Анализ строительных решений фермерских теплиц круглогодового использования

Одним из возможных направлений фермерской деятельности является круглогодовое выращивание в теплицах овощей, необходимых для качественного питания населения. Для фермерских хозяйств изготовителями выпускаются ангарные (однопролётные) и блочные (многопролётные) теплицы круглогодового использования со стальным каркасом (рис. 1).

Рисунок 1 – Общий вид ангарной и блочной теплицы

Однако, поставка и шеф-монтаж теплиц заводского изготовления требуют значительных начальных затрат, от 8 до 15 тысяч руб./м2 в зависимости от конструктивных решений и площади сооружения [5,10]. Также, по информационным данным фермерские теплицы круглогодового использования производятся в немногих регионах РФ. Поэтому их приобретение фермерами других областей является проблематичным и значительно увеличивает стоимость строительства в связи с транспортными расходами. Указанные факторы могут обусловить нецелесообразность строительства теплицы с точки зрения её окупаемости. В связи с этим экономически приемлемым решением является изготовление теплиц в построечных условиях, позволяющее примерно в 3 раза сократить единовременные затраты на строительство и не требующее специального оборудования.

Цель исследования заключалась в анализе и обосновании строительных решений фермерских теплиц, установлении закономерностей расхода стали на элементы каркаса теплицы. Изготовление и монтаж которого можно осуществить в построечных условиях собственными силами.

Обобщение строительных решений выпускаемых фермерских зимних теплиц

Рисунок 2 – Схемы поперечных разрезов выпускаемых теплиц а,б – блочные; в,г,д – ангарные ( в – арочная, г,д – с прямолинейными скатами)

Ограждающие конструкции теплиц предусматриваются с использованием стекла или полимерных материалов, двухслойными или однослойными (табл. 1).

Таблица 1 – Характеристики светопрозрачных материалов и изделий, применяемых в ограждающих конструкциях теплиц

Характеристика материала, изделия	Одинарное стекло 4мм	Двойное остекление	Однокамерный стеклопакет	Сотовый поликарбонат толщиной
				10 мм	16мм
Масса, кг/м2	10	20	20	1,7	2,7
Светопропускание, %	90	80	80	80	76
Сопротивление теплопередаче,м2 0С/Вт	0,005	0,34	0,34	0,29	0,42
Примерная стоимость, руб/м2	340	680	1040	290	630
Горючесть	Не горючее	Не горючее	Не горючий	Слабогорючий
Долговечность, год	*	*	*	10 – 20	10-20
Сопротивление ударным воздействиям	Слабое	Слабое	Слабое	Хорошее
Размеры, м				2,1х6 ; 2,1х12
Коэффициент линейного теплового расширения, оС-1				6,5 ⋅ 10-5

* Долговечность стекла в ограждающих конструкциях теплиц является неопределённой в связи с его хрупкостью и, как следствие, возможным разрушением ограждения при деформациях каркаса, снегопадах (из-за образования снеговых мешков в ендовах блочных теплиц или отключении отопления) и граде (особенно в южных районах РФ). В теплицах ежегодно заменяется примерно 1-2% стеклянного ограждения из-за боя стекла

Анализ светопрозрачных ограждающих конструкций теплиц (табл. 1) показал, что для обеспечения экономии энергозатрат на отопление их следует предусматривать из сотовых поликарбонатных листов. Поликарбонат не следует применять в покрытии блочных теплиц из-за возможности образования снеговых мешков между «зубцами» кровли во время снегопада и разрушения покрытия. В ангарных теплицах обеспечивается самоудаление (сползание) снега с покрытия теплицы вследствие его подтаивании на границе «покрытие – снег», то есть когда температура этого слоя достигает 0оС. Ранее установлено, что для самоудаления снега с полимерной кровли уклон покрытия должен быть не менее 18о[1].

Снеговая нагрузка. С допущением рассматривая процесс теплопередачи через покрытие как стационарный, можно приближённо определить толщину слоя сухого снега на теплице, обеспечивающую под ним эту температуру

5СН сн

ГП     ^

< „ — + R nK

I I “ в       )

^) 4 ^а н ) t_e

где t н – температура наружного воздуха, принятая -15^оС (снегопады обычно происходят при более высоких температурах [7];снегопадом считается выпадение осадков с высотой слоя не менее 10см); α в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности равный 8,7 Вт/(м²°С) [8]; t в – требуемая минимальная температура внутреннего воздуха по НТП 10-95, равная 18°C[4]; α Н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности (снега), принятый равным 23Вт/(м²°С); R ПК – термическое сопротивление ограждающей конструкции, равное 0,42 м^{2 0}С/Вт для поликарбонатных листов толщиной 16 мм; λ сн – коэффициент теплопроводности снега на покрытии, 0,116Вт/м ^оС при плотности снега до 150кг/м³ [3].

