Комбинированными называются системы, в которых стабилизацию производят введением в конструкцию покрытия жестких элементов, работающих на осевое усилие и поперечный изгиб.

Применение комбинированных систем особенно рационально, если возможно действие неравномерно распределенных нагрузок. В этом случае жесткий элемент, работая на изгиб, перераспределяет нагрузку между гибкими элементами, благодаря чему уменьшается деформация покрытия.

Среди комбинированных систем наиболее распространены консольные. Система эта состоит обычно из консольных балок или ферм, шарнирно опертых на поддерживающую конструкцию и подвешенных к пилону одной или несколькими подвесками.

Расчет консольных систем ведется обычными методами строительной механики с учетом удлинения подвесок и специфических особенностей не имеет.

Стальные каркасы многоэтажных зданий

При большой этажности зданий (20-30 этажей и выше) рационально разделение конструкций на несущие и ограждающие. Функции несущих конструкций выполняют каркас из высокопрочных материалов (сталь, ж/б); функции ограждающих конструкций – легкие стеновые панели с эффективными термоизоляционными материалами.

Каркасы могут быть стальными, ж/б и смешанными – колонны нижних этажей из стали, верхних из ж/б.

С повышением этажности здания целесообразность применения стального каркаса увеличивается. На каркас многоэтажного здания действуют следующие нагрузки: вертикальные – собственный вес здания (постоянные), полезные нагрузки помещений (временные длительные); горизонтальные – ветровые (кратковременные), сейсмические (особые).

Основными элементами каркаса являются колонны и балки, образующие систему, воспринимающую как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки, и передающую их воздействия на фундамент. Фундамент обычно проектируют в виде сплошной ж/б плиты, наилучшим образом распределяющей неравномерно приложенные к фундаменту нагрузки по всей площади основания здания.

Вертикальные нагрузки через балки перекрытия передаются на колонны и затем на фундамент. Для восприятия и передачи горизонтальных нагрузок на фундамент нужно создать в каркасе жесткие в горизонтальном направлении системы.

Такие системы могут быть:

1) бескаркасные системы, состоящие из пластинок (стен), оболочек открытого и замкнутого профиля, объемных тонкостенных блоков;

2) каркасные системы, состоящие из стержней;

3) смешанные системы, состоящие из элементов каркасных и бескаркасных систем.

Металлические несущие конструкции применяют в каркасных и смешанных системах.

Каркасные и смешанные системы в зависимости от распределения функций в системе для обеспечения ее пространственной жесткости и устойчивости подразделяются на:

1) рамные;

2) связевые;

3) рамно-связевые.

Рамные системы

Рамная система состоит из жестко соединенных колонн и ригелей, образующих плоские и пространственные рамы, объединенные перекрытиями.

В обычной рамной системе (рис. а) колонны регулярно расположены по всему плану здания с шагом 6-9 м. Пространственная жесткость и эффективность работы рамной системы существенно повышается при размещении колонн только по контуру здания с образованием внешней пространственной рамы (рис. б).

Преимущества системы с внешней пространственной состоит в повышении ее общей изгибной жесткости, потому что при распределении колонн по контуру увеличивается момент инерции горизонтального сечения каркаса. Система отличается высокой жесткостью при кручении. Эта система имеет и другие названия: рамная оболочка, рамная труба. Секционно-рамная система (рис. в), структура которой в плане напоминает обычную рамную систему, а составляющие ее плоские рамы решены как грани системы с внешней рамой и имеют часто расположенные колонны (шаг колонн меньше размера секции в плане). Жесткость этой системы по сравнению с предыдущей повышается благодаря дополнительному сопротивлению внутренних рам.

По такой системе построено здание высотой 442м (109 этажей) США.

Связевые системы.

Связевая система состоит из связевой конструкции, колонн и шарнирно присоединенных к ним ригелями.

Основные связевые системы:

1) с диафрагмами;

2) с внутренним стволом;

3) с внешним стволом.

Диафрагмы могут быть решены в виде плоских ферм, стенок жесткости (обычно ж/б), тяжелых рам.

Внутренний ствол может иметь открытое или замкнутое поперечное сечение. Возможно решение ствола в виде стальной пространственной фермы или жесткой рамы.

Внешний ствол, охватывающий все здание, наиболее эффективен с точки зрения обеспечения жесткости системы и восприятия горизонтальных нагрузок.

Рамно-связевые системы

Основные рамно-связевые системы аналогичны по своей схеме связевым, но отличаются от них рамным соединением колонн и ригелей, не входящих в связевую конструкцию.

4.4 Конструкции элементов и особенности расчета
стального каркаса многоэтажных зданий

При небольшой свободной длине колонн (в пределах этажа 3-4м) и большой площади сечения (нагрузка в нижних этажах достигает нескольких десятков тысяч кН, коэффициенты продольного изгиба получаются близкими к единице. Поэтому в колоннах применяют двутавровые сварные сечения с толстыми полками и стенками (δ = 40–60мм), а также сплошные квадратные и прямоугольные сечения. В ряде высотных зданий применены колонны из пакета толстых листов (40–60 мм), соединенных продольными связующими швами. В колоннах с небольшими усилиями (4000–5000 кН) применяют сечения из двух уголков (рис.1) и из 4-х (рис.2) уголков усиленных внутренним листом.

