Зерносклады построечного изготовления для малых форм хозяйствования

Введение. Малыми формами хозяйствования выращивается около одной трети зерна в стране [1]. В связи с недостатком складских площадей для длительного хранения зерна большинство средних и мелких хозяйств не дожидаясь пика цен вынуждено продавать часть убранного урожая по низкой стоимости, что снижает рентабельность производства [2]. Для зерноводческих хозяйств рынком предлагаются различные виды зерноскладов из лёгких стальных конструкций (ЛСТК): двускатные ангары со стоечно-балочным или рамным каркасом, каркасные и бескаркасные ангары с арочной формой покрытия, тентовые конструкции (рис. 1). Примерная стоимость складских сооружений из ЛСТК «под ключ» по информационным данным составляет 7,5 – 8,5 тыс. руб/м2 [3-5], при использовании в ограждающих конструкциях сэндвич-панелей – до 24,5 тыс. руб/м2 [6]. Стоимость «в деле» стального каркаса зерносклада, стен и покрытия из сэндвич-панелей составляет около 70% в общей стоимости строительства [6], при выполнении ограждающих конструкций из профилированных листов – 60%. Значительные затраты на указанные конструктивные элементы зернохранилища обусловливают целесообразность их минимизации.

а

б

в

Рисунок 1 – Внутренний вид зерноскладов из лёгких стальных конструкций: а – с рамным каркасом; б, в – со стоечно-балочным каркасом

Цель исследования предусматривала аналитическое обоснование экономичных строительных параметров зерноскладов построечного изготовления с каркасной конструктивной схемой. Зерносклады с арочной формой покрытия, требующие заводской поставки арок, не рассматривались.

Метод исследования – аналитический.

Результаты исследования. В соответствии с СП 108.13330.2012 «Предприятия, здания и сооружения по хранению и переработке зерна» здания зерноскладов должны проектироваться одноэтажными, прямоугольной формы в плане, с пролётами 6 и 12 м, без световых проёмов, с высотой помещений у стен 3,6 м.

При постоянной площади склада изменение его планировочных параметров будет влиять на площадь ограждающих конструкций (А), которая в общем виде равна (рис. 2):

где L – ширина здания; h – высота помещения равная 3,6 м; α – угол наклона ската кровли (при использовании стального профилированного настила минимально равный 12^о).

После дифференцирования и преобразований получим кубическое уравнение, решением которого определяется ширина здания ( L ), соответствующая минимуму площади ограждения:

dA       2Sh

— = 2h--— + L ■ tga

s

ё 15

о Q.

3 10

I

§ 5

I 0⁵

100    200    300    400    500    600

—•—Оптимальный про (угол - 12 градусов

Оптимальный про (угол 30 градусов)

Площадь здания, кв.м.

Рисунок 2 – Изменение оптимальной ширины зерносклада в зависимости от площади застройки и наклона ската кровли (наклон ската кровли α =12о и α = 30о)

Приведенные на рис. 2 графики показывают, что минимум площади ограждения зависит не только от ширины здания, но и от угла наклона ската кровли.

Для зерноскладов с прямолинейными скатами покрытия распространено решение «холодных» ограждающих конструкций из стальных профилированных листов. Монтаж кровельного профилированного настила осуществляется по прогонам из прокатных швеллеров. Выведем зависимость для определения удельного расхода стали на прогоны, зависящего от нагрузки, шага и пролёта прогонов. Определяющим для расчёта прогонов является второе предельное состояние. Для прогонов из швеллеров по ГОСТ 8240–97«Швеллеры стальные горячекатаные» связь между весом 1пог.м ( G пр ) и моментом инерции профиля ( I ) можно представить линейной функцией, коэффициент корреляции r = 0,98 (рис. 3):

Рисунок 3 – Зависимость веса швеллера от момента инерции

G^ = 6,70 + 0,00983/ кг/м

Предельный прогиб прогона (схема опирания принята однопролётной): _ a     5q^Hb a*cos²a

^{7 =} 150 ⁼    384.£Г     ,

Н где а – пролёт прогона, м; q – нормативное значение нагрузки на покрытие, кгс/м2; b – расстояние между прогонами, м; α – угол наклона кровли здания, принятый минимально равным 12о; Е – модуль упругости стали (2,1х106 кгс/см2).

Выразим из уравнения прогиба (4) момент инерции и подставим полученное значение в зависимость (3):

см4                                   (5)

-      qH ba3cos2 a .

6nD =   ..... + 6,70 кг/м                        (6)

Умножив (6) на 1/( b cosα) для принятого уклона ската кровли α= 12^о, получим расход стали на прогоны на 1м² площади зерносклада

Gnp = ^i+^  кг/м2

пр 11187    6

Увеличение фактического расхода стали на прогоны по отношению к теоретическому (7) можно учесть коэффициентом µ, предусматривающим перерасход металла при подборе их сечений по сортаменту и необходимость применения менее нагруженных карнизных и коньковых прогонов такого же сечения, как и средних.

Установлено, что значение коэффициента µ следует принять равным 1,6.

