Оптимизация определения и приложения сложнораспределенных нагрузок на вантовое покрытие двоякой кривизны

Введение. В последние годы развитие программирования затрагивает все больше сфер, в том числе и архитектурно-строительную область. В проектной деятельности появляются новые инструменты, позволяющие численно описывать параметры строительных конструкций, при помощи которых легко изменять их формы и конфигурацию. Данное направление дает возможность уйти от более трудоемких и длительных процессов ручного редактирования графических материалов. Такой подход к архитектурному проектированию называют параметрическим моделированием. Без него трудно представить создание сложных геометрических форм здания как многоэтажных, так и большепролетных, к которым можно отнести вантовые покрытия.

Материалы и методы. Процесс оптимизации сбора нагрузок на криволинейные формы нагляднее демонстрировался на примере определения и приложения снеговых и ветровых нагрузок на вантовое покрытие двоякой кривизны здания велодрома, так как, согласно нормативным документам, от геометрии здания зависит коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие и аэродинамический коэффициент, которые, как правило, определяются по результатам продувки, однако для уменьшения трудоемкости исследования зоны распределения этих коэффициентов интерполировались по уже имеющимся в нормативных документах формам.

Результаты. Выполнен сбор нагрузок на расчетную конечно-элементную схему здания велодрома с покрытием двоякой кривизны по ортогональной вантовой сети, в том числе 4 типа снеговой нагрузки и 2 типа ветровой нагрузки.

Выводы. Использование Grasshopper позволило уйти от упрощения и интерполяции как величины давления от снега и ветра в нескольких направлениях, так и значений грузовых площадей в каждой точке вантовой сети. Такой более точный подход в совокупности с результатами аэродинамических испытаний и автоматизированной передачей данных в расчетные комплексы позволит более точно определять НДС сложных покрытий, уйти от перерасчета и переназначения сложных неравномерно распределенных линейных и нелинейных нагрузок в расчетных схемах при изменении исходных данных с экономией трудовых и временных затрат на контроль этих процессов.

1. Stavric M., Marina O. Parametric modeling for advanced architecture // International Journal of Applied Mathematics and Informatics. 2011. Vol. 5. Issue 1. Pp. 9–16.

2. Danhaive R., Mueller T. Combining parametric modeling and interactive optimization for high-performance and creative structural design // International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium. 2015.

3. Kyratzi S., Azariadis P. Integrated design intent of 3D parametric models // Computer-Aided Design. 2022. Vol. 146. P. 103198. DOI: 10.1016/j.cad.2022.103198

4. Салех М. Особенности разработки уникальных архитектурных решений с использованием цифровых методов на основе визуального программирования // Строительные материалы и изделия. 2022. Т. 5. № 1. С. 54–59. DOI: 10.34031/2618-7183-2022-5-1-54-59. EDN NOYMKD.

5. Jovanovic D., Radovic L. Parametric modelling in architecture // The 5th international conference mechanical engineering in XXI century. 2020. Pp. 347–352.

6. Kalkan E., Okur F., Altunışık A. Applications and usability of parametric modeling // Journal of Construction Engineering, Management & Innovation. 2018. Vol. 1. Issue 3. DOI: 10.31462/jcemi.2018.03139146

7. Sacks R., Barak R. Impact of three-dimensional parametric modeling of buildings on productivity in structural engineering practice // Automation in Construction. 2008. Vol. 17. Issue 4. Pp. 439–449. DOI: 10.1016/j.autcon.2007.08.003

8. Schling E., Barthel R. Šuchov’s bent networks: The impact of network curvature on Šuchov’s gridshell designs // Structures. 2021. Vol. 29. Pp. 14961506. DOI: 10.1016/j.istruc.2020.12.021

9. Gusevs J., Serdjuks D., Artebjakina G.I., Afanasjeva E.A., Goremikins V. Behaviour of load-carrying members of velodromes’ long-span steel roof // Magazine of Civil Engineering. 2016. Vol. 65. Issue 05. Pp. 3–16. DOI: 10.5862/MCE.65.1

