Балочные, рамные и арочные большепролетные конструкции состоят из отдельных плоских, жестких дисков (несущих элементов), соединенных между собой легкими связями, неспособными перераспределять нагрузку между несущими элементами. Приложенная к этим конструкциям нагрузка передается в одном направлении вдоль несущего элемента.
В пространственных системах связи усиливаются и привлекаются к распределению усилий и передаче их на опоры. В результате этого основные несущие элементы облегчаются, структура всей конструкции меняется. Приложенная к пространственной конструкции нагрузка передается в двух направлениях. Пространственная конструкция получается легче плоскостной.
Пространственные конструкции могут быть плоскими (плиты) и криволинейными (оболочки).
Плоские пространственные системы (исключая висячие) для обеспечения жесткости должны быть двухслойные.
Оболочки могут быть и однослойными и двухслойными. Наибольшее распространение получили решетчатые пространственные конструкции, образующие по поверхности сетчатую систему.
Однослойные конструкции имеют криволинейную сетчатую поверхность и называются односетчатыми.
Двухслойные конструкции имеют две параллельные сетчатые поверхности, соединенные между собой жесткими решетчатыми связями; они называются двухсетчатыми.
В пространственных сетчатых конструкциях принцип концентрации материала заменен принципом многосвязности системы. Осуществление таких конструкций более трудоемко, требует специальных приемов изготовления и монтажа, что является одной из причин ограниченного применения пространственных конструкций.
Структурные конструкции.
В современном строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, называемые структурными конструкциями или просто структурами (модули).
Структурные конструкции чаще применяются в виде плоских покрытий большепролетных общественных и производственных зданий; реже они применяются в криволинейных покрытиях (сводах, куполах и т.п.).
Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрестных ферм (рис.9)
Количество пересекающихся в одном узле ферм, а также их вертикальное или наклонное положение дают разнообразное структурные построения. В каждой структуре можно выделить свой многократно повторяющийся объемный элемент, называемый кристаллом (рис.10).
Структуры, образованные из перекрестных ферм, идущих в трех направлениях (рис.9а), имеют статически неизменяемые кристаллы, могут работать на кручение и поэтому являются наиболее жесткими. Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях (рис.9б) имеют статически изменяемые кристаллы, они не работают на кручение и поэтому менее жестки.
Структуру из ферм, идущих в двух направлениях, можно усилить диагоналями в угловых зонах (рис.9в)
Не усложняя систему можно увеличить жесткость конструкции, включив в совместную работу со структурой кровельный настил (металлический и ж/б).
Структурные плоские покрытия обладают рядом достоинств, определяющих область их рационального применения.
Благодаря большой пространственной жесткости структурными конструкциями можно перекрывать пролеты более 50 м при небольшой строительной высоте 1/15÷1/20 пролета, что позволяет получить выразительное архитектурное решение.
Регулярность строения конструкции позволяет собирать из одних стандартных элементов покрытия разных пролетов и конфигураций в плане.
Частая сетка узлов дает возможность осуществлять крепление подвесного транспорта в любой точке и изменять при необходимости направление его движения. Многосвязность системы повышает степень ее надежности при внезапных местных разрушениях.
К недостаткам структурных систем относится повышенная трудоемкость их изготовления и сборки. Этот недостаток частично компенсируются однородностью операции при изготовлении и сборке, что создает условия для поточного производства стандартных конструктивных элементов.
Системы могут быть как однопролетные, так и неразрезные многопролетные, с опиранием на стены, фермы или на отдельно стоящие колонны с развитыми капителями, в виде безбалочных перекрытий или подвешенные к вантовой системе.
Оптимальный угол наклона раскосов из условия минимального веса структуры равен 45°, практически этот угол принимается в пределах 35-50°. Применение в структурах низколегированных и высокопрочных сталей становится рациональным при пролетах более 40 м, применение стержней трубчатого сечения может дать до 25 % экономии стали по сравнению со стержнями из прокатного профиля. Структурная конструкция представляет собой многократно статически неопределенную систему, точный расчет которой сложен.
В общем случае можно применить упрощенный подход, рассматривая конструкцию как ортотропную (одинаковые свойства в одном направлении) пластинку с упругими характеристиками и граничными условиями, соответствующими стержневой конструкции. При такой расчетной схеме учитываются действия как изгибающих так крутящих моментов.
В практике проектирования структуры чаще рассчитывают как изотропные плиты или как системы перекрестных ферм (при квадратных ячейках сеток поясов) без учета крутящих моментов. Величины моментов и поперечных сил определяют по таблицам для расчета плит.
