satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2017-16-6-475-484sat-1276Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВОCIVIL AND INDUSTRIAL ENGINEERINGОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМSTRUCTURAL AND DESIGN SPECIFICS OF SPACE GRID SYSTEMSГасийГ. М.GasiiG. M.

Кандидат технических наук, доцент 

Адрес для переписки: Гасий Григорий Михайлович  – Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, просп. Первомайский, 24, 36011, г. Полтава, Украина    grigoriigm@gmail.com

Address for correspondence: Gasii Grygorii М. – Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, 24 Pershotravnevyi Ave., 36011, Poltava, Ukraine.    grigoriigm@gmail.com

grigoriigm@gmail.comПолтавский национальный технический университет имени Юрия КондратюкаУкраинаPoltava National Technical Yuri Kondratyuk UniversityUkraine201729112017166475484Copyright © Гасий Г.М., 20172017Гасий Г.М.Gasii G.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/1276

Цель работы – выделить основные направления в развитии пространственных стержневых конструкций. Для этого поставлены задачи: провести обзор известных конструктивных решений, узловых соединений и особенностей проектирования пространственных стержневых конструкций. Сделать выводы о целесообразности усовершенствования рассмотренных конструктивных решений с целью разработки новых, не имеющих недостатков, присущих аналогам. Для решения поставленных задач проведен анализ работ зарубежных и отечественных ученых, посвященных теоретическим, численным и экспериментальным исследованиям напряженно-деформированного состояния и влияния на него различных факторов, а также геометрической оптимизации и проектированию пространственных стержневых конструкций. Проанализированы пространственные стержневые конструкции, в частности структурные плиты и наиболее часто встречаемые конструкции их узлов. Проведен краткий обзор истории развития структурных конструкций. Установлено, что быстрому развитию структурных конструкций способствовал научно-технический прогресс, в частности повышение физико-механических свойств материалов, развитие методов расчета, использование для моделирования условий работы на разные виды нагрузок программных комплексов, что существенно увеличивает точность расчета и уменьшает трудоемкость проектных работ. Также установлено, что основными параметрами, которые влияют на эффективность структурной конструкции, являются геометрические размеры его модульных элементов, соотношение его высоты к пролету покрытия. Изучен мировой опыт по разработке узлов соединения. Приведена общая классификация узловых соединений. Выделены основные преимущества и недостатки существующих пространственных стержневых конструкций. В результате проведенного теоретического исследования установлено, что основным направлением усовершенствования пространственных стержневых конструкций является разработка новых узловых соединений. Учитывая полученные результаты, предложено несколько способов усовершенствования узлов.

The aim of the study is to identify main trends in the development of space grid structures. In order to reach the purpose it is necessary to conduct a review of the known structural concepts, nodal connections and specifics of the space grid structures and to make conclusions on feasibility improvement of the considered structural concepts that make it possible to develop new solutions without disadvantages residing in the analogues. Analysis of papers written by foreign and national scientists and devoted to theoretical, numerical and experimental studies of stress-strain state, influence of different factors on it and geometrical optimization and designing of space grid structures has been conducted in order to achieve the objectives. Space grid structures and, in particular, flat double-layer grid and most frequent nodes have been studied in the paper. The paper contains a short review of the history on development of space grid structures. It has been found that a rapid development of structural designs was caused by scientific and technical progress and, in particular, improvement of physical and mechanical properties of materials, development of calculation methods, application of software systems for simulating behavior of the structure under load, which significantly increased the calculation accuracy and reduced complexity of design. It has been also established that main parameters that have influence on effectiveness of a structural design are geometric dimensions of its modular elements, ratio of its depth to the span. The world experience on development of connection components has been studied in the paper. The paper presents general classification of nodal connections. Main advantages and disadvantages of existing space grid structures are highlighted and it allows to determine possible methods for their improvement. Theoretical research has permitted to establish that the main direction of spatial grid structures improvement consists in development of new node connection types. Several methods for node improvement have been proposed while taking into account the obtained results.

