Применение LVL-бруса в стропильных системах



В настоящее время в Российской Федерации наблюдается спад строительства из-за тяжелой экономической ситуации. Анализ и свод информации для проектирования и строительства домов, показал, что есть возможность улучшения качества строительства, а путем введения новых технологий и материалов, что позволит сократить затраты, а следовательно, сделать строительство более эффективным в данной экономической ситуации. [1]

Работа посвящена изучению ЛВЛ-бруса, в частности, балок, на примере ферм стропильной системы. За объект для расчетов взято здание Военной академия связи имени С. М. Будённого, реконструированное в 2014 году. В работе рассмотрены положительные и отрицательные характеристики ЛВЛ-балок, рассмотрены различные узлы, а также их архитектура.

ЛВЛ появился в России относительно недавно, и пока не получил широкого применения. ЛВЛ является одной из разновидностей клееного бруса, который уже нашел применение в России в сооружении большепролетных конструкций. Обычный брус, больше 6 метров, изготавливают только по специальному заказу, а клееный можно сделать практически любой длины, но усложняется транспортировка. Также одной из разновидностью клееного бруса является гнутоклееный брус который, используется в современном строительстве для придания замысловатых сложных архитектурных форм конструкции. В частности, это загородные индивидуальные дома, спортивные центры и галереи. Одним из примеров использования таких конструкций выступает построенный недавно в Санкт-Петербурге аквапарк Питерленд, с самым большим куполом аквапарка в Европе (Рис 1).

Рис. 1. Купол аквапарка

Диаметр купола 90 метров, высота 45 метров. Высота балки у основания достигает 2-х метров. (Рис 2) Такую конструкцию невозможно было выполнить из цельного дерева.

Рис. 2. Опора купола

Помещение аквапарка находится в постоянных условиях повышенной влажности и из-за, этого металлические конструкции подвержены коррозии, поэтому вариант с клееным брусом был самый оптимальный. Данная конструкция покрыта специальной пленкой, повышенной прочности, по ней даже машина может ездить и она не порвется (но ножом проколоть можно), каждое окно состоит из трех слоев пленки: два слоя прозрачные, при чем настолько прозрачны, что их и не видно, а один слой с узорами листочков клена, чтобы свет рассеивался. Эта пленка имеет уникальные свойства: помимо того, что она ничего не весит, она отталкивает воду, пыль, снег, замечательно держит тепло, она еще и пропускает ультрафиолетовые лучи, благодаря чему, находясь в аквапарке, в любое время года можно загорать. Из стекла и металла подобная конструкция весила в несколько раз больше.

Сама форма купола более сложна по сравнению с обычным пролетом. Проектирование фабрик и ангаров с большими пролетами поставлено на поток, и не составляет большого труда. Но в таких конструкциях крыша выполнена из металлического профильного листа, а он непрозрачный что требовалось в аквапарке для естественного освещения. Стекло необходимой прочности для удержания снеговой нагрузки имело бы в десятки раз больший вес по сравнению с металлом. И для использования аквапарка зимой пришлось бы ежедневно очищать крышу от снега, что достаточно опасно и затратно. Поэтому проектировщики выбрали форму купола, благодаря которой снег не скапливается на поверхности, а также пленку, которая очень мало весит.

Благодаря данной концепции купол получился легким и воздушным. В то же время он сделан очень прочным, чтобы противостоять сильным ветрам с моря. Воздушная прослойка между слоями пленки хорошо удерживает тепло. А так же пленка не подвержена воздействию воды. В целом архитекторы выбрали наиболее удачный вариант, по моему мнению.

Постановка цели и задачи

Решаемой задачей является проведение расчетов в различных конфигурациях и с различными материалами конструкции:

1. Выявление преимуществ и недостатков материала ЛВЛ-балок и древесины
2. Выбор наиболее экономически выгодной схемы конструкции.

В работе использованы наиболее популярные материалы и их рыночные стоимости на 2016 год для последующего проведения анализа экономической эффективности.

Для расчетов будем использовать Систему автоматизированного проектирования (САПР) Autodesk Robot structural analysis professional, ранее мной не использованную и не изучаемую в нашем вузе.

Знакомство с программным комплексом Autodesk Robot structural

В нашем университете преподаются две программы для произведения расчетов, это SCAD office и ANSYS.