Получив из расчета плиты величины расчетных значений Мпл и Q пл переходят к расчетным усилиям стержня по соответствующим формулам. Прогибы также вычисляют по таблицам для изотропных и перекрестных ферм. Этот метод расчета дает запас прочности. Наиболее эффективно структуры работают на сосредоточенные нагрузки.
Оболочки
Односетчатые оболочки.
Односетчатые оболочки, перекрывающие прямоугольное в плане здание, проектируются в виде цилиндрической поверхности, по которой расположены стержни, образующие сетки различной системы.
Наиболее проста сетка ромбического рисунка (рис.11б), не имеющая продольных элементов, что не обеспечивает необходимой жесткости конструкции в продольном направлении. Такая конструкция работает как свод в поперечном направлении (с пролетом В), передавая нагрузку на продольные стены (вдоль стороны L).
|
|
Распор свода должен восприниматься стенами или затяжками, соединяющими обвязки свода, укладываемые на стену. Стержни изготавливаются из прокатных или штампованных профилей, труб, а в тяжелых сводах стержни выполняются в виде сквозных прутковых прогонов или фермочек небольшой высоты (1/80÷1/120) пролета В.
При расчете свода вырезается полоса шириной в одну ячейку «а», для которой определяют значения изгибающих моментов и нормальных сил.
Жесткость конструкции при наличии в сетках продольных элементов увеличивается (рис.11в). Конструкция может работать как оболочка пролетом L. Опорами оболочки могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовой диафрагмой (рис.11а). Чтобы увеличить жесткость оболочки, крайние свободные грани усиливают вертикальными и горизонтальными бортовыми элементами.
Наиболее жесткими с минимальной металлоемкостью являются сетки с продольными и поперечными стержнями (ребрами), а решетка направлена к ним под углом 45° (рис.11д). Наличие поперечных ребер даже с небольшим моментом инерции уменьшает деформацию поперечного контура, перераспределяя изгибающие моменты и выравнивая эпюру нормальных напряжений по всему поперечному сечению.
Конструкции оболочек отличаются от сводов тем, что собираются из отдельных плоских ферм, соединяемых на монтаже вдоль продольных элементов (ребер) болтами.
Односетчатыми оболочками можно перекрывать пролеты до 90м.
Оболочки без поперечных ребер рассчитывают как безмоментные складки. При наличии поперечных ребер, обеспечивающих жесткость контура, расчет производится по моментной теории. Если нагрузка расположена в поперечном направлении симметрично, то жесткую оболочку, особенно укрепленную бортовыми элементами, можно рассчитывать как балку, опертую на торцовые диафрагмы.
При расчете сквозных сетчатых оболочек сквозные стержни (ребра) заменяют для упрощения сплошными пластинками. Толщина пластинки должна быть эквивалентной стержневой системе по работе на сдвиг (при действии сдвигающих усилий) или на растяжение и сжатие (при действии осевых усилий). Приведенная толщина эквивалентной сплошной пластинки зависит от типа решетки.
Двухсетчатые оболочки
Конструктивные схемы двухсетчатых оболочек аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит-структур.
Как и в структурах, двухсетчатые оболочки образуются системами перекрестных ферм, связанных по верхним и нижним поясам дополнительными связями – решеткой.
По верхнему поясу решетка (в плоскости сетки) может быть заменена кровельным металлическим настилом, прикрепленным к поясам ферм. В оболочках основная роль в восприятии усилий принадлежит криволинейным сетчатым плоскостям, соединяющая их решетка мало участвует в передаче усилий, но придает конструкции большую жесткость.
По сравнению с односетчатыми оболочками двухсетчатые обладают большей жесткостью и несущей способностью, поскольку в них верхняя и нижняя сетчатые системы работают как обычные оболочки, то есть распределяют внутренние усилия в двух направлениях, передают значительную долю нагрузки непосредственно на опоры, разгружая соединяющую решетку. Жесткость продольных ферм (поясов и решетки) существенно увеличивает эффект продольной передачи усилий; жесткость поперечных ферм существенно уменьшает деформативность контура поперечного сечения оболочки. Двухсетчатыми оболочками перекрывают пролеты до 700м. Они чаще проектируются в виде цилиндрической поверхности, опирающейся на продольные стены (свод) или на металлические колонны. Наивыгоднейшее распределение усилий в оболочке получается при равенстве пролета и длины оболочки B = L (рис.11а). По торцам оболочки опираются на жестки диафрагмы – стены, фермы, арки с затяжками и т.п.
