РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БЕСКАРКАСНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗЕРНОХРАНИЛИЩ ТЕХНОЛОГИИ ZEMAN, АВСТРИЯ

Макеев С.А.¹, Краснощеков С.А.²

¹ORCID:0000-0002-2915-982X, доктор технических наук, ²ORCID: 0000-0002-6695-1648, доктор технических наук,

Сибирский автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)

РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БЕСКАРКАСНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗЕРНОХРАНИЛИЩ ТЕХНОЛОГИИ ZEMAN, АВСТРИЯ

Аннотация

Приведены результаты автоматизированного расчета в авторском программном комплексе «АРКА», реализованном в общедоступном табличном процессоре MS Excel, цилиндрического бескаркасного покрытия сооружений хранения урожая зерновых культур пролетом 18 м со стрелой 6 м на базе тонкостенного арочного проката трапециевидного сечения по технологии группы компаний Zeman (Австрия). Расчет выполнен для III снегового климатического района, II ветрового климатического района (г. Омск). В соответствие с СП 20.13330.16 рассмотрены два варианта действия снеговой нагрузки. В результате расчета получены коэффициент использования  несущей способности по первой группе предельных состояний. ПК «АРКА» позволяет в диалоговом режиме оперативно выполнять вариантные расчеты несущей способности цилиндрических бескаркасных покрытий зернохранилищ на базе тонкостенного арочного проката трапециевидного сечения технологии группы компаний Zeman (Австрия) в любом районе строительства.

Ключевые слова: бескаркасный, хранение урожая зерна, зернохранилище, арочный тонкостенный прокат, несущая способность.

Makeev S.A.¹, Krasnoshchekov S.A.²

¹ORCID:0000-0002-2915-982X, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0002-6695-1648, PhD in Engineering,

Siberian State Automobile and Highway Academy (SibADI)

CALCULATION OF CARRYING CAPACITY OF UNIVERSAL RIBLESS GRANARY OF ZEMAN TECHNOLOGY, AUSTRIA

Abstract

The article presents the results of automated calculation of cylindrical frameless covering the storage facilities of grain crops by a span of 18 m with an arrow of 6 m on the basis of thin-walled arched rolled trapezoidal cross-section by the technology of the group of Zeman companies (Austria) in the author's software package "ARKA", implemented in the public MS Excel spreadsheet. The calculation was carried out for the III snow climatic region, II wind climatic region (Omsk). Two options for the action of snow load are considered in accordance with SP 20.13330.16. As a result of calculation, the coefficient of using the bearing capacity for the first group of limit states was obtained. PC "ARKA" allows to perform optional calculations of load-bearing capacity of cylindrical frameless coatings of granaries based on the thin-walled arch trapezoidal cross-section technology of the Zeman group of companies (Austria) in any area of construction in on-line mode.

Keywords: ribless, grain storage, granary, arched thin-walled rolling, bearing capacity.

В мировой практике строительства объектов для временного и постоянного хранения урожая зерновых культур все большее применение находят бескаркасные быстровозводимые зернохранилища, отличающиеся своей экономичностью и малыми сроками строительства. Для реализации цилиндрической формы покрытия таких сооружений  в основном используют два типа ограждающих конструкций из тонкостенного арочного проката трапециевидного или корытообразного профиля:

- профили производства и технологии MIC-120, 140 (США) и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова  [1, С. 2], [2. C. 10];

- профили производства и технологии группы компаний  Zeman, Австрия [3, С. 13].

Обе технологии в качестве сырья использует рулонный листовой прокат из оцинкованной стали толщиной от 0,6 до 1,5 мм с односторонним или двусторонним полимерным покрытием по каталогу цветов RAL.

При этом обе технологии предполагают производство профилей, как стационарном прокатном оборудовании собственного производства, так и на мобильных профилегибочных установках, с возможностью их транспортировки к объекту строительства и выпуска требуемого проката непосредственно на стройплощадке.

Однако представленные технологии имеют принципиальные отличия.

По технологии МIС США и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова на первой стадии производят трапециевидный прямолинейный прокат корытообразного сечения. Далее прямолинейный профиль в дополнительном модуле пластически деформируют с получением арочных заготовок, которые сшивают между собой автоматизированным забортовочным  аппаратом с последующей установкой блоков в проектное положение и сшивкой их между собой (рис. 1).

Рис. 1 – Сшивка блоков по технологии МIС США и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова

 

Область применения объектов, выполненных по технологии МIС США и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова  – зернохранилища, спортивные сооружения, объекты военного назначения (рис. 2).

