Особенности конструированя и расчёта односетчатых оболочек для пространственных покрытий

История односетчатых оболочек

Отечественные ученые внесли в теорию стержневых оболочечных конструкций большой вклад и можно без преувеличения сказать, что благодаря трудам И. Г. Попова, Г. И. Пшеничного, А. С. Вольмира, В. И. Савельева, В. И. Трофимова, Б. А. Освенского сделан существенный шаг в развитии этой теории.

Вплоть до конца 19 века своды справедливо считались массивными и монументальными покрытиями, пока в 1896 г. на Нижегородской выставке русским инженером В. Г. Шуховым не были впервые применены легкие сетчатые конструкции. Позже, в 1898 г., здания цехов Выксунского чугуноплавильного завода в Нижнем Новгороде были покрыты сетчатыми сводами пролетами 38 и 25 м, получив тем самым всеобщее признание.

Незадолго до Шухова, в 1892 г. немецкий проф. Феппль предложил конструкцию пространственного сетчатого покрытия из деревянных элементов, которая представляла собой сложную пространственную систему стержней, расположенных в плоскостях граней призмы, вписанной в цилиндрическую поверхность. Однако, несмотря на все преимущества конструкции, такая система не получила широкого распространения в виду ее сравнительно малой жесткости. Основной формой сетчатых покрытий является цилиндрический свод. Все остальные типы сводов (стрельчатые, крестовые, парусные) состоят из отдельных цилиндрических поверхностей и потому могут рассматриваться как производные цилиндрического свода.

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.

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.

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. 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.