Двухсетчатые оболочки по характеру своей работы аналогичны трехслойной оболочке, у которой заполнителем служит решетка.
При расчете оболочки стержневую сетчатую поверхность приводят к эквивалентной сплошной оболочке, устанавливают модуль сдвига среднего слоя, эквивалентного по жесткости соединительной решетке.
При расчете тонких оболочек ( 
) деформации сдвига среднего слоя пренебрегают; оболочку рассчитывают как однослойную, сплошную с приведенной толщиной и модулем упругости.
Более толстые оболочки ( 
) также могут рассматриваться как сплошные, только их цилиндрическая жесткость определяется с учетом деформации решетки.
Переход от расчетных погонных усилий в эквивалентной сплошной оболочке к усилиям в отдельных стержнях двухсетчатой оболочки осуществляется по соответствующим формулам.
Купольные покрытия.
Конструкции куполов бывают трех видов: ребристые, ребристо-кольцевые, сетчатые.
3.3.1 
Ребристые купола.
Конструкции ребристых куполов состоят из плоских или пространственных ребер, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами. Верхние пояса ребер образуют поверхность купола, обычно сферическую. Ребра купола могут быть сквозными (в виде легких ферм) или сплошного сечения. Сплошные ребра тяжелее сквозных, но более просты в изготовлении. В вершине купола располагается кольцо, к которому примыкают ребра купола. Кольцо проектируется жестким; оно работает на изгиб с кручением, поскольку пара ребер, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных кольцом, рассматривается как единая арочная конструкция. При шарнирном креплении ребер к кольцу и небольшом его диаметре можно считать, что ребра работают как трехшарнирные арки.
Иногда при частом расположении ребер или по архитектурным соображениям кольцо получается больших размеров. Тогда с целью повышения устойчивости и жесткости кольцо раскрепляют внутренними распорками.
Ребристые купола являются распорной системой. Распор может быть воспринят конструкцией стен или специальным опорным кольцом. Опорное кольцо служит затяжкой ребер и рассчитывается на тангенциальные составляющие их реакции. Опорное кольцо может быть изогнуто по окружности, а также в виде многоугольника с жесткими или шарнирными соединениями в углах. На основание кольцо укладывается свободно и должно быть закреплено только от горизонтального смещения при действии ветровой нагрузки. Между ребрами укладываются кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Кольцевые прогоны обеспечивают общую устойчивость ребер купола из их плоскости, уменьшая расчетную длину ребер. Для обеспечения общей жесткости купола в плоскости кровли между ребрами устанавливают связи.
При расчете на вертикальную, симметричную относительно вертикальной оси купола нагрузку, купол разделяется на отдельные плоские арки, каждая из которых воспринимает нагрузку с приходящейся на нее грузовой площади. Если распор купола воспринимается опорным кольцом, то оно может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары ребер. Площадь сечения условной затяжки принимается такой, чтобы ее упругие деформации были равны упругим деформациям кольца в диаметральном направлении от горизонтальных реакций всех ребер.
При расчете купола на горизонтальную ветровую или несимметричную вертикальную нагрузку купол также разделяется на арки.
Купол разбивается на 4 квадранта: в первом и третьем квадрантах равнодействующая ветрового давления действует в одном направлении и вызывает горизонтальное смещение. Во втором и четвертом квадрантах ветер действует в противоположных направлениях и горизонтальных смещений купола не вызывает.
Наибольшее смещение получает расчетная арка, составленная из ребер, расположенных в плоскости равнодействующей ветрового давления в 1 и 3 квадрантах. Все арки, расположенные в 1 и 3 квадрантах, рассматривают как одну эквивалентную арку, считая ее для упрощения расчетов трехшарнирной.
Ребристо-кольцевые купола.
| |
В ребристо-кольцевых куполах кольцевые прогоны связываются с ребрами в одну жесткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб, но воспринимают растягивающие кольцевые усилия, а при жестких сопряжениях с ребрами – и изгибающие моменты от жесткости узлов.
Сечения купола, находящиеся в плоскостях кольцевых прогонов, не имеют свободных горизонтальных перемещений, поскольку они связаны между собой жесткими кольцами. При ребристо-кольцевой конструкции купола вес ребер уменьшается за счет работы кольцевых прогонов. Наиболее простое конструктивное решение получается при ребрах и кольцевых прогонах из прокатных профилей. В этом случае сопряжение ребер с прогонами можно конструировать по типу жестких сопряжений в балочных системах.
