Чисельне моделювання напружено-деформованого стану каркасу капсульного будинку при експлуатаційних навантаженнях

Abstract

UK: Постановка проблеми. Зростання попиту на мобільні житлові рішення, особливо в контексті післявоєнної відбудови України, зумовлює необхідність розвитку вітчизняного виробництва капсульних будинків. Несучим елементом таких споруд є сталевий каркас, розрахунок якого потребує застосування сучасних методів чисельного моделювання для забезпечення міцності, стійкості, жорсткості при дії експлуатаційних навантажень. Актуальним є питання пошуку раціональних форм та розмірів перерізів несучих елементів з метою зниження металоємності без втрати необхідного рівня надійності. Мета полягає у дослідженні напружено-деформованого стану каркасу капсульного будинку за допомогою методу скінчених елементів при експлуатаційних навантаженнях, дослідженні збіжності результатів чисельного розрахунку та обґрунтуванні можливості утончення профілів несучих елементів. Методика. Виконано тривимірне моделювання просторового каркасу габаритами 11452×3140×3230 мм та масою 3,1 т у програмному комплексі Autodesk Inventor 2024 із застосуванням модуля Simulation 2020. Проведено аналіз збіжності результатів шляхом послідовного подрібнення скінченно-елементної сітки. Переміщення контролювались у 12 характерних точках вздовж поздовжньої осі каркасу. Досліджено експлуатаційне навантаження інтенсивністю 4 кПа. Результати. Встановлено коефіцієнт запасу міцності n = 2,75, що свідчить про надлишкову металоємність конструкції. Максимальні переміщення становлять 7,8 мм, що значно менше граничних L/200 = 57 мм. Збіжність результатів підтверджена при зменшенні розміру елементів сітки з 20 мм до 10 мм з відхиленням менше 2 %. Обґрунтовано можливість заміни вертикальних стійок перерізом 100×100×4 мм на профілі 100×100×3 мм із зменшенням маси на 12 %. Наукова новизна полягає в комплексному підході до дослідження напружено-деформованого стану легкого металевого каркасу з гнуто-зварних профілів замкнутого перерізу. Практична значущість. Результати можуть бути використані при проектуванні та серійному виробництві мобільних житлових модулів в Україні, а запропонована методика верифікації - при розрахунку аналогічних тонкостінних каркасних конструкцій.

EN: Statement of the problem. The growing demand for mobile housing solutions, particularly in the context of post-war reconstruction of Ukraine, necessitates the development of domestic production of capsule houses. The load-bearing element of such structures is a steel frame, the design of which requires the application of modern numerical modeling methods to ensure strength, stability, and stiffness under operational loads. The search for rational shapes and cross-sectional dimensions of load-bearing elements to reduce steel consumption without compromising the required level of reliability is a relevant issue. The objective is to investigate the stress-strain state of a capsule house frame using the finite element method under operational loads, to study the convergence of numerical results, and to substantiate the feasibility of profile thinning for load-bearing elements. Methodology. Three-dimensional modeling of a spatial frame with overall dimensions of 11452×3140×3230 mm and a mass of 3.1 t was performed using Autodesk Inventor 2024 with the Simulation 2020 module. Convergence analysis was carried out through successive refinement of the finite element mesh. Displacements were monitored at 12 characteristic points along the longitudinal axis of the frame. An operational load with an intensity of 4 kPa was investigated. Results. A strength safety factor of n = 2.75 was determined, indicating excessive steel consumption of the structure. Maximum displacements were 7.8 mm, which is significantly below the allowable limit of L/200 = 57 mm. Convergence of results was confirmed when the mesh element size was reduced from 20 mm to 10 mm, with a deviation of less than 2 %. The feasibility of replacing vertical posts with a 100×100×4 mm cross-section with 100×100×3 mm profiles was substantiated, resulting in a 12 % mass reduction. The scientific novelty lies in the comprehensive approach to investigating the stress-strain state of a lightweight steel frame made of cold-formed welded hollow sections. Practical significance. The results can be used in the design and serial production of mobile housing modules in Ukraine, and the proposed verification methodology can be applied to the analysis of similar thin-walled framed structures.