Timber Roof Panel for Industrial Buildings: Analysis According to Bending Stiffness Condition

Full Text

1. Введение Большепролетные конструкции становятся все более популярными благодаря своей экономической эффективности, архитектурной выразительности и технологическому развитию. Большепролетные конструкции находят широкое применение в различных сферах, включая строительство промышленных, зрелищных, культовых зданий, мостов, спортивных арен, аэропортов, торговых центров и других крупных объектов [1; 2]. В будущем они будут играть ключевую роль в создании современных и функциональных объектов, способствуя развитию инфраструктуры и улучшению качества жизни населения. Когда речь идет о большепролетных перекрытиях, как правило, используют фермы, арки или пространственные конструкции [3; 4]. Широко распространены решения, выполненные из металлических и железобетонных конструкций [5-7]. Одним из перспективных направлений является использование деревянных стропильных конструкций для перекрытия больших пролетов. Деревянные конструкции обладают рядом преимуществ: экологичность, легкость, высокие теплоизоляционные свойства, эстетичность [8]. Элементы стропильной деревянной системы, как правило, выполняются на болтах, нагелях и реже на МЗП. Болтовые соединения обеспечивают прочность и устойчивость конструкции, а также позволяют легко монтировать и демонтировать элементы при необходимости [9]. Так, в [10; 11] предложены стропильные конструкции из бамбука, соединения которых выполнены на болтах. Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций имени В.А. Кучеренко (ЦНИИСК им. Кучеренко), один из ведущих институтов строительной отрасли России, накопил значительный опыт проектирования большепролетных деревянных конструкций. Под руководством С.Б. Турковского и А.А. Погорельцева разработаны основные виды проектов большепролетных деревянных конструкций: арочные покрытия зданий, деревянные фермы и рамные конструкции, шпренгельные системы и клеёные балки, решетчатые деревянные фермы и комбинированные конструкции. Огромный вклад в формирование и развитие школы деревянных конструкций в Сибирском регионе внес профессор П.А. Дмитриев (Сибстрин). П.А. Дмитриевым были экспериментально исследованы соединения элементов деревянных конструкций на металлических и пластиковых нагелях, разработаны положения по проектированию несущих и ограждающих деревянных конструкций. Разработка новых полимеров, конструктивных решений и технологий обработки древесины способствует развитию деревокомпозитных конструкций. В практику проектирования все более интенсивно входят составные и деревоклеёные конструкции [12; 13]. Деревянные конструкции гигроскопичны. При набухании создаются внутренние напряжения, что может привести к деформациям, расслоению и снижению прочности конструкции. Деревокомпозитные конструкции лишены таких недостатков. В [14-16] выполнены расчеты деревянных конструкций с учетом ползучести. Исследования подтверждают необходимость учета ползучести древесины и уточнения расчетов деревянных конструкций. В [17; 18] предлагается инновационное предварительно нагруженное соединение дюбель - гайка для высокопроизводительных пространственных конструкций из клееного шпона (LVL). Такое соединение LVL элементов приводит к снижению собственного веса конструкции на 33 % при равной проектной несущей способности. Соединение дюбель - гайка, используемое для реализации прототипов, обеспечивает простоту операций по сборке/разборке. В [19] подробно обсуждаются клеёные деревянные элементы, которые используются в качестве несущих конструкций. Подчеркиваются преимущества металлических соединений, но также упоминаются проблемы, связанные с экологичностью синтетических клеев и соединителей. Статья М.С. Сергеева [20] посвящена исследованию влажностного поведения и процессов высыхания кросс-ламинированной древесины (CLT) в кровельных конструкциях. В работе представлен полевой эксперимент, проведенный в течение 11 месяцев на строительной площадке в Торонто (Канада), где анализировалась динамика распределения влаги в CLT. Основное внимание уделено влиянию влаги на торцы панелей CLT, так как древесина является гигроскопичным материалом, а ее торцы особенно уязвимы к водопоглощению. Также в исследования [21; 22] рассмотрены вопросы армирования деревянных конструкций. Армирование - эффективный способ повышения несущей способности строительных конструкций, но требующий дополнительных ресурсов на разработку технологии изготовления композитных конструкции. Примером успешного применения деревянных покрытий для промышленных зданий являются спортивные комплексы, выставочные залы, общественные здания [23; 