_г     Ч^На^ац   6.85ц

^nn —--1-- np    11197 b

Для определения рационального вида стального каркаса зерносклада устанавливался расход стали по четырем конструктивным схемам каркаса здания шириной 12м (рис. 4), рекомендуемой СП 108.13330.2012 «Предприятия, здания и сооружения по хранению и переработке зерна». Стойки и ригель рамы сплошного сечения (рис.4 а ) предусматривались замкнутого сечения из свариваемых швеллеров, рама сквозного сечения (рис.4 б ) предусмотрена с поясами из уголков и треугольной решёткой. Стойки рамы стоечно-балочной конструкции (рис.4 в ) приняты из круглых труб, ригель – из двутавров типа Б с параллельными гранями полок, Стойки рамы (рис.4 г ) также предусмотрены из круглых труб, ригель – из прямоугольных труб.Кровельные прогоны во всех вариантах выполнялись из прокатных швеллеров по ГОСТ 8240–97. Показатели по каркасам устанавливались применительно к климатическим условиям центральных регионов: III снеговой и I-II ветровые районы. Для оценки влияния параметров каркаса на расход стали шаг рам варьировал от 3,0 до 6,0 м.

в

Рисунок 4 – Конструктивные схемы поперечных рам зерносклада:

а – рама сплошного сечения из сдвоенных прокатных швеллеров;

б – рама сквозного сечения с поясами из уголков;

в – рама со стойками из круглых труб и ригелем из прокатных двутавров;

г – рама со стойками из круглых труб и сквозным ригелем из прямоугольных труб

L = 12.0

г

а                                         б

Графики изменения расхода стали на однопролётные рамы приведены на рис. 5.

Уравнения связи:

рама сплошного сечения         G =—+ - + 7,0 кг/м2,           (9)

? a a рама сквозного сечения        G' = 9,20 + 0,4a кг/м2 ,               (10)

где, а и l – соответственно шаг и пролёт рамы.

Рисунок 5 – Изменение расхода стали на раму каркаса сплошного сечения из швеллеров и сквозную раму в зависимости от шага рам

Сложив выражения (8) и (9), (8) и (10), получим расход стали на 1м2 каркаса здания с учётом веса прогонов:

для каркаса с рамами сплошного сечения

G = 21,0 + г + 7,0 +      + 6,85/2 кг/м2(11)

Paa     11187 Ъ    '            ''

для каркаса с рамами сквозного сечения

G‘ = 9,20 + 0,4a +      + 6,85/2 кг/м2(12)

p                        11187 b '                            ''

После дифференцирования зависимости (11) и вычислений получим для каркаса со сплошными рамами оптимальное значение шага рам 4,8 м. При установленном оптимальном шаге сплошных рам их стойки и ригели должны состоять из 2 22П (масса рамы 820 кг, прогонов 369 кг, удельный расход стали на рамы и прогоны покрытия 19,8 кг/м2).

Функция удельного расхода стали на каркас здания (12) в принятом промежутке изменения шага рам непрерывно возрастает. Следовательно, минимальный расход стали соответствует шагу рам 3 м (расход стали на раму 369 кг, прогоны 155 кг, на 1 м2 здания 14,6 кг).

Для стоечно-балочного варианта каркаса (рис. 4 в ) стойки трёхпролётной рамы подбирались из круглых труб, ригель – из двутавров типа Б с параллельными гранями полок. Для двухпролётной рамы (рис. 4 г ) стойки рам предусматривались из круглых труб, а сквозной ригель – из квадратных труб. Изменение расхода стали на каркас здания с двух- и трёхпролётными рамами приведено на рис. 6.

15,0

CM

210,0

hi

^ 5,0

CL CU

* 0,0

0,0

12,1

10,7 10,2 10,1

_9,2   9,4  10,0

11,9

2,0Шаг рам4,0каркаса, 6м,0

Сплошные рамы

8,0

Рисунок 6 – Изменение расхода стали на каркас зерносклада с двухпролётными рамами с ригелем сквозного сечения и трёхпролётными рамами сплошного сечения

Так, для трёхпролётной рамы (рис. 4в) рациональным является шаг стоек равный 5м (стойки из труб 108 х 2.5, прогоны из швеллеров 14П, ригель – из двутавров 14Б1), для двухпролётной рамы со сквозным ригелем (рис. 4 г ) – 3м. Из всех рассмотренных вариантов каркаса зернохранилища конструктивная схема двухпролётной рамы характеризуется наименьшим расходом стали (стойки из труб 102х2.5, прогоны из швеллеров 10П, сквозные фермы с поясами из труб 40х3). Однако при несколько меньшем расходе стали трудоёмкость изготовления каркаса с двухпролётными рамами будет выше, чем каркаса с трёхпролётными рамами.

Таким образом, для хозяйственного способа строительства зерносклада целесообразным является использование каркаса из прокатных профилей с шагом рам 5м, расход стали 10,1 кг/м2. При сложившемся уровне цен на стальные бесшовные горячедеформированные трубы около 130 тыс.руб/т,110 тыс.руб/т на балочные двутавры, 60 тыс.руб/т на горячекатанные швеллеры [7-12] (вес прогонов составляет более 50% массы каркаса) удельная стоимость элементов трёхпролётного каркаса при расходе стали примерно 10 кг/м2 не должна превысить 1500 руб/м2 площади здания, что ниже стоимости элементов каркаса заводской поставки, превышающей 6 тыс.руб/м2.

Выводы:

• 1.    Показана возможность снижения стоимости строительства хозяйственным способом каркасного зерносклада посредством минимизации площади наружных ограждающих конструкций и выбора рациональной конструктивной схемы стального каркаса.

• 2.    Выведены зависимости для определения расхода стали на прогоны покрытия и рамный каркас здания со сплошными и сквозными рамами.

• 3.    Признано, что при хозяйственном способе строительства каркас здания целесообразно предусматривать стоечно – балочной конструкции со стойками из труб и элементами ригеля из прокатных двутавров. Масса элементов каркаса изменяется от 24 до 65 кг.

• 4.    При хозяйственном способе строительства возможно снижение затрат на каркас здания примерно в три раза по сравнению с заводской поставкой.