стерженьузелсваркаболтмодульпролетструктурарешеткаrodnodeweldingboltmodulespanstructurelatticeReferencesFurche, A. Tragkonstruktionen: Basiswissen für Architekten / A. Furche. Springer Vieweg, 2016. 210 p.Furche A. (2016) Tragkonstruktionen: Basiswissen für Architekten. Springer Vieweg. 210 (in German).Шимановський, О. В. Особливості проектування великопрогонових просторових покриттів на основі структурних плит / О. В. Шимановський, С. М. Беспалов // Будівництво України. 2002. № 5. С. 21–24.Shimanovsky O. V., Bespalov. S. M. (2002) Peculiar Features in Designing of Long Span Roof Structures on the Basis of Structural Plates. Budivnitstvo Ukrainy [Construction of Ukraine], (5), 21–24 (in Ukrainian).Chilton, J. Space Grid Structures / J. Chilton. Boston: Architectural Press, 2000. 180 p.Chilton J. (2000) Space Grid Structures. Boston, Architectural Press. 180. DOI: 10.4324/9780080498188.Канчели, Н. В. Строительные пространственные конструкции. 3-е изд., доп. и перераб. / Н. В. Канчели. М.: АСВ, 2009. 112 с.Kancheli N. V. (2009) Building Space Structures. 3rd ?d. Moscow, Publishing House “ASV”. 112 (in Russian).Lan, T. T. Space Frame Structures / T. T. Lan. Boca Raton: CRC Press LLC, 1999. 129 p.Lan T. T. (1999) Space Frame Structures. Boca Raton, CRC Press LLC. 129. DOI: 10.4324/9780080498188.Allen, E. Fundamentals of Building Construction. Materials and Methods: 6th ed. / E. Allen, J. Iano. Wiley, 2013. 1024 p.Allen E., Iano J. (2013). Fundamentals of Building Construction. Materials and Methods. 6th ed. Wiley. 1024.Parke, G. A. R. Space Structures 5 / G. A. R. Parke, P. Disney. London: Thomas Telford Ltd, 2002. 1613 p.Parke G. A. R., Disney P. (2002) Space Structures 5. London, Thomas Telford Ltd. 1613. DOI: 10.1680/ss5 v1.31739.Лубо, Л. Н. Плиты регулярной пространственной структуры / Л. Н. Лубо, Б. А. Миронков. М.: Стройиздат, 1976. 105 с.Lubo L. N., Mironkov B. A. (1976) Plates of Regular Spatial Patterns. ?oscow, Stroyizdat Publ. 105 (in Russian).Морозов, А. П. Пространственные конструкции общественных зданий / А. П. Морозов, О. В. Василенко, Б. А. Миронков. Л.: Стройиздат, 1977. 168 с.Morozov A. P., Vasilenko O. V., Mironkov B. A. (1977). Space Structures of Public Buildings. Leningrad, Storyizdat Publ. 168 (in Russian).Геммерлинг, А. В. Структурные конструкции из эффективных гнутых профилей / А. В. Геммерлинг. Саарбрюкен: Lap Lambert, 2014. 137 с.Gemmerling A. V. (2014) Structural Constructions from Efficient Roll-Formed Sections. Saarbrücken, Lap Lambert. 137 (in Russian).Мітрофанов, С. В. Робота вузлових елементів структурної конструкції / С. В. Мітрофанов // Металеві конструкції. 2012. Т. 18, № 1. С. 17–25.Mitrofanov S. V. (2012) Operation of Unit-Forming Elements in Structural Construction. Metalev? Konstrukts?? = Metal Constructions, 18 (1), 17–25 (in Ukrainian).Condit, C. W. American Building Art: the Twentieth Century / C. W. Condit. Oxford University Press, 1961. 427 p.Condit C. W. (1961) American Building Art: the Twentieth Century. Oxford University Press. 427.Schueller, W. Horizontal-Span Building Structures / W. Schueller. John Wiley and Sons, 1983. 594 p.Schueller W. (1983) Horizontal-Span Building Structures. John Wiley and Sons. 594.Edmondson, A. C. A Fuller Explanation: the Synergetic Geometry of R. Buckminster Fuller / A. C. Edmondson. Pueblo: Emergent World Press, 2007. 