектной и рабочей документации.

Автоматизация проектирования

После создания «проволочной» модели конструкции, она импортируется в САПР, где будут выполнены все дальнейшие проектные работы. Построение и расчет отдельных узлов и стержней осуществляются на базе исходной модели полностью встроенными средствами САПР и не вызывают затруднений. Однако для конструкции, содержащей десятки тысяч таких элементов, ручное проектирование потребует огромного количества времени. Кроме того, малейшее внесение изменений в исходную «проволочную» модель конструкции опять же потребует пересчета всех элементов.

В целях снижения трудозатрат и временных затрат на проектирование, целесообразным представляется решение вопроса автоматизации этого процесса. Но универсальных программных средств для обработки сетчатых оболочек на рынке не представлено, или их нет в открытом доступе. Это в т.ч. связано с уникальностью устройства стержней и узлов.

Принимая во внимание важность решения этой задачи, в компании «Росинжиниринг» было принято решение о разработке специализированного программное обеспечение (ПО) для автоматизации процесса проектирования сетчатых оболочек — RoingGeoDome.

Построение трехмерной геометрии всего объекта, расчет характеристик элементов, создание сборочных чертежей и спецификаций теперь могут быть выполнены с поразительной скоростью, путем нескольких итераций в интерфейсе программы. В ПО реализована поддержка нескольких необходимых типов узлов и стержней, но при необходимости могут быть добавлены любые другие при минимальном участии программиста.

В базовые задачи ПО входят вычисление местоположения узлов на основе «проволочной модели», вычисление нормалей узлов и углов закрепления стержней, вычисление углов между проекциями стержней на ось нормали узла и др. Далее выполняются расчеты, характерные для каждого из типов узлов — например, для узла типа “Polyhedron”, вычисляется диаметр узла на основе диаметров стержней и углов их закрепления.

Типы применяемых элементов

Любая структура купола состоит из стержневых и узловых элементов. Стержень представляет собой трубу круглого или квадратного сечения. Он крепится к узловому элементу или, как его называют, коннектору.

Инженеры компании «Росинжиниринг» при разработке конструкций применяют множество типов соединений узлового и стержневого элементов. Рассмотрим основные из них:

1. Соединение “Light”. Применяется для легких временных конструкций или конструкций малого диаметра. Трубы круглого сечения, сплюснутые по концам, имеют простое болтовое соединение с круглой пластиной. Болт меньшего размера дополнительно устанавливается в одном из стержней коннектора, чтобы устранить закручивание последнего.

image17

2. Соединение ”Basic”. Применяется, как правило, в геодезических куполах диаметром от 10 до 30 м при круглогодичной эксплуатации. Квадратные трубы соединяются с узловыми элементами с помощью болтов. Узловой элемент представляет собой цилиндр с приваренными пластинами с отверстиями под болты.

image18

3. Соединение “Polyhedron” (в переводе с англ. — «многогранник»). Применение таких конструкций широко распространено в большепролетных сооружениях и в сооружениях свободной формы. Впервые на территории СССР узлы такого типа были применены еще в 1969 г. профессором В. К. Файбишенко для большепролетных строений и нашли широкое применение в нашей стране. Узловой элемент представляет собой сточенный цилиндр, который со стороны каждого стержня имеет на этих плоскостях резьбовое отверстие. Для присоединения к коннектору на концах трубчатых стержней предусмотрены конические наконечники с вставным болтом и муфтой. Вращением муфты болт ввинчивается в отверстие узла.

image19

4. Соединение “ASC”. За основу взят опыт канадской компании, которая применяет данное соединение повсеместно в конструкциях складов, спортивных площадок, фабрик и заводов. Внеся конструктивные изменения, с учетом использования на российском рынке компания «Росинжиниринг» проектирует конструкции с данным соединением. Узел представляет собой цилиндр с прорезями рифленого профиля из алюминиевых сплавов. Число пазов может достигать 9. Стержневой элемент из стального круглого профиля обрезается до нужной длины, а концы спрессовываются под нужным углом в специальной пресс-форме. Все стержни фиксируются в прорезях одним болтом. Данный узел имеет жесткое защемление в вертикальном направлении и шарнирное в горизонтальном.

image20

Применение того или иного соединения в первую очередь обусловлено размерами конструкций и районом строительства, от чего и зависит стоимость сооружения.

В настоящее время специалистами компании разработаны конструкторские чертежи пространственной металлоконструкции физкультурно-оздоровительного комплекса в виде сфероида.

Конструкция здания физкультурно-оздоровительного комплекса
Рис. 16. Конструкция здания физкультурно-оздоровительного комплекса

Здание физкультурно-оздоровительного комплекса в плане имеет форму правильного эллипса с размерами большой и малой полуосей 42,5 и 28 м соответственно.

Несущий стальной каркас является сетчатой оболочкой, представленной в виде геодезического купола. Геодезический купол разбит по типу II с частотой 16 v. Многогранником этого типа является октаэдр.

Площадь основания — 3738,5 м2.

Выводы

Сетчатые оболочки, безусловно, являются одним из перспективных направлений в строительстве. Они оправдывают название «конструкций XXI века», как их успели окрестить инженеры. Об этом свидетельствует неуклонно растущее количество сооружений, выполненных по данной технологии и интерес заказчиков.

Потенциал технологии велик, особые перспективы конструкциям специалисты предрекают в практически неограниченных возможностях архитектурных форм, успешном применении в суровых и меняющихся климатических условиях, в проекции на будущие, значительно меняющиеся условия сосуществования населения Земли. Но для реализации этого потенциала потребуется выполнить еще немало разработок в области развития материаловедения, автоматизации проектирования, строительных норм и правил.

Егор Парфёнов

Специалист ЗАО «Росинжиниринг»