Рациональные строительные решения фермерских теплиц

Введение. Тепличное овощеводство является одним из видов производственной деятельности для малых форм хозяйствования. Для таких хозяйств предприятиями производятся различные виды теплиц круглогодового использования (так называемых зимних теплиц) со стальным каркасом: ангарные арочные и с рамной конструктивной схемой, а также блочные. Так, в зависимости от конструктивного решения и инженерного оснащения удельная стоимость теплиц изменяется в пределах 3-5 тыс.руб/м2 [1-7]. В связи с этим приобретение заводской теплицы потребует значительных затрат и целесообразным является строительство теплицы хозяйственным способом с каркасом из стальных прокатных профилей с узловыми соединениями на сварке.

Цель исследования предусматривала обоснование рациональных конструктивных решений теплиц для строительства хозяйственным способом.

Задачами исследования являлись: проведение сравнительного анализа выпускаемых фермерских теплиц и выбор целесообразного вида теплицы; разработка конструктивных схем теплиц; оптимизация объёмно-планировочных параметров сооружения для снижения затрат на ограждающие конструкции и эксплуатационных расходов на отопление теплицы в холодный период года; определение рациональных расстояний между элементами стального каркаса – для снижения расхода стали на несущий остов сооружения.

Методика исследования предусматривала аналитическое решение поставленных задач.

Результаты исследования . Обобщение и анализ строительных решений фермерских теплиц выявили присущие различным видам теплиц достоинства и недостатки. Арочные теплицы с круговым очертанием кровли имеют наименьший расход стали на единицу площади застройки по отношению к другим видам сооружений, но большую площадь ограждающих конструкций. Криволинейные скаты сокращают посадочную площадь.

У блочных теплиц наименьшая удельная площадь ограждающих конструкций, но во время снегопадов возможно образование снежных мешков в ендовах теплиц и разрушение светопрозрачного покрытия. Для обеспечения таяния снега кровля теплиц должна выполняться из листового стекла. Для снижения теплопотерь в холодный период года под кровлей теплицы предусматривается трансформируемый шторный экран.

Ангарные рамные теплицы по отношению к блочным имеют несколько большие значения расхода стали и площади ограждающих конструкций. Но лучшая естественная освещённость и создающееся равномерное температурное поле в объёме сооружения позволяют получать более высокие урожаи овощных культур. Стены и кровля теплицы могут выполняться из энергоэкономичных сотовых поликарбонатных панелей.

По результатам обобщения и анализа строительных решений культивационных сооружений наиболее целесообразными видами зимних теплиц для фермерских хозяйств признаны блочные и ангарные рамные, разработанные конструктивные схемы которых приведены на рис.1. Выбор этих видов теплиц обусловлен тем, что коэффициент ограждения (отношение площади наружных ограждающих конструкций к площади застройки теплицы), косвенно характеризующий уровень энергетических затрат в холодный период и расход материалов на ограждающие конструкции, у блочных и ангарных теплиц существенно меньше по сравнению с теплицами арочной круговой формы (рис. 2). Следует отметить, что для снижения тепловых потерь культивационными сооружениями целесообразным является использование в ограждении сотовых поликарбонатных листов, предлагаемых для зимних и весенних теплиц отечественными производителями [8, 9].

Каркасы теплиц предусмотрены из прокатных и гнутых стальных профилей с узловыми соединениями на сварке. Для разработанных конструктивных схем теплиц выведены зависимости, позволяющие определить энергоэкономичные объёмно – планировочные размеры сооружений и расстояния между элементами каркаса, соответствующие наименьшему расходу стали.

a)

Рисунок 1 – Конструктивные схемы блочной (а) и ангарной рамной ( b) теплиц: 1 – фундамент; 2 – стойка; 3 – затяжка; 4 – лоток для удаления осадков, 5 – шпросы, 6 – коньковый прогон, 7 – поперечная рама, 8 – прогоны, 9 – затяжка рамы, 10 – цоколь

b )

Методическими рекомендациями по технологическому проектированию теплиц для фермерских хозяйств предлагается номенклатура площадей культивационных сооружений от 500 до 10 000 м2 [10], из которой наиболее приемлемой является площадь сооружения 500м2, позволяющая выполнять необходимые агротехнические работы членами одной семьи и обеспечивать рентабельность производства.

Рисунок 2 – Изменение коэффициента ограждения теплицы площадью 500м2: 1 – ангарная теплица рамного типа; 2 – блочная (многопролётная) теплица;

3 – арочная теплица кругового очертания

Так, для принятой площади застройки блочной теплицы (рис.1, а )количество пролётов, при котором общая площадь стен и кровли будет минимальной, можно определить на основании выведенной формулы (1)

hF П

4 h + Ltg a

n = —

L где L – принимаемый пролёт теплицы, м;

h – высота продольного ограждения, по нормам минимально равная 2,1м;

α – угол наклона скатов кровли (не менее 25^о);

F П – предусматриваемая площадь теплицы, м².