Кольцевые прогоны в ребристо-кольцевом куполе работают так же, как опорное кольцо в ребристом куполе, и могут быть заменены условными затяжками. При симметричной относительно оси купола нагрузке расчет купола можно вести, разделяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых прогонов.
Сетчатые купола
Если от ребристого и ребристо-кольцевого купола идти дальше по линии увеличения связности системы, то можно получить сетчатые купола.
В сетчатых куполах между ребрами и кольцами располагаются раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола и стержни работают только на осевые силы, что уменьшает вес ребер и колец.
Обычная система сетчатого купола состоит из радиальных ребер, кольцевых прогонов и диагональных связей, поставленных в каждом четырехугольнике, ограниченном двумя ребрами и двумя прогонами, то есть представляет собой многогранник, образованный из ребер и кольцевых прогонов. Многогранники сетчатых куполов могут быть разнообразными. Распространены звездчатые купола, все грани которых являются треугольниками, а также геодезические системы куполов, несущие элементы которых являются ребрами многоугольника, вписанного в сферу. В геодезических куполах достигается наибольшая однотипность стержней и узлов, что дает большие производственные преимущества.
Купол может быть однослойным и двухслойным. В двухслойных геодезических куполах, аналогично структурам, узлы сопряжения стержней размещаются на поверхности двух концентрически расположенных сфер, разность радиусов которых определяет конструктивную высоту поверхности купола. Двухслойная конструкция купола обладает большой жесткостью и несущей способностью и может перекрывать пролеты в несколько сотен метров.
Стержни сетчатых куполов чаще изготавливают из труб. В несущую систему куполов может быть включена ограждающая конструкция из штампованных алюминиевых или стальных листов.
Сетчатые купола рассчитывают по безмоментной теории, как сплошные осесимметричные оболочки.
Висячие покрытия
Висячими называются покрытия, в которых главная несущая пролетная конструкция работает на растяжение. Она может быть образована из стальных стержней, канатов, прокатных профилей. Возникающие в ее элементах растягивающие усилия условно называют тяжением нитей, а их горизонтальную составляющую – распором.
Висячие покрытия в последнее время нашли широкое применение в спортивных и выставочных сооружениях, гаражах, крытых рынках, городских залах общего назначения, некоторых производственных зданиях и других сооружениях. Этому способствует ряд преимуществ висячих покрытий перед традиционными конструктивными формами покрытий, к которым следует отнести:
1) Работу несущих конструкций на растяжение, что позволяет более полно использовать материал, поскольку несущая способность таких конструкций определяется прочностью, а не устойчивостью. Это особенно важно при применении высокопрочных материалов, для которых висячие покрытия являются наиболее перспективными областями применения.
С увеличением пролета преимущество висячей конструктивной формы покрытия повышаются, что подтверждается практикой мостостроения; уже существуют мосты пролетом 1000 м и более.
2) Большое разнообразие архитектурных форм висячих покрытий позволяет применять их для зданий самого различного назначения – от покрытий небольших коровников и теплиц до покрытия крупных общественных зданий.
3) Транспортабельность элементов висячих покрытий (канатов в бухтах, металлических оболочек в рулонах) и почти полное отсутствие вспомогательных подмостей при монтаже делают их достаточно индустриальными.
4) малый собственный вес несущей конструкции и ее повышенная деформативность делают ее сейсмостойкой, поскольку резко уменьшается сейсмический импульс на конструкцию.
Висячие конструкции имеют и недостатки, от удачного преодоления часто зависит эффективность применения системы в целом.
1) Висячие системы – системы распорные; для восприятия распора необходима специальная опорная конструкция, стоимость которой составляет значительную часть стоимости всего покрытия. Желание уменьшить стоимость опорной конструкции повышением эффективности ее работы приводит к преимущественному использованию покрытий круглой, овальной и других прямоугольных форм плана, которые плохо согласуются с современной планировкой производственных зданий; в этом одна из причин недостаточно широкого применения висячих покрытий для производственных зданий.
2) Повышенная деформативность. Она обуславливается, во-первых, повышенными упругими деформациями применяемых высокопрочных материалов и особенно канатов, в которых нормальные напряжения больше, а модуль упругости меньше, чем в обычной конструкционной стали. Таким образом, относительное удлинение элементов конструкции 
оказывается значительно большим, чем в традиционных конструкциях. Во-вторых, геометрической изменяемостью большинства систем висячих покрытий, в которых при нагружении их нагрузкой, отличающейся по своему характеру распределения от ранее действовавшей, появляются кинематические перемещения, вызванные изменением формы равновесия системы (для нити – изменение формы веревочной кривой) и сопровождающиеся изменением ее напряженного состояния; в-третьих, горизонтальной деформацией опор, их податливостью в распорных висячих системах. Повышенная деформативность висячих покрытий затрудняет герметизацию кровли, применение висячих покрытий в зданиях с крановым оборудованием, приводит в некоторых случаях к аэродинамической неустойчивости покрытий и усложняет их расчет.