Рис. 2 – Примеры арочных сооружений технологии МIС США и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова

 

Одним из основных недостатков системы  МIС США и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова является принудительное создание в профиле  зон местной потери устойчивости полок и стенок профиля с введением материала профиля в пластическое состояние непосредственно при формообразовании арки (рис. 1). На этой стадии производятся множественные надломы профиля с образованием обширных зон пластического деформирования тонколистовой стали.

Именно по этой причине расчет такого типа сооружений на прочность, жесткость, устойчивость представляет значительные трудности, в виду неопределенности значений геометрических характеристик сечений профилей, которые не возможно определить теоретическим, расчетным путем.

Для определения геометрических характеристик сечений арочных профилей технологии МIС США и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова требуется проведения большого объема экспериментальных исследований на реальных профилях с разработкой методики расчета [2, С. 10].

Технология Zeman,  Австрия на первой стадии также как и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова изготавливает из листового проката прямолинейные профили трапециевидного сечения (рис. 3).

Рис. 3 – Прокат прямолинейных профилей: технология и оборудование Zeman, Австрия

 

При этом Zeman представляет также прокатное оборудование, совмещающее последовательное производство прокатом в последовательной системе роликов прямолинейных и арочных профилей в непрерывном процессе, когда на последней клети ролики принудительно смещены вниз на величину, обеспечивающую гибку при прокате с формированием арочного профиля без образования зон потери местной устойчивости полок и стенок (рис. 4).

Рис. 4 – Прокатный стан ZEMAN, совмещающий производство прямолинейного и арочного проката

 

В итоге арочный профиль производства  Zeman, Австрия имеет гладкие поверхности (рис. 5), что позволяет расчетным путем определять геометрические характеристики сечений стандартными методами сопротивления материалов.

Рис. 5 – Вид арочного профиля производства Zeman, Австрия

 

Это является неоспоримым преимуществом профилей технологии Zeman, Австрия, перед технологией МIС США и ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова.

В результате работы Российских ученых в 2006 году были выполнены расчеты геометрических характеристик сечений арочных профилей технологии Zeman, производимых в России c выпуском ТУ «Профили стальные гнутые арочные с трапециевидными гофрами» и выполнением серии экспериментальных работ, подтверждающих работоспособность данных конструкций (рис. 6)   [3, С. 13].

Рис. 6 – Вид на экспериментальный фрагмент арочного бескаркасного покрытия пролетом 18 м и стрелой 3,5 м из профиля А-Н60х1

 

На базе обобщения отечественных исследований, анализа техник и технологий расчета данных покрытий [4, С. 6], [5, C. 41], [6, C. 37], [7, C20], [8, C.38] авторами работы  предложен и реализован в MS Excel алгоритм численного интегрирования системы дифференциальных уравнений математической модели напряженно-деформированного состояния модели цилиндрического покрытия зернохранилища:

- при жестком закреплении профилей в ленточном фундаменте (рис. 7);

- при шарнирном закреплении профилей к обвязочным балкам на колоннах с устройством затяжек, компенсирующих усилия распора.

Рис. 7 – Узел соединения арочных профилей с монолитным  фундаментом зернохранилища

 

Разработанный алгоритм реализован программным комплексом (ПК) под названием «АРКА».

В качестве нагрузок при расчете цилиндрического покрытия зернохранилищ по первой и второй группам предельных состояний в ПК «АРКА» в соответствие с СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» принимаются в любом сочетании следующие (рис. 8):

- собственный вес покрытия (профиля);

- снеговая нагрузка в двух вариантах,  ветровая нагрузка в зависимости от климатического района строительства [9, С. 260], [10, C/ 500];

- сосредоточенная нормативная нагрузка 100 кг в наиболее опасном для изгиба месте конструкции.

В данной статье в качестве примера выполнен статический расчет покрытия зернохранилища бескаркасной конструкции на базе арочных профилей ZEMAN [2, C. 13], пролетом 18 м, высотой стрелы 6 м, район строительства г. Омск.

В соответствие с СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» выполнен расчет снеговых, ветровых нагрузок на сооружение, данные заведены в ПК «АРКА», выполнены вариантные статические расчеты с подбором необходимого профиля из сортамента арочных профилей ZEMAN (рис. 8, 9).

В ПК «АРКА» расчеты выполняются в соответствие с СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».