В соответствии с (1) подтаивание снега на покрытии теплицы может начаться при толщине слоя снега около 5см. Так как плотность свежевыпавшего сухого снега не превышает 150кг/м3[7], то нагрузка на покрытие составит примерно 7 кгс/м2. Полученные результаты показывают, что снеговую нагрузку на теплицы круглогодового использования логично определять из условия максимального выпадения осадков в течение одного снегопада в рассматриваемом регионе.

Конструктивная схема теплицы. Сравнение различных видов выпускаемых теплиц, зарубежный опыт показали, что с точки зрения освещённости, урожайности и энергозатрат для фермерских хозяйств наиболее приемлемы ангарные теплицы. Площадь её застройки из условия возможности проведения работ не должна превышать 500м2. Конструктивная схема теплицы приведена на рисунке 3. Стальной каркас теплицы состоит из поперечных рам и прогонов и может быть изготовлен в построечных условиях из прокатных и гнутых швеллеров с соединением узлов на сварке, что значительно снизит стоимость строительства по сравнению с заводской поставкой.

Рисунок 3 – Конструктивная схема и основные строительные параметры ангарной теплицы

1 – фундамент, 2 – рама сплошного или сквозного сечения, 3 – прогон

Рациональный пролёт теплицы. Рациональный пролёт ангарной теплицы устанавливался из условия минимума энергозатрат в зимний период по коэффициенту ограждения, представляющего собой отношение площади ограждающих конструкций к площади теплицы. Для ангарной равноскатной теплицы (рис. 3) коэффициент ограждения равен:

2 h k = — +

L

1    2 h   L

--1---1--tga cosa  A  2 A

где h- высота продольного вертикального ограждения, LиA – соответственно ширина (пролёт) и длина теплицы; α – угол наклона скатов кровли, равный 30о.

Площадь теплицы ( F ), которую реально в состоянии обрабатывать члены фермерского хозяйства, не должна превышать 500м², то есть F = L х A =500 м².Откуда

500 А =

L

Подставив в формулу (2) значение длины теплицы по (3), получим следующее выражение для коэффициента ограждения

2h k = — +

L

hL   L ²

+--+--

cos a 250  1000

tg a

Продифференцировав (4) по L , приравняв производную нулю и подставив значения α = 30^о и h = 1,5м[6] , получим следующее кубическое уравнение

0,577 L ³ + 3 L ² – 1500 = 0                            (5)

Из уравнения (5) следует, что рациональное значение пролёта L опт = 12 м.

Рациональные строительные параметры каркаса. Для определения рациональных строительных параметров каркаса теплицы устанавливались зависимости расхода стали на 1м2 теплицы для прогонов покрытия и рам каркаса.

Поликарбонатные листы должны укладываться по прогонам покрытия. Известно, что прогоны из гнутых профилей экономичнее прокатных. В таблице 2 приведена выборка профилей из ГОСТ8278-83 « Швеллеры стальные гнутые равнополочные», которые могут быть использованы в покрытии теплиц.

Таблица 2 – Характеристики прогонов из гнутых швеллеров

№ п.п	Размеры профилей, мм	Момент инерции, см4	Момент сопротивления, см3	Масса 1м, кг
1	60х50х3	26,85	8,95	3,50
2	70х50х3	38,23	10,92	3,73
3	80х60х3	61,30	15,32	4,46
4	100х50х3	87,88	15,57	4,47
5	100х60х3	111,99	20,40	4,93
6	120х50х3	133,77	22,29	4,91
7	140х60х3	220,97	31,57	5,85
8	145х65х3	255,04	35,18	6,20
9	160х60х3	302,54	37,82	6,32
10	160х80х3	376,50	47,06	7,26

Для приведенных в таблице 2 профилей существует прямолинейная зависимость между массой 1м ( G ) и моментом инерции сечения I , которая аппроксимируется линейным корреляционным уравнением (6), для которого коэффициент корреляции r = 0,98, средняя ошибка коэффициента корреляции m r = ±

0,012, отношение — = 82 >  4

mr

G = 0,01 1 + 3,55                                 (6)

Выразив из уравнения прогибов момент инерции и подставив его в зависимость (6), получим расход стали на единицу длины прогонов ( G П ) из условия деформативности.

Рассмотрим однопролётную схему опирания прогонов. Прогиб прогона:

a     5 qНba4 cos2 a            qНba3 cos2 a f =---=--, откуда I =-------------- см4,

200  384     EI80,64

q^Нba ³ cos² a

Gn =--+ 3,55 кг/м,(7)

П       8064

где a – пролёт прогона, м; q^Н – нормативное значение нагрузки, кгс/м²; b – расстояние между прогонами, м; α – угол наклона кровли теплицы, принимаемый равным 30^о; Е – модуль упругости стали, 2,1х10⁶ кгс/см²[9].

