Большими считаются пролеты размером более 45-50м.
Большепролетные конструкции применяют:
1. В гражданских зданиях общественного назначения – театрах, выставочных павильонах, концертных и спортивных залах, рынках, вокзалах, стадионах и т.п., имеющих большие пролеты, обусловленными, как эксплуатационными, так и архитектурными требованиями.
2. В зданиях специального назначения – ангарах, гаражах, авиасборочных цехах и т.п., проектируемых без внутренних колонн, исходя из удобства размещения и эвакуации машин.
В промышленном строительстве большие пролеты встречаются в сборочных цехах, самолетостроительных, судостроительных и машиностроительных заводах, где обуславливаются или крупными габаритами собираемых машин (судов, самолетов) или требованиями технологического процесса.
Системы, перекрывающие большие пролеты, проектируются, как правило, однопролетными, что диктуется основным эксплуатационным требованием – отсутствием промежуточных опор.
Конструктивные решения большепролетных систем – балочные, рамные, арочные, пространственные и висячие.
Балочные и рамные системы чаще используются в большепролетных перекрытиях зданий с прямоугольным планом.
Арочные системы имеют преимущества в архитектурном отношении; они экономичны при пролетах 80 м и более.
Наиболее экономичны по затрате металла пространственные системы в виде сетчатых или сплошных оболочек и складок, куполов или шатров (при круглом или многоугольном плане здания).
Конструкции висячих систем, в которых основными несущими элементами являются высокопрочные канаты – ванты, получаются наиболее легкими, что является их существенным преимуществом.
Отступление от обычной прямоугольной планировки (кроме круга) усложняет компоновку конструкций перекрытия и затрудняет применение типовых конструктивных элементов.
Сооружения с большими пролетами (за исключением типовых ангаров) не являются объектами массового строительства; их архитектурные и конструктивные решения весьма индивидуальны, что также ограничивает возможности типизации и унификации конструкций.
Однако типовые решения для отдельных конструктивных элементов этих покрытий (прогонов, переплетов, кровельных плит и т. д.) следует применять в возможно большем объеме. Поэтому целесообразно назначать основные компоновочные размеры сооружения (шаг рам, ферм, арок, расстояния между прогонами и т. п.) с учетом Единой модульной системы.
Большепролетные конструкции работают в основном на нагрузку от собственного веса; поэтому уменьшение собственного веса конструкции является главной задачей.
В большепролетных конструкциях рационально применять стали повышенной прочности или легкие алюминиевые сплавы, а также предварительное напряжение несущих конструкций и вантовых систем.
Особенно важным является применение в большепролетных перекрытиях облегченных кровельных конструкций и материалов.
Балочные конструкции
Балочные большепролетные конструкции применяют в случаях, когда опоры не могут воспринять распорных усилий.
Балочные системы при больших пролетах тяжелее рамных или арочных, но проще в изготовлении и монтаже.
Балочные системы применяют преимущественно в общественных зданиях – театрах, концертных залах, спортивных сооружениях.
Основными несущими элементами балочных систем применяемых при пролетах 50-70 м и более являются фермы; сплошные балки при больших пролетах невыгодны по затрате металла.
Основными достоинствами балочных конструкций является четкость работы, отсутствие распорных усилий и нечувствительность к осадкам опор. Главный недостаток – сравнительно большой расход стали и большая высота, вызванные большими пролетными моментами и требованиями жесткости.
|
Рис. 1, 2, 3 |
Из этих условий балочные большепролетные конструкции применяют обычно при пролетах до 90м. Несущие фермы больших пролетов могут иметь различное очертание поясов и системы решеток (рис. 1, 2, 3).
Сечения стержней большепролетных ферм с усилиями в стержнях свыше 4000-5000 кН обычно принимают составными из сварных двутавров или прокатных профилей.
Большая высота ферм не позволяет перевозить их по железной дороге в виде собранных отправочных элементов, поэтому они поступают на монтаж россыпью и укрупняются на месте.
Элементы соединяют сваркой или высокопрочными болтами. Применять болты повышенной точности и заклепки не следует из-за большой трудоемкости.