Колонны стыкуются по высоте через 2 этажа. Для удобства монтажа стыки размещают на 0,5-1м выше уровня междуэтажных перекрытий. Стыки проектируются с фрезеровкой торцов.

Базы колонн, как и стыки, проектируют с фрезерованными торцами с опиранием на строганую плиту толщиной до 200 мм.

Балки перекрытия проектируются двутаврового сечения – прокатные или сварные. Сопряжение балок с колоннами может быть шарнирным и жестким. При шарнирном сопряжении балки передают на колонны только вертикальные реакции; при жестком сопряжении – вертикальные реакции и момент.

Связи контролируют как фермы, у которых поясами служат колонны, стойками балки перекрытий, и дополнительно ставят раскосы.

Стальной каркас многоэтажных зданий рассчитывают на несущую способность и жесткость. Несущую способность проверяют при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок; жесткость проверяют при действии горизонтальных нагрузок – ветра.

При статическом расчете сложная пространственная система каркаса расчленяется на отдельные плоские системы.

Горизонтальную нагрузку воспринимают рамы, расположенные по всем рядам колонн (рамная система), или отдельные связи (связевая система). При рамной системе каркаса вся ветровая нагрузка распределяется между рамами пропорционально их жесткостям. Ввиду большой степени статической неопределимости рам многоэтажных зданий усилия в них находят приближенными методами. Распространен расчет, при котором рама принимается как статически определимая в результате размещения шарниров посередине пролета балки и посередине высоты колонн в пределах каждого этажа.

Ветровая нагрузка на отдельно стоящие вертикальные связи распределяется пропорционально их жесткостям. Если связи поставлены несимметрично, то необходимо учитывать дополнительные воздействия на них, получаемые от закручивания системы. После определения величин нагрузок, действующих на связи, они рассчитываются как вертикальные фермы обычными методами статики.

Листовые конструкции

Листовые конструкции представляют собой различные сооружения типа оболочек, несущей основой которых являются плоские или изогнутые металлические листы (пластинки и оболочки). Они применяются для хранения, перегрузки, транспортировки, технологической переработки жидкостей, газов и сыпучих материалов. Листовые конструкции широко применяются во всех областях промышленности и составляют по массе около 20 % всех применяемых М/К.

Листовые конструкции классифицируются по назначению:

1. резервуары для хранения жидкостей (нефти, нефтепродуктов, кислот, сжиженных газов и пр.);

2. газгольдеры для хранения и выравнивания состава газов;

3. бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов (руды, угля, цемента, песка и т.п.);

4. листовые конструкции доменных цехов (кожухи доменных печей, воздухонагреватели, пылеулавливатели и др.);

5. листовые конструкции специальных технологических установок (химических и нефтеперерабатывающих заводов);

6. трубопроводы большого диаметра для транспортировки воды и газов.

Элементами, образующими листовую конструкцию, являются плоские металлические листы – пластинки или изогнутые листы – оболочки. Работа и расчет пластинок и оболочек зависят от их геометрических параметров.

Работа и расчет плоских пластинок зависят от отношения , где l – пролет пластинки или наименьший размер в плане при опирании пластинки по контуру, t – ее толщина.

Пластинки малого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают только на изгиб. Напряжениями от распора пренебрегают, если

Пластинки большого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают на совместное действие изгиба и растяжения. У них .

Гибкие пластинки (мембраны) имеют отношение и работают как гибкие нити только на растяжение от распора.

Поверхность оболочек образуется изгибом листов по заданному радиусу кривизны. Оболочки, изогнутые в одном направлении с постоянным радиусом кривизны, называются цилиндрическими; если этот радиус изменяется вдоль оси вращения по линейному закону, получается коническая оболочка. Если оболочка образована изгибом листа во взаимно перпендикулярных направлениях, получается сферическая оболочка.

Работа и расчет оболочек зависят от отношения ее радиуса кривизны к толщине .

Тонкие оболочки листовых конструкций имеют отношение .

Равновесие элемента тонкой оболочки при определенных условиях соблюдается при наличии только осевых сил без изгиба (безмоментная теория расчета).

К таким условиям относятся:

1. сплошные осесимметричные нагрузки без резких изменений интенсивности;

2. участок оболочки должен быть сплошным, достаточно удаленным от так называемых краевых линий, препятствующих или искажающих плавность деформаций оболочки.

Такие линии образуются ребрами жесткости, днищами, резкими изменениями толщины, острыми перегибами.

Деформация оболочки в этих местах стеснена, на некотором участке происходит местный изгиб, которым нельзя пренебречь.

Возникновение изгибающих моментов у краевых линий называется краевым эффектом.

Напряжение для некоторых оболочек простейших форм:

1. Шаровая оболочка ,

где P – внутреннее давление;

r –радиус сферы; t – толщина оболочки;

2. Цилиндрическая оболочка ;  

Оболочки, как правило, испытывают двухосное напряженное состояние. Проверка их прочности производится по приведенным напряжениям

,

при этом должны соблюдаться условия ;

При равномерном внутреннем давлении  и  получаются растягивающими.

При равномерном внешнем давлении или внутреннем вакууме напряжения определяются по тем же формулам, однако будут другого знака, сжимающими. В этом случае оболочка может потерять устойчивость.

Проверка оболочек на устойчивость заключается в том, чтобы расчетные напряжения в оболочке  от нагрузки не превышали критических  которые зависят от вида оболочки, отношения , напряженного состояния и материала.