339 p.Edmondson A. C. (2007) A Fuller Explanation: the Synergetic Geometry of R. Buckminster Fuller. Pueblo, Emergent World Press. 339.Bai, Y. Novel Joint for Assembly of All-Composite Space Truss Structures: Conceptual Design and Preliminary Study / Y. Bai, X. Yang // Journal of Composites for Construction. 2012. Vol. 17, No 1. P. 130–138.Bai Y., Yang X. (2012) Novel Joint for Assembly of AllComposite Space Truss Structures: Conceptual Design and Preliminary Study. Journal of Composites for Construction, 17 (1), 130–138. DOI:10.1061/(asce)cc.19435614.0000304.Gerrits, J. M. An Architectonic Approach of Choosing a Space Frame System / J. M. Gerrits // Lightweight Structures in Architecture, Engineering and Construction. 1998. Vol. 2. P. 992–999.Gerrits J. M. (1998) An Architectonic Approach of Choosing a Space Frame System. Lightweight Structures in Architecture, Engineering and Construction, 2, 992–999.Makowski, Z. S. Development of Jointing Systems for Modular Prefabricated Steel Space Structures / Z. S. Makowski // Proceedings of the International Symposium. Warsaw: IASS Polish Chapter, 2002. P. 17–41.Makowski Z. S. (2002) Development of Jointing Systems for Modular Prefabricated Steel Space Structures. Proceedings of the International Symposium. Warsaw, IASS Polish Chapter, 17–41.Tubular Space Trusses with Simple and Reinforced End-Flattened Nodes-an Overview and Experiments / de S. A. L. Andrade [et al.] // Journal of Constructional Steel Research. 2005. Vol. 61, No 8. P. 1025–1050.Andrade de S. A. L., S. Vellasco da P. C. G., Silva da J. G. S., Lima de L. R. O., D’Este A. V. (2005) Tubular Space Trusses with Simple and Reinforced End-Flattened Nodes-an Overview and Experiments. Journal of Constructional Steel Research, 61 (8), 1025–1050. DOI: 10.1016/ j.jcsr. 2005.02.001.Yang, X. Structural Performance of a Large-Scale Space Frame Assembled Using Pultruded GFRP Composites / X. Yang, Y. Bai, F. Ding // Composite Structures. 2015. Vol. 133. P. 986–996.Yang X., Bai Y., Ding F. (2015) Structural Performance of a Large-Scale Space Frame Assembled Using Pultruded GFRP Composites. Composite Structures, 133, 986–996. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.07.120.Городецкий, А. С. Компьютерные модели конструкций / А. С. Городецкий, И. Д. Евзеров. Киев: Факт, 2005. 344 с.Gorodetsky A. S., Evzerov I. D. (2005) Computer Models of Structures. Kiev, Fakt Publ. 344 (in Russian).Innovations in Design and Construction of the New Stadiums and Gymnasiums for the 2008 Beijing Olympic Games / X. Liu [et al.] // Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures. 2011. Vol. 52, Nо 1. P. 39–52.Liu X., Zhao Q., Liu H., Chen Z. (2011) Innovations in Design and Construction of the New Stadiums and Gymnasiums for the 2008 Beijing Olympic Games. Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures, 52 (1), 39–52.Холопов, И. С. Применение решетчатых пространственных металлических конструкций в покрытиях машинных залов ГЭС / И. С. Холопов, М. И. Бальзанников, В. Ю. Алпатов // Вестник ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура. 2012. Т. 47, № 28. С. 225–232.Kholopov I. S., Balzannikov M. I., Alpatov V. Yu. (2012) Application of Grid Metal Structures in Roofing of HPP (Hydro Power Plant) Machine Halls. Vestnik Volgogradskogo Gosudarstvennogo Arkhitekturno-Stroitel'nogo Universiteta. Ser.: Stroitel'stvo i Arkhitektura [Bulletin of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Civil Engineering and Architecture], 47 (28), 225–232 (in Russian).Engel, Н. Structure Systems / H. Engel. Ostfildern: Hatje Cantz, 2009. 