 

Рис. 8 – Фрагмент расчетного листа ПК «АРКА» с загружением собственным весом, ветром, сосредоточенной силой 100 кг, снегом 2

Рис. 9 – Результаты расчета в ПК «АРКА» с загружением собственным весом, ветром, сосредоточенной силой 100 кг, снегом 2 (эпюры поперечных, продольных сил, изгибающих моментов и прогибов, коэффициенты использования несущей способности по нормальным напряжениям и по жесткости)

 

В процессе расчета ПК «АРКА» в автоматическом режиме строит эпюры поперечных и продольных сил, изгибающих моментов и прогибов исходя из расчета профиля метровой ширины (рис. 9).

В результате вариантных расчетов предложенной в качестве примера расчета конструкции покрытия принят профиль А-Н107х1,5 с получением расчетного значения коэффициента использования несущей способности профиля по нормальным напряжениям 0,926 (запас прочности 7 %, первая группа предельных состояний) и незначительным дефицитом по второй группе предельных состояний: максимальный прогиб покрытия 92,8 мм при допустимом значении 18000/200 = 90 мм.

Таким образом, предложен алгоритм и реализован программным комплексом «АРКА» в MS Excel расчета несущей способности цилиндрического бескаркасного покрытия объектов кратковременного и длительного хранения урожая зерновых культур на базе тонкостенного арочного проката трапециевидного сечения технологии Zeman, Австрия. ПК позволяет в диалоговом режиме выполнять вариантные расчеты несущей способности покрытия по первой и второй группам предельных состояний, искать оптимальные решения. Приведен реальный пример расчета покрытия зернохранилища пролетом 18 м со стрелой 6 м на базе арочного профиля А-Н107х1,5.