Для уменьшения деформативности покрытия применяют специальные мероприятия, стабилизирующие его.
3) Трудность водоотвода с покрытия.
Конструктивная форма висячих покрытий весьма разнообразна. По характерным особенностям работы несущей конструкции большинство из них можно разделить на несколько групп:
1. однопоясные висячие покрытия и металлические оболочки – мембраны;
2. покрытия двухпоясными системами;
3. покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами;
4. покрытия тросовыми фермами;
5. покрытия седловидными сетками;
6. комбинированные висячие системы.
Каждая из этих групп имеет свои положительные и отрицательные особенности. Действующие на висячие покрытия нагрузки подразделяются на постоянные и временные – длительно действующие и кратковременные. К постоянным нагрузкам относится вес несущих и ограждающих конструкций покрытия. К временным длительно действующим нагрузкам относят вес подвесного потолка, вентиляционного и осветительного оборудования, которое часто подвешивается к несущей конструкции покрытия.
Главными кратковременными нагрузками являются ветровая и снеговая.
Расчетное значение ветровой нагрузки принимается в виде произведение коэффициента надежности по нагрузке, скоростного напора qo, коэффициента K, учитывающего изменения скоростного напора по высоте и аэродинамического коэффициента С. В действующем СНиП нет указаний по определению аэродинамических коэффициентов для большинства форм висячих покрытий. В процессе реального проектирования их обычно определяют экспериментально продувкой модели в аэродинамической трубе. Значение этих коэффициентов зависит от многих параметров здания, что затрудняет их обобщенную рекомендацию. Данные продувок показывают, что ветер на подавляющей части поверхности большинства покрытий оказывает отрицательное давление – отсос.
В легких покрытиях, особенно при недостаточном закреплении его краев, неравномерное давление ветра вызывает большие деформации покрытия и даже явление аэродинамической неустойчивости покрытия, то есть его вибрацию или полное вывертывание покрытия. В этих случаях необходима специальная стабилизирующая конструкция, предохраняющая покрытие от этого явления.
Для покрытий, собственный вес которых (вместе с подвесными потолками и технологическим оборудованием) составляет 1,5÷2 кН/м2 и края которых по всему периметру закреплены, явление аэродинамической неустойчивости не угрожает, и они не нуждаются в какой-либо дополнительной стабилизации, а проверка покрытия на действие ветра становится необязательной.
Снеговая нагрузка на покрытие обычно просматривается в нескольких вариантах: в виде равномерно распределенной по покрытию и несколько вариантов неравномерного распределения, учитывающего возможный передув снега ветром, частичную очистку покрытия от снега и др.
Расчет несущих конструкций висячих покрытий проводится для определения прочности сооружения и для определения его деформативности. Нерастяжимая нить может иметь только кинематические перемещения и изменяет форму очертания в зависимости от вида и расположения нагрузки. Упругие деформации (удлинение и провис), могут быть только в упругой нити. При упругой деформации увеличивается стрелка провиса нити, а вместе с тем уменьшается усилие в ней, непосредственно зависящее от величины стрелки. Таким образом, при увеличении нагрузки (и стрелки) усилие нити возрастает нелинейно. Следовательно расчет нити не отвечает правилам линейной строительной механики. Расчет нити без учета упругих деформаций дает завышенные значения усилий в нити, что идет в запас прочности. Влияние упругих деформаций на усилие нити зависит от отношения 
, 
- стрелка провиса нити, 
- ее приращение от действия нагрузки. Оно существенно только при малых стрелках и при 
составляет около 10 %.
Влияние упругих деформаций на точность определения перемещений нити (прогибов) большое и должно учитываться уже при отношении 
< 
. Пологая гибкая нить является основой большинства висячих систем. Нелинейность работы висячих систем, особенно при неравновесных нагрузках (вызывающих кинематические перемещения) часто вынуждает делать расчет три раза: первоначально приближенно вручную для ориентировочного выбора сечений, затем уточнено с учетом нелинейности работы и взаимного влияния отдельных частей системы, обычно на ЭВМ, с последующей корректировкой первоначально заданных сечений и, наконец, последний, контрольный расчет на ЭВМ для окончательной проверки несущей способности всех элементов и деформативности системы.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 1030.