Рассчитывают большепролетные фермы и подбирают их сечения аналогично легким фермам промышленных зданий.
Вследствие больших опорных реакций возникает необходимость передачи их строго по оси узла фермы, в противном случае могут возникнуть значительные дополнительные напряжения.
|
|
Четкая передача опорной реакции может быть достигнута посредством тангенциальной (рис.4) или специальной балансирной опоры (рис. 5).
При пролетах 60-90м становится существенным взаимное смещение опор из-за прогиба фермы и ее температурных деформаций. В этом случае одна из опор может быть катковой (рис.6), допускающей свободные горизонтальные перемещения.
Если фермы устанавливаются на высокие гибкие колонны, то даже при пролетах до 90м обе опоры могут быть неподвижными из-за податливости верхних частей колонн.
Большепролетные балочные системы могут состоять из трехгранных ферм с предварительным напряжением, удобных в изготовлении, транспортировке и монтаже (рис.7).
Включение в совместную работу на сжатие ж/б плиты, уложенной по верхним поясам фермы, использование трубчатых стержней и предварительного напряжения делают такие фермы экономичными по затрате металла.
|
Рис. 7 |
Рациональной системой для пролетов 40-60 м является объемно-блочная предварительно напряженная конструкция, в которой несущая конструкция совмещена с ограждающей (рис. 8).
|
Рис. 8 |
Конструкция состоит из объемных блоков, включающих две вертикальные фермы высотой 2,5 м, расставленные на расстоянии 3 м и соединенные по верхним и нижним поясам стальными листами δ=16 мм. Балка собирается из отдельных блоков длиной 10-12 м.
Стальные листы включаются в расчетные сечения верхнего и нижнего поясов ферм.
Чтобы тонкий лист мог работать на сжатие, в нем создается предварительное растягивающее напряжение по величине большей сжимающего напряжения от нагрузки.
Рамные конструкции
Рамы, перекрывающие большие пролеты, могут быть двухшарнирные и бесшарнирные.
Бесшарнирные рамы более жестки, экономичнее по расходу металла и удобнее в монтаже; однако они требуют более массивные фундаменты с плотными основаниями для них и более чувствительны к температурным воздействиям и неравномерным осадкам опор.
Рамные конструкции по сравнению с балочными более экономичны по затрате металла и более жестки, благодаря чему высота ригеля рамы имеет меньшую высоту, чем высота балочных ферм.
|
|
Рамные конструкции применяются для пролетов до 150м. При дальнейшем увеличении пролетов они становятся неэкономичными.
В большепролетных покрытиях применяются как сплошные, так и сквозные рамы.
Сплошные рамы применяются редко при небольших пролетах (50-60 м), их преимущества: меньшая трудоемкость, транспортабельность и возможность уменьшения высоты помещения.
Наиболее часто применяются рамы с шарнирным опиранием. Высоту ригеля рам рекомендуется принимать равной: при сквозных фермах 1/12-1/18 пролета, при сплошных ригелях 1/20 – 1/30 пролета.
Рамы рассчитывают методами строительной механики. В целях упрощения расчета легкие сквозные рамы можно приводить к эквивалентным им сплошным рамам.
Тяжелые сквозные рамы (типа тяжелых ферм) должны рассчитываться как решетчатые системы с учетом деформации всех стержней решетки.
При больших пролетах (более 50 м) и невысоких жестких стойках необходимо производить расчет рам на температурные воздействия.
Ригели и стойки сплошных рам имеют сплошные двутавровые сечения; их несущая способность проверяется по формулам для внецентренно сжатых стержней.
В целях упрощения расчета решетчатых рам их распор допускается определять как для сплошной рамы.
Рекомендуется следующий порядок расчета большепролетных рам:
1. приближенным расчетом устанавливают предварительные сечения поясов рамы;
2. определяют моменты инерции сечений ригеля и стоек по приближенным формулам;
3. рассчитывают раму методами строительной механики; расчетную схему рамы следует принимать по геометрическим осям;
4. определив опорные реакции, находят расчетные усилия во всех стержнях, по которым окончательно подбирают их сечения.