При α=30о расход стали на прогоны, приведенный к 1м2 площади теплицы умножением на 1/ (bcosα), равен qНa3   4,1

G nT =       ⁺ T"  кг/м 2 ,                             (8)

9312 b

Из зависимости (8) следует, что расход стали на прогоны возрастает с увеличением нагрузки и шага рам и снижается с увеличением расстояния между прогонами. Следовательно, шаг прогонов покрытия при опирании на них поликарбонатных листов должен соответствовать расчётному пролёту листов из условия их предельной деформации.

Закономерности расхода стали на рамы каркаса от изменения строительных параметров (пролёта и шага) и нагрузки установить аналитическим путём не представляется возможным. Расход стали на принятую бесшарнирную схему рамы, наиболее соответствующую жёстким узловым соединениям на сварке, определялся расчётом на ПК и приведен в таблице 3.

Таблица 3 – Расход стали на рамы каркаса при различных значениях пролёта и шага рам, кг/м2

Пролёт рам, м	Расчётная нагрузка на покрытие, кгс/м2	Шаг рам, м
		2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
6,0	30	6,35	4,28	3,83	3,30	3,16
9,0	30	6,87	4,86	4,38	3,94	3,36
12,0	30	7,70	5,37	4,72	4,29	3,85
15,0	30	9,31	6,68	5,12	4,69	4,40
18,0	30	10,80	7,45	6,15	5,14	4,88

Подбор сечений элементов рам производился в соответствии с требованиями норм [9]. В связи с тем, что нагрузки на рамы сравнительно невелики, стойки и ригель рам подбирались из прокатных швеллеров по ГОСТ 8240 – 97 «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент». Установлено, что при увеличении шага рам в пределах от 2,0 до 6,0 м расход стали на них снижается. Множественная корреляция по трём параметрам даёт следующую зависимость расхода стали G р на рамы из прокатных элементов от пролёта L , шага рам каркаса а и расчётной нагрузки на покрытие q

G_P = - 1,86 + 0,0956 ^ + 0,147 L - 0,0019 ^L +

6,0  0,0217 q   0,451 L  0,0016 qL

+ —----- + —----+ —---кг/м2

aa   a   a

Эмпирическая формула (9) получена при следующих пределах изменения входящих в неё параметров: пролёта 6-18 м, шага рам 2-6 м и расчётной нагрузки на покрытие 30 кг/м2, соответствующей максимальной разовой снеговой нагрузке для центрального региона.

Просуммировав выражения (8) и (9), получим в общем виде расход стали каркаса на 1м2 теплицы:

q^Н a ³                                        6,0  0,0217 q   5,412  0,0192 q

У Gt =  ---+ 4.1 -1,86 + 0,0956q +1,764 - 0,0228q +  ---,----- + ----+  ---— i 9312                                       a      a       a       a

Продифференцировав функцию суммарного удельного расхода стали на каркас и подставив значения расчётной и нормативной нагрузок, определим шаг рам, соответствующий минимуму расхода стали на каркас d^ Gi = 0,000322qНa2 - 6,0 + 0,0217q - 5,412 - 0,0192^ = 0

2     22      2

da                   a          a    a           a

11,412 - 0,0025 q    /11,412 - 0,0025 x 30

a = 4-----------— = 4---------------- « 6,0 м

\  0,000322 q Н      \ 0,000322 x 21,43

Таким образом, в процессе исследования:

• 1 .Установлено, что рациональным типом теплиц круглогодового использования для фермерских хозяйств являются ангарные (однопролётные) со стальным каркасом, соединения элементов которого выполняются на сварке, и ограждающими конструкциями из сотовых поликарбонатных листов. Изготовление теплицы возможно в построечных условиях, что значительно снижает стоимость строительства по сравнению с заводской поставкой.

• 2 .Предложено площадь теплицы из условия возможности проведения работ составом фермерской семьи ограничивать 500м². Культивационное сооружение может располагаться на расстоянии пожарного разрыва от жилой застройки[2].

• 3 .Определено, что энергоэкономичными объёмно-планировочными размерами теплицы такой площади являются: ширина 12м, длина 42м, высота продольных ограждающих конструкций 1,8м.

• 4 .Показано, что при расчёте элементов стального каркаса теплицы снеговую нагрузку целесообразно принимать равной разовому максимуму выпадения осадков в регионе строительства.

• 5 .Установлены зависимости изменения расхода стали на элементы каркаса (рамы, прогоны покрытия) в функции влияющих на них параметров (нагрузки, пролёта и шага рам). Так, при увеличении пролёта рам расход стали на них увеличивается, а при увеличении шага рам уменьшается; аналогично изменяются показатели расхода стали при увеличении пролёта и шага прогонов покрытия.

• 6 .На основании установленных зависимостей изменения расхода стали на элементы каркаса определены его рациональные строительные параметры: пролёт 12м, шаг рам 6м, шаг прогонов покрытия 1м.