352 p.Engel ?. (2009) Structure Systems. Ostfildern, Hatje Cantz. 352.Tashakori, A. Optimum Design of Cold-Formed Steel Space Structures Using Neural Dynamics Model / A. Tashakori, H. Adeli // Journal of Constructional Steel Research. 2002. Vol. 58, No 12. P. 1545–1566.Tashakori A., Adeli H. (2002) Optimum Design of ColdFormed Steel Space Structures Using Neural Dynamics Model. Journal of Constructional Steel Research, 58 (12), 1545–1566. DOI: 10.1016/s0143-974x(01)00105-5.Трофимов, В. И. Структурные конструкции / В. И. Трофимов, Г. Б. Бегун. М.: Стройиздат, 1972. 172 c.Trofimov V. I., Begun G. B. (1972) Structural Constructions. Moscow, Stroyizdat Publ. 172 (in Russian).Кирсанов, М. Н. Статический расчет и анализ пространственной стержневой системы / М. Н. Кирсанов // Инженерно-строительный журнал. 2011. Т. 24, № 6. С. 28–34.Kirsanov M. N. (2011) Static Calculation and Analysis ?f Spatial Rod System. Inzhenerno-Stroitelny Zhournal [Construction-Engineering Journal], 24 (6), 28–34 (in Russian).Шимановский, В. Н. Оптимальное проектирование пространственных решетчатых покрытий / В. Н. Шимановский, В. Н. Гордеев, М. Л. Гринберг. Киев: Будiвельник, 1987. 223 с.Shimanovsky V. N., Gordeev V. N., Grinberg M. L. (1987) Optimal Design of Space Grid Roofing. Kiev, Budivelnik Publ. 223 (in Russian).Makowski, Z. S. Space Frames and Trusses / Z. S. Makowski // Constructional Steel Design. an International Guide. London: Elsevier, 1992. P. 791–843.Makowski Z. S. (1992) Space Frames and Trusses. Constructional Steel Design. an International Guide. London, Elsevier, 791–843.Ramaswamy, G. S. Analysis Design and Construction of Steel Space Frames / G. S. Ramaswamy, M. Eekhout, G. R. Suresh. London: Thomas Telford Ltd, 2002. 262 p.Ramaswamy G. S., Eekhout M., Suresh G. R. (2002) Analysis Design and Construction ?f Steel Space Frames. London, Thomas Telford Ltd. 262. DOI: 10.1680/ adacossf.30145.Lan, T. T. A Study on the Optimum Design of Space Trusses-Optimal Geometrical Configuration and Selection of Type / T. T. Lan, R. Qian // Shells, Membranes and Space Frames. Proc. IASS Symp. Amsterdam: Elsevier, 1986. Р. 191–198.Lan T. T., Qian R. (1986) A Study on the Optimum Design of Space Trusses-Optimal Geometrical Configuration and Selection of Type. Shells, Membranes and Space Frames. Proc. IASS Symp. Amsterdam, Elsevier, 191–198.Chen, W. F. Handbook of Structural Engineering, Second еd. / W. F. Chen, E. M. Lui. CRC Press. 2005. 1768 p.Chen W. F., Lui E. M. (2005) Handbook of Structural Engineering, Second Edition. CRC Press. 1768. DOI: 10. 1201/9781420039931.Анализ существующих узлов сопряжения пространственных конструкций и разработка сборно-разборного узлового элемента / И. С. Инжутов [и др.] // Вестник МГСУ. 2013. Вып. 3. С. 61–71.Inzhutov I. S., Dmitriev P. A., Deordiev S. V., Zakharyuta V. V. (2013) Analysis of Existing Interface Nodes in Space Structures and Development of Pre-Assembled and Dismountable Nodal Element. Vestnik MGSU [Moscow State University of Civil Engineering Bulletin], (3), 61–71 (in Russian).Stephan, S. Reticulated Structures on Free-Form Surface / S. Stephan, J. Sánchez-Alvarez, K. Knebel // Stahlbau. 