Для площади блочной теплицы 500м2 рациональное количество пролётов равно четырём.

Для определения рациональных параметров стального каркаса блочной теплицы (пролёта, шага стоек) в аналитическом виде выведен суммарный удельный расход стали на элементы каркаса

G = q ^ + 2,09 + q X + 1,57 ₊ 9,45 - U* _№№,                  (2)

2913 c 689 l    a    a где l, a, c – соответственно пролёт, шаг стоек, расстояние между шпросами;

q^Н – нормативная нагрузка на шпросы;

q ^Н – нормативная нагрузка на лоток для удаления осадков.

В результате дифференцирования функции (2) по каждому переменному и совместного решения полученной системы уравнений установлены рациональные значения пролёта и шага поперечных рам блочной теплицы, соответствующие минимуму расхода стали на каркас сооружения (табл. 1)

Таблица 1 – Рациональные значения параметров каркаса блочной теплицы из прокатных профилей

Нормативная нагрузка на лотки, Па	Строительные параметры теплицы	Рациональные значения строительных параметров, м
200	Пролёт Шаг стоек	4,60 2,60
300	Пролёт Шаг стоек	4,00 2,45
400	Пролёт Шаг стоек	3,60 2,35
500	Пролёт Шаг стоек	3,30 2,25

Для приведенных в табл.1 значений пролёта и шага стоек теоретический расход стали на каркас сооружения составляет около 8 кг/м2. Фактически этот расход может быть несколько большим, например, из-за отсутствия расчётных профилей. При сложившихся рыночных ценах на стальные профили 80-90 тыс. руб/т удельная стоимость каркаса равна примерно 700 руб/м2, что существенно ниже стоимости металлоконструкций заводской поставки.

Объёмно-планировочные параметры ангарной теплицы (рис.1, b ), соответствующие минимальной площади ограждающих конструкций, можно установить через коэффициент ограждения

2 h    1    2 h L

k = — +---+ — + — tg a ,

L cosa A 2 A где h – высота продольного вертикального ограждения;

L и A – соответственно ширина (пролёт) и длина теплицы;

α – угол наклона скатов кровли (не менее 45% по СП 107.13330.2012 «Теплицы и парники).

Для ангарной теплицы площадью 500 м2 после подстановки в формулу (3) значение длины теплицы А = 500/ L , дифференцирования выражения по L получено кубическое уравнение

Ltg a + 2 hL ² - 1000 h = 0                               (4)

Откуда оптимальное значение пролёта теплицы L опт = 12 м, длина теплицы при этом составит 42м.

Для определения рациональных значений параметров каркаса теплицы определяли суммарный удельный, кг/м2, расход стали на элементы каркаса (поперечные рамы, прогоны), полученную зависимость дифференцировали и после подстановки рационального значения пролёта Lопт= 12м определяли шаг поперечных рам каркаса, при котором расход стали равнялся минимуму для конкретного снегового района. Так, полученное математическое выражение суммарного расхода стали на прогоны и рамы для I снегового района xG, = q-a- + 4,10 + 1,01 + 0,091L + — + — кг/м2               (5)

93,12    b                     a     a dXG, _ 3qHa2  5,35  0,5L _Q da ” 93,12 a2 a2 =

После преобразований оптимальный шаг рам каркаса для I снегового района

10,7 + L          1 10,7 + 12

a_n = 2,045 4           = 2,045 4           = 6,3 5 м .

ОПТ              H q                0,22

Для II снегового района a опт =5,55м, для III района a опт =5,15 м.

Установлено, что расход стали на каркас ангарной теплицы площадью 500м2 при оптимальных значениях пролёта ( L =12м) в I, II и III снеговых районах соответственно равен 7.9, 10.0 и 11.8кг/м². При современном уровне цен на металлопрокат 80-90 тыс.руб за тонну удельная стоимость стального каркаса в III снеговом районе (Орловская обл. и др.) составит примерно 950-1000 руб/м2, что примерно в 1,5 раза меньше заводской стоимости.

Выводы.

• 1.    Разработаны конструктивные схемы двух видов зимних теплиц со стальным каркасом из прокатных профилей с узловыми сварными соединениями: блочной и ангарной с рамным каркасом.

• 2.    Для каждого вида теплиц выведены зависимости для обоснования объёмнопланировочного решения, соответствующего наименьшей площади светопрозрачного ограждения.

• 3.    Выведены зависимости, на основании которых можно установить расстояния между элементами каркаса блочной и ангарной теплицы, соответствующие минимуму расхода стали.

• 4.    Показана экономическая целесообразность строительства фермерских теплиц хозяйственным способом.