10. Abramczyk J., Chrzanowska K. Complex building forms roofed with transformed shell units and defined by saddle surfaces // Materials. 2022. Vol. 15. Issue 24. Pp. 8942. DOI: 10.3390/ma15248942

11. Lai M., Eugster S.R., Reccia E., Spagnuolo M., Cazzani A. Corrugated shells: An algorithm for generating double-curvature geometric surfaces for structural analysis // Thin-Walled Structures. 2022. Vol. 173. P. 109019. DOI: 10.1016/j.tws.2022.109019

12. Bleicher A., Behnke R., Schlaich M. Double Curvature for Volkswagen // IASS Symposium 2017 — Interfaces: architecture.engineering.science. 2017.

13. Аверин А. Расчетные модели гибких нитей // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2020. № 9 (741). С. 5–19. DOI: 10.32683/0536-1052-2020-741-9-5-19. EDN YFKYTO.

14. Timchenko R., Popov S., Krishko D., Rajeshwar G., Aniskin A. Cable-stayed coverings for large-span public buildings // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 280. P. 07008. DOI: 10.1051/e3sconf/202128007008

15. Нугуманова А.Д., Кашеварова Г.Г. Расчет вантовых конструкций на примере оттяжек мачты // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2015. № 3. С. 103–110. DOI: 10.15593/2224-9826/2015.3.07. EDN UNJOKX.

16. Коваленко Н.И., Разин С.Н. Математическое моделирование взаимодействия гибкой нити, моделирующей зажатую прядь, с цилиндрической поверхностью при наличии внешней распределенной нагрузки // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2015. № 6 (360). С. 205–209. EDN VHSKSP.

17. Кужахметова Э.Р. Напряженно-деформированное состояние цилиндро-плитно-вантового покрытия здания (сооружения) с различными формами наружного опорного контура // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2020. Т. 16. № 2. С. 95–110. DOI: 10.22363/1815-5235-2020-16-2-95-110. EDN RUOFTA.

18. Кужахметова Э. Расчет вант с учетом геометрической и физической нелинейности // Известия КГТУ. 2019. № 55. С. 252–266. EDN BBJSCF.

19. Kim N.-I., Thai S., Lee J. Nonlinear elasto-plastic analysis of slack and taut cable structures // Engineering with Computers. 2016. Vol. 32. Issue 4. Pp. 615–627. DOI: 10.1007/s00366-016-0440-7

20. Chen Y., Meng F., Gong X. Parametric modeling and comparative finite element analysis of spiral triangular strand and simple straight strand // Advances in Engineering Software. 2015. Vol. 90. Pp. 63–75. DOI: 10.1016/j.advengsoft.2015.06.011

21. El-Dardiry E., Hamdy G., Fayed N., Konswoah M.R. Optimum design of wide span cable-stayed roof structures // International Journal of Scientific and Engineering Research. 2018. Vol. 9. Issue 5.

22. Peng Y., Zhao W., Zhou J. Reliability analysis of a large curved-roof structure considering wind and snow coupled effects // Disaster Prevention and Resilience. 2022. Vol. 1. Issue 4. P. 8. DOI: 10.20517/dpr.2022.02

23. Попов Н., Лебедева Д., Богачев Д., Березин М.М. Воздействие ветровых и снеговых нагрузок на большепролетные покрытия // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 12. С. 71–76. EDN XISJCT.

24. Сафиуллин И.И. Исследование ветровых воздействий на ЖК «Лазурные небеса» // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 4 (30) С. 413–417. EDN TSMPMD.

25. Дагаев В. Расчет большепролетного сооружения с вантовым покрытием двоякой кривизны : выпускная квалификационная работа специалиста. СПб., 2022. С. 1–255. DOI: 10.18720/SPBPU/3/2022/vr/vr22-1775

26. Дагаев В.А., Школяр Ф.С. Построение конечно-элементной схемы вантового покрытия двоякой кривизны с помощью Grasshopper // Неделя науки ИСИ : сб. мат. Всеросс. конф. 2022. С. 322–325. EDN XKVFKM.

27. Бабаева К. Расчетные нагрузки для основных типов висячих покрытий. Научно-техническая информация Госстроя СССР. 1965. № 10. С. 26.