24]. Например, крытый стадион в городе Хельсинки, Финляндия, построен с использованием клеёных деревянных балок длиной до 30 м [25]. Эти объекты демонстрируют высокую прочность и эстетическую привлекательность деревянной конструкции. Таки образом, актуальность исследования деревянного покрытия-настила промышленного здания обусловлена несколькими важными факторами. Во-первых, это экономическая эффективность. Использование древесины вместо металла или бетона может существенно снизить затраты на строительство. Легкий вес материала уменьшает расходы на транспортировку и монтаж, а также снижает нагрузку на фундамент. Во-вторых, низкая теплопроводность древесины позволяет создавать более энергоэффективные здания, снижая затраты на отопление и кондиционирование воздуха. В-третьих, это адаптация к местным условиям. В России и других странах с развитой лесной промышленностью использование местных ресурсов древесины может способствовать развитию экономики региона и созданию рабочих мест [26]. 2. Методы Рассмотрено деревянное покрытие-настил (панель) для промышленного здания с пролетами длиной 24 и 30 м без использования традиционных стропильных систем. Покрытие-настил представляет собой ряд кровельных панелей размером 2,4 × 24 м, шарнирно опирающихся на подстропильные балки. Кровельная панель это два сплошных настила толщиной по 120 мм, разделенных между собой поперечными стенками сечением 60 × 340 мм, расположенными с шагом 2,4 м (рис. 1). Сплошной настил толщиной 120 мм обеспечивает достаточную жесткость и прочность, чтобы выдерживать нагрузки от снега, ветра и собственного веса. Поперечные стенки сечением 60 × 340 мм, расположенные через каждые 2,4 м, дополнительно усиливают конструкцию, предотвращая прогибы и деформации. Шарнирное соединение на подстропильные балки позволяет компенсировать возможные температурные расширения и усадки материалов, что повышает общую стабильность конструкции [27]. Соединение отдельных досок и элементов между собой предусматривается по типу дощато-гвоздевых балок. На этапе разработки модель исследуемого деревянного покрытия предполагается конструктивный забой гвоздей, а также крепление отдельных элементов болтовыми соединениями. Расчет узловых и стыковых соединений будет выполнен в дальнейшем при анализе внутренних усилий в каждом элементе отдельно. Рис. 1. Общий вид деревянного покрытия-настила промышленного здания И с т о ч н и к: выполнено Д.А. Чибрикиным Figure 1. General view of the wooden panel for industrial buildings S o u r c e: made by D.A. Chibrikin 2.1. Покрытие здания с пролетом 24 м Выполнен расчет предложенной деревянной конструкции. Расчетная схема представляет собой однопролетную шарнирно-опертую балку с шарнирным соединением стенок с верхним и нижним поясами, загруженную равномерно-распределенной нагрузкой по пролету. Определен момент инерции и изгибную жесткость покрытия. Момент инерции поперечного сечения панели: Изгибная жесткость: Выполнен расчет по деформациям. Нагрузки нормативные: 1. Продольные настилы: 2. Поперечные стенки: 3. Пароизоляция: 4. Полимерная мембрана: 5. Снеговая нагрузка: Итого нормативная нагрузка: Прогиб в середине пролета: . Предельно допустимый прогиб: . Таким образом, жесткость кровельной панели достаточна. Недостаток этого решения в том, что покрытие получается плоским. Чтобы создать уклон кровли от конька к карнизу, необходимо увеличить высоту поперечных стенок от карниза к коньку на 30 мм с каждым шагом поперечных стенок. Нагрузка немного увеличится: . 3. Результаты и обсуждение Кровельная панель длиной 24 м разделяется поперечными стенками на 5 фрагментов, каждый из которых имеет две части по 2,4 м по разные стороны от конька. Каждый фрагмент имеет свою высоту и жесткость на изгиб EIz. Высота фрагмента измеряется в его середине и считается постоянной. Принятые высоты фрагментов: Моменты инерции кровельных панелей Iz: где h - высота фрагмента; h1 - расстояние между верхним и нижним настилами кровельной панели. Моменты инерции и изгибные жесткости EIz по фрагментам представлены в табл. 1. Таблица 1 / Table 1 Определение изгибной жесткости кровельной панели / Determination of the bending stiffness of the roof panel Номер фрагмента / Fragment number Момент инерции кровельных панелей Iz, м4 / Moment of inertia of Iz, m4 roofing panels Изгибные жесткости EIz, MH/м2/ Bending stiffness EIz, MN/m2 Фрагмент 1 / Fragment 1 0,0312 393 Фрагмент 2 / Fragment 2 0,0353 445 Фрагмент 3 / Fragment 3 0,0396 499 Фрагмент 4 / Fragment 4 0,0443 558 Фрагмент 5 / Fragment 5 0,0491 619 И с т о ч н и к: выполнено А.