2004. Vol. 73, No 8. P. 562–572.Stephan, S., Sánchez-Alvarez J., Knebel K. (2004) Reticulated Structures on Free-Form Surface. Stahlbau, 73 (8), 562–572. DOI: 10.1002/stab.200490149.Кагановский, Л. О. Новые решения узловых соединений стержней структурных и однослойных решетчатых конструкций / Л. О. Кагановский // Збірник наукових праць Українського науково-дослідного та проектного інституту сталевих конструкцій імені В. М. Шимановського. 2010. № 5. С. 192–198.Kaganovsky L. O. (2010) New Solutions for Nodal Connections of Rods in Structural and Single-Layer Latticed Constructions. Zb?rnik Naukovikh Prats' Ukra?ns'kogo Naukovo-Dosl?dnogo ta Proektnogo ?nstitutu Stalevikh Konstrukts?i ?men? V. M. Shimanovs'kogo [Collection of Research Papers of V. Shimanovsky Ukrainian Research and Design Institute of Steel Construction], (5), 192–198 (in Russian).Хисамов, Р. И. Расчет и конструирование структурных покрытий / Р. И. Хисамов. Киев: Будiвельник, 1981. 79 с.Khisamov R. I. (1981) Calculation and Design of Space Frames. Kiev, Budivelnik Publ. 79 (in Russian).Зуева, И. И. Влияние податливости болтового соединения на напряженно-деформированное состояние структурных конструкций / И. И. Зуева, В. В. Зуев // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2010. № 1. С. 40–46.Zueva I. I., Zuev V. V. (2010) Effect of Bolt Connection Compliance ?n Stress-Strain Strain of Structural Constructions. Vestnik of Perm National Research Polytechnic University. Stroitel'stvo i Arhitektura = PNRPU Construction and Architecture Bulletin, (1), 40–46 (in Russian).Зуева, И. И. Особенности проектирования структурных конструкций типа «ЦНИИСК» / И. И. Зуева, С. Л. Иванова // Вестник ПНИПУ: Строительство и архитектура. 2013. Вып. 1. С. 91–97.Zueva I. I., Ivanova S. L. (2013) Specific Features in Designing of TsNIISK-Type [Central Research Institute of Construction Structures] Structural Constructions. Vestnik of Perm National Research Polytechnic University. Stroitel'stvo i Arhitektura = PNRPU Construction and Architecture Bulletin, (1), 91–97 (in Russian).Тур, В. И. Влияние податливости узловых соединений на напряженно-деформированное состояние металлического сетчатого купола / В. И. Тур, А. В. Тур // Фундаментальные исследования. 2014. № 6. С. 1165–1168.Tur V. I., Tur A. V. (2014) Influence of Nodal Joint Compliance on Stress-Strain State of Metal Net Dome. Fundamentalnye Issledovania = Fundamental Research, (6), 1165–1168 (in Russian).Стороженко, Л. І. Просторові сталезалізобетонні структурно-вантові покриття / Л. І. Стороженко, Г. М. Гасій, С. А. Гапченко. Полтава: ТОВ «АСМІ», 2015. 216 с.Storozhenko L. ?., Gasii G. M., Gapchenko S. A. (2015) Space Steel-Reinforced Concrete and Structural Cable Roof. Poltava, Publishing House TOV “ASMI”. 216 (in Ukrainian).Стороженко, Л. І. Особливості конструктивного рішення та проектування повнорозмірного експериментального зразка структурно-вантового сталезалізобетонного покриття / Л. І. Стороженко, Г. М. Гасій // Збірник наукових праць. Сер. Галузеве машинобудування, будівництво / Полтавський національний технічний університет імя Ю. Кондратюка. Полтава: ПолтНТУ, 2016. Вип. 46, № 1. С. 52–60.Storozhenko L. I., Gasii G. M. (2016) Peculiar Features in Structural Concept ?nd Designing of Full-Length Experimental Model of Steel-Reinforced Concrete and Structural Cable Roof. Zb?rnik Naukovikh Prats'. Ser?ya: Galuzeve Mashinobuduvannya, Bud?vnitstvo [Collection of Research Papers. Series: Industrial Mechanical Engineering, Civil Engineering]. Poltava, Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, 46 (1), 52–60 (in Ukrainian).