Список литературы / References

1. Еремеев П.Г. К проектированию бескаркасных конструкций арочных сводов из холодногнутых тонколистовых стальных профилей / П.Г. Еремеев, Д.Б.Киселев, М.Ю. Арменский // Монтажные и специальные работы в строительстве. – 2004. – № 7. – С. 2-3.
2. Еремеев П.Г. Натурные испытания фрагментов панелей из холодногнутых тонколистовых стальных профилей для арочных сводов / П.Г. Еремеев, Д.Б. Киселев, М.Ю.Арменский // Монтажные и специальные работы в строительстве. – 2004. – № 9. – С. 10-13.
3. ТУ 1112-001-49529858-2005. Профили стальные гнутые арочные с трапециевидными гофрами. Технические условия. – Введ. 2005-12-10. – Новосибирск: Изд-во СибНИИстрой, 2005. –18 с.
4. Макеев С.А. Математическая модель бескаркасного двухслойного арочного свода из холодногнутых тонколистовых стальных профилей / С.А. Макеев, А.В. Рудак // Строительная механика и расчет сооружений. – 2009. – № 2. – С. 2—6.
5. Красотина Л.В. Использование арочного профнастила при реконструкции зданий / Л.В. Красотина, Ю.В. Краснощеков, Ю.М. Мосенкис // Вестник СибАДИ. – № 4 (14). – 2009. – С. 41-45.
6. Макеев, С. А. Численный анализ прочности и местной устойчивости арочных профилей трапециевидного сечения с учетом остаточных напряжений продольного гиба / С. А. Макеев,Н. А. Гришаев // Строительная механика и расчет сооружений. – 2010. – № 2. – С. 37-40.
7. Макеев С.А. Методы расчета и испытаний легких ограждающих конструкций: Монография / С.А. Макеев, Ю.В. Краснощеков, Л.В. Красотина и др. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. – 124 с.
8. Красотина Л.В. Результаты экспериментального поведения несущего арочного покрытия из трапециевидного профиля / Л.В. Красотина, Ю.В. Краснощеков, С.А. Макеев, А.В. Селиванов // Омский научный вестник. – 2007. – № 2 (56). – С. 38-42.
9. Пат. 2455622 Российская Федерация: МПК G 01L 1/06 (2006.01): Способ определения остаточных напряжений [Текст] / Макеев С.А., Кузьмин Д.А., Гришаев Н.А.; заявитель и обладатель СибАДИ. – № 2011105715/28; заявл. 15.02.2011; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19. – 4 с.
10. Горев В.В. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий / В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов. – М.: Высш. Шк., 2002. – 258 с. ISBN 5-06-003696-0
11. Кудишин Ю.И. Металлические конструкции / Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева. – М. : Издательский центр «Академия», 2011. – 688 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Eremeev P.G. K proektirovaniju beskarkasnyh konstrukcij arochnyh svodov iz holodnognutyh tonkolistovyh stal'nyh profilej [On Design of Frameless Constructions of Arch Arches from Cold-formed Thin Sheet Steel Profiles] / P.G. Eremeev, D.B. Kiselev, M.Ju. Armenskij // Assembly and special works in construction. – 2004. – No. 7. – P. 2-3. [in Russian]
2. Eremeev P.G. Naturnye ispytanija fragmentov panelej iz holodnognutyh tonkolistovyh stal'nyh profilej dlja arochnyh svodov [Full-scale Tests of Fragments of Panels from Cold-bent Sheet Steel Profiles for Arched Vaults] / P.G. Eremeev, D.B. Kiselev, M.Ju. Armenskij // Assembly and special works in construction. – 2004. – No. 9. – P. 10-13. [in Russian]
3. TC 1112-001-49529858-2005. Profili stal'nye gnutye arochnye s trapecievidnymi goframi. Tehnicheskie uslovija [Steel Curved Arched Profiles with Trapezoidal Corrugations. Technical Conditions]. – Accepted 2005-12-10. – Novosibirsk: Izd-vo SibNIIstroj, 2005. – 18 p. [in Russian]
4. Makeev S.A. Matematicheskaja model' beskarkasnogo dvuhslojnogo arochnogo svoda iz holodnognutyh tonkolistovyh stal'nyh profilej [Mathematical Model of Frameless Two-layer Arch of Cold-formed Thin Sheet Steel Profiles] / S.A. Makeev, A.V. Rudak // Construction mechanics and calculation of structures. – 2009. – No. 2. – P. 2-6. [in Russian]
5. Krasotina L.V. Ispol'zovanie arochnogo profnastila pri rekonstrukcii zdanij [Use of Arched Corrugated Board during Reconstruction of Buildings] / L.V. Krasotina, Ju.V. Krasnoshhekov, Ju.M. Mosenkis // Bulletin of SibADI. – No. 4 (14). – 2009. – P. 41-45. [in Russian]
6. Makeev S.A. Chislennyj analiz prochnosti i mestnoj ustojchivosti arochnyh profilej trapecievidnogo sechenija s uchetom ostatochnyh naprjazhenij prodol'nogo giba [Numerical Analysis of Strength and Local Stability of Arched Profiles of Trapezoidal Cross-section with Allowance for Residual Stresses of Longitudinal Bending] / S.A. Makeev, N.A. Grishaev // Construction mechanics and calculation of structures. – 2010. – No. 2. – P. 37-40. [in Russian]
7. Makeev S.A. Metody rascheta i ispytanij legkih ograzhdajushhih konstrukcij: Monografija [Methods for Calculating and Testing Lightweight Enclosing Structures: Monograph] / S.A. Makeev, Ju.V. Krasnoshhekov, L.V. Krasotina et al. – Omsk: Izd-vo OmGTU, 2016. – 124 p. [in Russian]
8. Krasotina L.V. Rezul'taty jeksperimental'nogo povedenija nesushhego arochnogo pokrytija iz trapecievidnogo profilja [Results of Experimental Behavior of Bearing Arch Cover from Trapezoidal Profile] / L.V. Krasotina, Ju.V. Krasnoshhekov, S.A. Makeev, A.V. Selivanov // Omsk scientific bulletin – 2007. – No. 2 (56). – P. 38-42. [in Russian]
9. Pat. 2455622 Russian Federation: MPK G 01L 1/06 (2006.01): Sposob opredelenija ostatochnyh naprjazhenij [Tekst] [Method for Determination of Residual Stresses [Text]]/ S.A. Makeev, D.A. Kuz'min, N.A. Grishaev; the applicant and the patentee SibADI. – No. 2011105715/28; appl. 15.02.2011; publ. 10.07.2012, Bul. No. 19. – 4 p. [in Russian]
10. Gorev V.V. Metallicheskie konstrukcii. V 3 t. T. 2. Konstrukcii zdanij [Metal Constructions. In 3 Vol. V. 2. Constructions of Buildings] / V.V. Gorev, B.Ju. Uvarov, V.V. Filippov. – M.: Vyssh. Shk., 2002. – 258 p. ISBN 5-06-003696-0[in Russian]
11. Kudishin Ju.I. Metallicheskie konstrukcii [Metal Constructions] / Ju.I. Kudishin, E.I. Belenja, V.S. Ignat'eva. – M.: Izdatel'skij centr «Akademija», 2011. – 688 p. [in Russian]