В. Лукиной / S o u r c e: made by A.V. Lukina Далее определяются прогибы кровельной панели в середине пролета: (1) Нагрузка по всему пролету. Модуль упругости древесины: Для каждого фрагмента кровельной панели выполняется следующее: 1. Часть кровельной панели, включающая фрагмент, рассматривается как балка длиной на шарнирных опорах. По формуле (1) определяется прогиб в середине пролета от нагрузки . 2. Часть кровельной панели, за исключением фрагмента, рассматривается как балка длиной , и для нее определяется прогиб в середине. Разность прогибов дает прогиб кровельной панели в середине пролета от нагрузки, действующей в пределах фрагмента (табл. 2). Таблица 2 / Table 2 Определение прогибов кровельной панели / Determining the deflections of the roof panel Номер фрагмента / Fragment number Пролет l, м / Span l, m Прогиб f, м / Deflection, m Фрагмент 1 / Fragment 1 24 0,0505 Фрагмент 2 / Fragment 2 21,6 0,0251 Фрагмент 3 / Fragment 3 19,2 0,016 Фрагмент 4 / Fragment 4 16,8 0,0112 Фрагмент 5 / Fragment 5 14,2 0,0 И с т о ч н и к: выполнено А.В. Лукиной / S o u r c e: made by A.V. Lukina Прогиб кровельной панели в середине пролета равен сумме определенных прогибов. Предельно допустимый прогиб 0,120 м. Жесткость кровельной панели достаточна 3.1. Покрытие здания с пролетом 30 м Соберем нагрузки. Продольные настилы толщиной Тогда Поперечные стенки: Нагрузка от пароизоляции и полимерной мембраны: Снеговая нагрузка: Итого (нормативные нагрузки): Прогиб кровельной панели в середине пролета составит: . Моменты инерции и жесткости кровельной панели по фрагментам от карниза к коньку (табл. 3). Далее вычисляются прогибы в середине кровельной панели от раздельного загружения ее по фрагментам, как это описано выше. Принимается: l1 - длина участка панели, включающего фрагмент, l2 - длина участка с исключенным фрагментом. Прогибы определяются по формуле Разность прогибов определяет прогиб кровельной панели f в середине пролета от загружения фрагмента: Таблица 3 / Table 3 Результаты расчета покрытие здания пролетом 30 м / Calculation results for covering a building with a span of 30 m Номер фрагмента / Fragment number Момент инерции кровельных панелей Iₓ, м4 / Moment of inertia of roof panels Iₓ, m4 Изгибная жесткость EIₓ, МН/м² / Bending stiffness EIₓ, MN/m² Прогиб f, м / Deflection, m Фрагмент 1 / Fragment 1 0,0820 1033 0,0914 Фрагмент 2 / Fragment 2 0,0878 1106 0,0406 Фрагмент 3 / Fragment 3 0,0937 1257 0,0141 Фрагмент 4 / Fragment 4 0,0998 1257 0,000123 Фрагмент 5 / Fragment 5 0,106 1336 0,000192 И с т о ч н и к: выполнено А.В. Лукиной / S o u r c e: made by A.V. Lukina Прогиб кровельной панели в середине пролета равен сумме прогибов от загружения фрагментов при предельно допустимом значении 0,150 м. Жесткость кровельной панели достаточна. Результаты выполненного расчета показывают, что наибольший прогиб кровельной панели возникает от нагружения первого (прикарнизного) фрагмента, а с приближением загруженного фрагмента к коньку его влияние на прогиб в середине пролета быстро уменьшается. Это можно использовать. Жесткость панели в направлении от карниза к коньку будем уменьшать, уменьшая толщину настилов. Каждый скат будет иметь три зоны протяженностью по 5 м с суммарной толщиной верхнего и нижнего настилов от карниза к коньку 20, 18, 12 см. Каждая зона разделена поперечными стенками на два фрагмента по 2,5 м. Высота стенок в пределах ската 0,750; 0,775; 0,800; 0,825; 0,850; 0,875, высота средней стенки 0,900 м. 3.2. Определение нагрузок 1. Настилы: Тогда нагрузка на 1 м кровельной панели составит: 2. Стенки по скатам, поперечные сечения: 3. Средняя стенка Всего 0,78 + 0,135 = 0,915 Вес всех стенок на ширину кровельной панели - 2,4 м. Тогда нагрузка 1 м кровельной панели Вместе с настилами Пароизоляция и полимерная мембрана Снег Итого Наибольший прогиб кровельной панели в середине пролета: Момент инерции кровельной панели где h - высота фрагмента панели, включающая настилы; h1 - без настилов. Получаются следующие значения для фрагментов от карниза к коньку: Моменты инерции и жесткости кровельной панели для фрагментов от карниза к коньку: Максимальный прогиб кровельной панели в середине пролета определяется как сумма прогибов от раздельного загружения ее фрагментов. Для каждого фрагмента определяется 2 прогиба: f1 - от загружения панели длиной l1 , включающей фрагмент, и f2 - от загружения панели длиной l2 - без фрагмента. Разность прогибов определяет прогиб в середине пролета от нагружения фрагмента. Сумма таких разностей определяет прогиб кровельной панели переменной жесткости в середине пролета. Фрагмент 1: / Fragment 1: l1, м /m l2, м / m l1, м / m l2, м / m l1, м / m l2, м / m l1, м / m l2, м / m l1, м / m l2, м / m l1, м / m l2, м / m 30 