Типы сечений, конструкция узлов и соединения рамных ферм такие же, как и для тяжелых ферм балочных конструкций.
|
|
Уменьшение изгибающего момента в ригеле рамы можно получить путем передачи веса стены или покрытия пристроек, примыкающих к главному пролету, на внешний узел стойки рамы.
Другим искусственным приемом разгрузки ригеля является смещение в двухшарнирной раме опорных шарниров с оси стойки внутрь. В этом случае вертикальные опорные реакции создают дополнительные моменты, разгружающие ригель.
Арочные конструкции
Арки применяются в павильонах, крытых рынках, ангарах, спортивных залах и т.п.
По затрате металла арки оказываются значительно выгоднее, чем балочные и рамные системы. Кроме того арки просты в изготовлении и монтаже.
|
|
Двухшарнирные арки (рис.1) могут легко деформироваться вследствие свободного поворота в шарнирах, и, благодаря этому, в них не возникает существенное увеличение напряжений от температурных воздействий и осадок опор.
Трехшарнирные арки (рис.2) не имеют особых преимуществ по сравнению с двухшарнирными, поскольку их статическая определимость при достаточной деформативности арочных конструкций существенного значения не имеет.
Наличие ключевого шарнира усложняет конструкцию арок и устройство кровельного покрытия.
Бесшарнирные арки (рис. 3) имеют наиболее благоприятное распределение изгибающих моментов по пролету и поэтому оказываются самыми легкими; однако они требуют массивных опор и их приходится рассчитывать на температурные воздействия.
При наличии затяжки опоры воспринимают (в основном) вертикальные нагрузки и поэтому получаются более легкими.
Затяжка может одновременно использоваться для устройства подвесного потолка и для создания предварительного напряжения в арках.
Очертание арок выбирается близким к линии давления. При симметричной, равномерно распределенной по хорде арки нагрузке (в пологих арках 
) наиболее выгодным является очертание арки по квадратной параболе. Параболу часто заменяют дугой окружности, что в пологих арках не приводит к существенному изменению усилий, но значительно упрощается проектирование и изготовление арок, поскольку при постоянной кривизне дуги достигается наибольшая стандартизация конструктивных элементов и узлов арки.
|
|
Для высоких арок с большим собственным весом целесообразно принимать очертание по цепной линии (катеноиду), Однако в высоких арках большие усилия вызывает ветровая нагрузка, которая может действовать с обеих сторон и давать две резко расходящиеся линии давления. В этом случае очертание арки целесообразно принимать по середине между двумя крайними линиями давления.
В многопролетных арках распоры смежных пролетов в значительной мере уравновешиваются, и средние опоры работают на изгиб только от односторонней временной вертикальной и ветровой нагрузок.
|
|
Двухшарнирные сплошные арки проектируют чаще всего с параллельными поясами (рис. 4)
Сквозные арки делают или с параллельными поясами или, при большой высоте арки, с переломом наружного пояса, который над опорами имеет вертикальные участки (Рис. 5) Около опор пояса арок сближаются и заканчиваются опорным устройством – шарниром.
Высоту сечения сплошных арок назначают в пределах (1/50÷1/80) пролета, сквозных – в пределах (1/30÷1/60) пролета. Возможность применения в арках небольшой высоты сечения объясняется малой величиной изгибающих моментов.
Сплошные арки проектируются сварными с сечением в виде широкополочного двутавра (как и в сплошных рамах), в пологих арках продольные силы велики, поэтому стенку поперечного сечения арки можно назначать большей толщины, чем в раме.
Сквозные арки проектируются аналогично легким фермам. Пояса их компонуются из двух уголков или из двух легких швеллеров.
При больших усилиях применяются двухстенчатые сечения. Если кривая давления не выходит за пределы высоты сечения, то оба пояса оказываются сжатыми и тогда особое внимание необходимо обратить на обеспечение устойчивости. Сечения элементов, поскольку поперечная сила мала, подбирают по гибкости из уголков или из небольших швеллеров. Криволинейное очертание сплошных арок усложняет их изготовление.
Сквозные арки в целях упрощения изготовления могут иметь ломаное очертание. В арках применяется также предварительное напряжение или регулирование усилий.