SCAD office изучался достаточно подробно и длительное время, но программа долгое время не обновлялась под современные компьютеры, имела устаревший интерфейс, замедляющий работу в ней. В целом даже масштабные расчеты в МКЭ выполняла достаточно хорошо, но медленно, но бывали и случаи ошибок в самых простых балках и рамах. Вызвано это плохой оптимизацией и поддержкой, современные многоядерные процессоры могут обрабатывать намного быстрее, но SCAD не использует их потенциал. Главным плюсом является наличие Российских ГОСТов и СНиПов. [5-6]

ANSYS- ему было уделено намного меньше времени, в России не так популярен и используется мало, но в целом показал себя хорошо. Намного лучше использует вычислительные мощности компьютера за счет специализированной связи с графическим ядром NVIDIA. Графический процессор построен по другому принципу в отличие от центрального процессора, в нем содержится в 1000 раз большее число ядер но, с меньшей мощностью, что позволяет производить многопоточные вычисления параллельно в разных ядрах а, не по очереди как это делается в ЦП. Если говорит более простым языком-то для модели в МКЭ с 1000 узлами видеокарта будет обрабатывать каждый узел на своем ядре параллельно от других, а центральный процессор поочередно. Конечно, производительности в 1000 раз мы не получим, так как узлы зависимы друг от друга и необходимо обмениваться данными между собой, но получить выигрыш в 2-4 раза возможно (Рис 3) [7-11]

Рис. 3. Диаграмма вычислительной мощности

Я решил изучить новую программу от самого именитого производителя программного обеспечения для инженеров от компании Autodesk. Классический AutoCAD, Revit, Civil 3D используются повсеместно, и хорошо связываются между собой и очень удобны при проектировании, но переносить модели из них в другие комплексы не очень практично и в процессе возникает много ошибок, так как компании конкуренты не хотят сотрудничать в плане взаимодействия. Поэтому я решил выбрать Autodesk Robot structural, который должен хорошо подойти для этих задач. К тому же Autodeck еще лучше взаимодействует с NVIDIA в вопросе многопоточных вычислений. [12]

Интерфейс напоминает смесь AutoCAD-а и ANSYS-а, также сгруппированы элементы (балки, колонны, узлы), аналогичная таблица со свойствами элемента, а добавление элементов взято из CIVIL 3D. Человеку, легко обращающемуся с AutoCAD, не составит труда разобраться и сразу перейти к работе. На выбор дается множество шаблонов для создания расчетной модели (Рис 4).

Рис. 4. Выбор типа расчетной модели

Построение расчетной модели, расчеты.

За объект для расчетов возьмем здание Военнаой академи связи имени С. М. Будённого, в частности, главный корпус с односкатной стропильной системой. Возьмем чертежи из готового проекта. (Рис 5)

Рис. 5. Разрез 1-1

Как мы видим основная стропильная нога состоит из двух смежных досок 150х50мм, такое сечение было выбрано компанией застройщиком, по их мнению, оно универсальное и используется во многих проектах. Это отчасти правда так как в такое сечение удобно крепить подкос. Стойки выполнены из бруса 150х150мм. (Рис 6, Рис 7, Рис 8)

Рис. 6. Ферма конструкции

Рис. 7. Ферма конструкции

Рис. 8. Узел 1

Построение модели в Robot-е стандартное и не вызывает трудностей. Шаг 1 метр. За расчетную нагрузку включая, вес листового железа и обрешетки возьмем усреднено 250 кг/м. Распределим ее по стропильной ноге и зная что конструкция и так выдерживает данный вес перейдем к расчетам по второму предельному состоянию, то есть к прогибам. Рис 9

Рис. 9. 1-я расчетная схема

Как мы видим, максимальный прогиб составляет 23мм, расстояние между этими балками 5800мм, допустимый прогиб в стропильной ноге 1\200 что составляет 29мм, расчеты верны и удовлетворяют требованиям.

Теперь заменим стропильную ногу на двутавровую балку. Возьмем одно из наименьших сечений 300W (Рис 10), и произведем расчеты (Рис 11)

Рис. 10. Сечение балки

Рис. 11. 2-я расчетная схема

Максимальный прогиб составил 7,7 мм что в 3 раза меньше допустимого. Теперь увеличим нагрузку в 3,5 раза до 800кг\м и выясним, выдержит ли конструкция. (Рис 12)

Рис. 12. 3-я расчетная схема

Максимальный прогиб составил 24,6 мм что в пределах нормы. Теперь, изменим конструкцию убрав лишние опоры и изменим сечение на максимальное 500мм высотой. Расчеты выполним стандартной нагрузкой в 250кг\м (Рис 13)

Рис. 13. 4-я расчетная схема

Данная расчетная модель удовлетворяет всем требованиям и позволяет сэкономить на расходе древесины на стойках.