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 f1 = 0,146 f2 = 0,0704 f1 = 0,0613 f2 = 0,0251 f1 = 0,0270 f2 = f1 = f2 = f1 = 0,00242 f2 = 0,00015 f1= 0,000151 f2 = 0 Сумма величин (f1 - f2) определяет прогиб кровельной панели в середине пролета f = 0,139 м. Предельно допустимый прогиб 0,150 м. Жесткость кровельной панели достаточна. Инженерный расчет дает лишь ориентировочную оценку несущей способности конструкции, однако требуется дополнительное моделирование всех факторов, влияющих на работу сооружения, включая сложное распределение внутренних усилий, учет узлового сопряжения и возможные концентрации напряжений. Численный расчет проведен в расчетном программном комплексе ПК Lira. Сложное напряженно-деформированное состояние деревянного покрытия-настила пролетом 24,0 м отражено в виде мозаик усилий, напряжений и перемещений на рис. 2-5. Рис. 2 Мозаика нормальных напряжений, Ny И с т о ч н и к: выполнено Д.А. Чибрикиным Figure 2. Mosaic of normal stresses, Ny S o u r c e: made by D.A. Chibrikin Рис. 3. Мозаика изгибающих моментов, Mх И с т о ч н и к: выполнено Д.А. Чибрикиным Figure 3. Mosaic of bending moments, Mx S o u r c e: made by D.A. Chibrikin Рис. 4. Мозаика поперечных усилий, Qх И с т о ч н и к: выполнено Д.А. Чибрикиным Figure 4. Mosaic of transverse forces, Qx S o u r c e: made by D.A. Chibrikin Рис. 5. Мозаика вертикальных перемещений, z И с т о ч н и к: выполнено Д.А. Чибрикиным Figure 5. Mosaic of vertical movements, z S o u r c e: made by D.A. Chibrikin Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о хорошей сходимости численного расчета и инженерного метода расчета. Разница при расчете по 2-й группе предельных состояний перемещения составила 13 %. 4. Заключение Представленные результаты исследования показали следующее: - деревянное покрытие-настил представляет собой эффективное решение для промышленных зданий с пролетами 24 и 30 м; - разработанное деревянное покрытие обеспечивает теплоизоляцию, что особенно важно для промышленных зданий, где требуется поддержание стабильной температуры внутри помещения; - поперечные стенки создают дополнительные воздушные камеры, которые действуют как теплоизоляторы, уменьшая теплопотери через крышу. Это поможет сократить затраты на отопление зимой и охлаждение летом. Следует отметить следующее: 1. Деревянное перекрытие просто в изготовлении. Шарнирное крепление панелей на подстропильные балки упрощает процесс сборки крыши, сокращая время и трудозатраты на установку. Использование стандартных размеров панелей (2,4 × 24 м) позволяет оптимизировать производство и минимизировать отходы материалов. 2. Правильно обработанная древесина устойчива к влаге, гниению и насекомым-вредителям, что продлевает срок службы конструкции. При необходимости, в случае повреждения, отдельные элементы кровли можно легко заменить, не затрагивая всю систему покрытия. Применение современных технологий и инженерных решений позволяет создать надежную и долговечную конструкцию, которая соответствует всем требованиям безопасности и функциональности. Предлагаемая конструкция применима не только для промышленных, но в подходящих случаях и для гражданских зданий.

About the authors

Ivan I. Shishov

Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolai Grigoryevich Stoletovs

Email: ivshish1938@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-9621-7196

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, Institute of Аrchitecture, Civil Engineering and Energy

87 Gorky St, Vladimir, 600000, Russian Federation

Anastasia V. Lukina

Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolai Grigoryevich Stoletovs

Author for correspondence.
Email: pismo.33@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6065-678X
SPIN-code: 8745-0004

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, Institute of Аrchitecture, Civil Engineering and Energy

87 Gorky St, Vladimir, 600000, Russian Federation

Mikhail S. Lisyatnikov

Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolai Grigoryevich Stoletovs

Email: mlisyatnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5262-6609
SPIN-code: 4089-7216

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, Institute of Аrchitecture, Civil Engineering and Energy

87 Gorky St, Vladimir, 600000, Russian Federation

Danila A. Chibrikin

Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolai Grigoryevich Stoletovs

Email: dachibrikin@outlook.com
ORCID iD: 0000-0001-9278-4559
SPIN-code: 1809-6997

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, Institute of Аrchitecture, Civil Engineering and Energy

87 Gorky St, Vladimir, 600000, Russian Federation

References

Supplementary files