Одним из приемов рационального распределения усилий является принудительное смещение опорных узлов наружу после установки арки на опоры. При этом в нижнем поясе и раскосах арки возникает растягивающие напряжения, которые могут быть достаточными для погашения сжимающих напряжений от внешней нагрузки. В этом случае нижний пояс и решетка арки могут быть выполнены из стальных канатов, а верхний пояс – жестким.
Наиболее сложными конструктивными узлами в арках, так же как и в рамах, являются опорные и ключевые шарниры.
Опорные шарниры могут быть трех типов: плиточные, пятниковые и балансирные.
Плиточные шарниры имеют наиболее простую конструкцию. Применяются они при сравнительно небольших опорных давлениях и преимущественно при вертикальном положении примыкающей к шарниру части арки.
Пятниковые шарниры имеют специальное опорное гнездо – пятник, в который вставляется закругленная опорная часть арки. Пятник делают литым или сварным из листовой стали.
Балансирные шарниры применяют в тяжелых арках. Конструкция шарнира состоит из верхнего и нижнего балансиров, в гнезда которых укладывают плотно пригнанную цилиндрическую цапфу. Арку крепят к верхнему балансиру через плиту, которую приваривают к контуру опорного сечения арки и притягивают болтами к балансиру. Торцы опорных сечений арки обычно фрезеруют.
Для восприятия отрицательных реакций от действия ветра может появиться необходимость крепления легких и высоких арок к опорам анкерными болтами. Анкерные болты следует располагать по оси арки, чтобы они не мешали свободному повороту конструкции в опорных шарнирах, закрепляют анкеры в консолях, приваренных к стенке арки (см. плиточный шарнир).
В ключе арки также могут быть применены плиточные или балансирные шарниры (рис.7а, б), которые проектируются аналогично опорным. В ключе легких арок могут применяться листовые (рис.7в) или болтовые (рис.7г) шарниры.
Арочные конструкции рассчитывают на вертикальные (собственный вес, снег) и ветровые нагрузки. Температурные воздействия для арок обычно несущественны. Вертикальные нагрузки относят к основным сочетаниям нагрузок, ветровые и температурные воздействия – к дополнительным, величина которых при определении расчетного усилия принимается с коэффициентом сочетания nc = 0,9.
Существенной нагрузкой для арочных конструкций является давление ветра. Ветровая нагрузка для арочных покрытий, не имеющих стен, принимается по упрощенной схеме.
Расчетный коэффициент обтекания имеет положительное значение только в первой четверти дуги арки с наветренной стороны; в средней части дуги коэффициент обтекания имеет max по абсолютной величине отрицательное значение (отсос) и в последней четверти величина его резко падает, сохраняя отрицательное значение.
Ветровое давление считается приложенным нормально к поверхности арочного покрытия. Отрицательные ветровые усилия в высоких арках при малом собственном весе арки могут вызвать отрицательные опорные реакции.
На величину ветрового давления существенное влияние оказывают открытые проемы. При открытых торцах арочных покрытий ветер направленный параллельно торцам, обтекает сооружение с двух сторон, и внутри образуется вакуум, увеличивающий положительное давление на арки и уменьшающий отсос.
Для покрытий, торцы которых могут быть открытыми (навесы, вокзальные перекрытия и т.п.) необходимо учитывать возможные комбинации трех видов ветровых нагрузок:
1) бокового или торцового давления ветра на сооружение;
2) вакуума, создаваемого вследствие отсоса воздуха из-под арочного покрытия;
3) действия ветра внутри сооружения, который попадает под покрытие через широкие проемы и создает отрицательное давление.
Последние два вида нагрузок не нормированы и устанавливаются специальными техническими условиями для данного сооружения или на основе аэродинамических испытаний на моделях.
Конструкции арочных покрытий при расчете расчленяют на отдельные элементы (арки, прогоны и т.п.) и рассчитывают методами строительной механики (определяют M , Q , N).
Сечения стержней сквозных арок подбирают так же, как сечения стержней ферм. Арка как криволинейный сжатый брус требует проверки устойчивости.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 1026.