Стороженко, Л. І. Нові сталезалізобетонні структурновантові конструкції / Л. І. Стороженко, Г. М. Гасій, С. А. Гапченко // Збірник наукових праць. Сер. Галузеве машинобудування, будівництво / Полтавський національний технічний університет імя Ю. Кондратюка. Полтава: ПолтНТУ, 2014. Вип. 40, № 1. С. 91–96.Storozhenko L. ?., Gasii G. M., Gapchenko S. A. (2014) New Steel-Reinforced Concrete and Structural Cable Constructions. Zb?rnik Naukovikh Prats'. Ser?ya: Galuzeve Mashinobuduvannya, Bud?vnitstvo [Collection of Research Papers. Series: Industrial Mechanical Engineering, Civil Engineering]. Poltava, Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, 40 (1), 91–96 (in Ukrainian).Гасій, Г. М. Основи формотворення і проектування просторових покриттів із структурно-вантових сталезалізобетонних конструкцій / Г. М. Гасій // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. 2016. Вип. 87. С. 48–53.Gasii G. M. (2016) Fundamentals of form Making and Designing of Space Roof Made from Steel-Reinforced Concrete and Structural Cable Constructions. Stroitelstvo, Materialovedenie, Mashinostroyenie: Sb. Nauch. Trudov [Civel Engineering, Material Science, Mechanical Engineering: Collection of Research Papers], (87), 48–53 (in Ukrainian).Гасій, Г. М. Аналіз напружено-деформованого стану трапецієподібної сталевої пластини вузла з’єднання елементів нижнього пояса експериментальної структурно-вантової сталезалізобетонної циліндричної оболонки / Г. М. Гасій // Збірник наукових праць УкрДУЗТ. Харків: УкрДУЗТ, 2016. Вип. 162. С. 41–47.Gasii G. M. (2016) Analysis of Stress-Strain State of Trapezoidal Steel Plate in Node Used for Connection of Bottom Chord Elements in Experimental Steel-Reinforced Concrete Structural Cable and Barrel Shell. Zb?rnik Naukovikh Prats' Ukra?ns'ko? Derzhavno? Akadem?? Zal?znichnogo Transportu [Ukrainian State University of Railway Transport Collection of Research Papers]. Kharkiv: UkrSURT, (162), 41–47 (in Ukrainian).Гасій, Г. М. Напружено-деформований стан сталевої пластини прямокутної форми вузла з’єднання стрижневих елементів структурно-вантової сталезалізобетонної циліндричної оболонки / Г. М. Гасій // Вісник ОДАБА. Одеса: Зовнішрекламсервіс, 2016. Вип. 62. С. 215–219.Gasii G. M. (2016) Stress-Strain State of Rectangular Steel Plate in Node Used for Connection of Rod Elements in Steel-Reinforced Concrete Structural Cable and Barrel Shell. V?snik Odes'ko? Derzhavno? Akadem?? Bud?vnitstva ta Arkh?tekturi [Odessa State Academy of Civel Engineering and Architecture Bulletin]. Odessa: Publishing House “Zovnishreklamservis”, (62), 215–219 (in Ukrainian).Гасій, Г. М. Експериментальні дослідження структурно-вантових покриттів / Г. М. Гасій // Збірник наукових праць. Серія: галузеве машинобудування, будівництво / Полтавський національний технічний університет імя Ю. Кондратюка. Полтава: ПолтНТУ, 2014. Вип. 42, № 3. С. 47–51.Gasii G. M. (2014) Experimental Investigations on Structural and Steel Cable Roof. Zb?rnik Naukovikh Prats'. Ser?ya: Galuzeve Mashinobuduvannya, Bud?vnitstvo [Collection of Research Papers. Series: Series: Industrial Mechanical Engineering, Civil Engineering]. Poltava, Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, 42 (3), 47–51 (in Ukrainian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.