Заключение

Расчеты показывают что ЛВЛ-брус хорошо справляется с поставленной задачей перекрытия больших пролетов.

1) Главным преимуществом ЛВЛ-бруса является большая несущая способность. Из этого вытекают другие положительные качества, такие как:

– экономия строительного материала.

– уменьшение трудозатрат на возведение, транспортировку, складирование и прочее.

– увеличение скорости строительства

2) Оптимальное экономически выгодное решение, увеличение шага до 2-3 метров, что сэкономит расход материала и время возведения в разы, либо изменение геометрии для получения более эффективного результата.

Программный комплекс AutodeskRobotstructuralanalysisprofessional справился с поставленной задачей.

Литература:

1. Социально-экономические итоги развития России в 2015 г. Аналитическая справка // Центр научной политической мысли и идеологии. URL: http://rusrand.ru/analytics/socialno-ekonomicheskie-itogi-razvitiya-rossii-v-2015-g-analiticheskaya-spravka (дата обращения: 10.05.2016).
2. ЛВЛ-Брус // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ЛВЛ-Брус (дата обращения: 10.05.2016).
3. Фурман Е.И. Деревянные клееные конструкции: в тренде всерьез и надо // АРДИС. — 2014. — № 57. — С. 10.
4. Питреленд // SkyscraperCity. URL: http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=441474&page=3 (дата обращения: 10.05.2016).
5. Scad // Scadsoft. URL: http://scadsoft.com/ (дата обращения: 10.05.2016).
6. Карпиловский В.С. SCAD. Реализация СНиП проектирующих программах. — Киев: Компас, 2001. — 180 с.
7. Ansys // Ansys. URL: http://www.ansys.com/ (дата обращения: 10.05.2016).
8. Ускорение расчетов в ANSYS Fluent с графическими процессорами NVIDIA // Ansys. URL: http://cae-expert.ru/articles/uskorenie-raschetov-v-ansys-fluent-s-graficheskimi-processorami-nvidia (дата обращения: 10.05.2016).
9. ANSYS // NVIDIA. URL: http://www.nvidia.ru/object/tesla-ansys-accelerations-ru.html (дата обращения: 10.05.2016).
10. Параллельные_вычисления // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Параллельные_вычисления (дата обращения: 10.05.2016).
11. ACCELERATING MECHANICAL SOLUTIONS WITH GPUs // Nvidia. URL: https://www.nvidia.com/content/tesla/pdf/aa-v7-i3-accelerating-mechanical-solutions-with-gpus.pdf (дата обращения: 10.05.2016).
12. Quadro // Nvidia. URL: http://www.nvidia.ru/object/autodesk-design-suite-ru.html#myTabListID=0 (дата обращения: 10.05.2016).
13. Белов Н.В. Полный справочник проектировщика. — Минс: Харвест, 2011. — 480 с.
14. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. — М.: Пожарная безопасность и наука, 2001. — 382 с.
15. Воротынцев В.А . Каркасное перекрытие из деревянных балок // . — 2014. — № . — С. 40.
16. Мосалков И.Л. Огнестойкость строительных конструкций. — М.: СПЕЦТЕХНИКА, 2001. — 496 с.
17. Ватин Н.И., Горшков А.С., Немова Д.В. Энергоэффективность ограждающих конструкций при капитальном ремонте // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2013. — № № 3 (8). . — С. 1-11.
18. Барашков Ю. А. Деревянные клееные конструкции. — М.: Знание, 1982. — 62 с.
19. Симонов Е. В. . Большая книга строительства и ремонта. — СПб.: Питер, 2010. — 416 с.
20. Laminated veneer lumber (LVL) -- Specifications // ISO. URL: http://www.iso.org/iso/catalogue_detail.htm?csnumber=38869 (дата обращения: 10.05.2016).
21. Laminated veneer lumber -- Measurement of dimensions and shape -- Method of test // ISO. URL: http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=44225 (дата обращения: 10.05.2016).
22. Engineered Wood Products // wood-works. URL: http://wood-works.ca/wp-content/uploads/2013/12/ShrinkageFloor-Systems-EngineeredWoodProducts.pdf (дата обращения: 10.05.2016).
23. Карлсен Г.Г. Конструкции из дерева и пластмасс. — М.: Стройиздат, 1986. — 543 с.