Плоскостные распорные конструкции из жёстких материалов

История развития большепролетных конструкций

Переход к большепролетным конструкциям был плавным, изучая примеры шедевров архитектуры прошлых эпох мы можем проследить как менялся подход к проектированию, как увеличивались расстояния между опорами и как менялись применяемые материалы.

Первыми большепролетными строениями научное сообщество признает Флорентийский собор, Пантеон в Риме и мечеть Айя-София. Именно с этих грандиозных по масштабу инженерной мысли строений начинается развитие большепролетных конструкций. Из-за сложности обработки камня и отсутствия грузоподъемной техники строительство в прежние времена велось десятилетиями, а сами сооружения получались массивными. Деревянные конструкции были легче, но менее долговечны, в подверженных постоянным пожарам городах они не могли служить долгое время.

Рассмотрим ключевые этапы начала применения новых материалов:

• большим прорывов в развитии конструкций послужило развитие металлургии и уже в 19 веке большепролетные конструкции получили широкое распространение;
• с совершенствованием железобетона в 20 веке удалось добиться уменьшения веса, появились тонкостенные пространственные конструкции;
• со второй половины двадцатого века разрабатываются решения по применения висячих покрытий, рассчитываются стержневые системы, пневматические системы, каждая из которых находит свою сферу применения.

Рисунок 1. Виды арок. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Плоскостные распорные конструкции из жестких материалов

Плоскостные распорные конструкции представлены арками и рамами. Их отличие от ферм и балок, то есть от безраспорных конструкций, состоит в том, что помимо вертикальной нагрузки от собственного веса и веса покрытия, они передают на опоры распорные усилия.

Рассмотрим подробнее особенности распорных конструкций:

• арка представляется собой распорную систему кругового очертания, арки используются для пролетов более 100 метров, это огромная величина, которая используется в выставочных центрах, промышленных цехах, стадионах и зрелищных залах. Арками ставятся с шагом в 6-12 метров. В зависимости от размера пролета подбирается материал и форма арки. Для малых пролетов до тридцати метров используют дерево или железобетон, а также металл. Для средних по размеру пролетов (от тридцати до пятидесяти метров) применяется двутавровое сечение для любого материала, и в пролетах более пятидесяти метров применяют решетчатую систему. Арки считаются наиболее целесообразными для пролетов от двадцати до шестидесяти метров. Форма арки задается подъемом, который может составлять от четверти до одной шестой от пролета. Высота арки составляет примерно 1/50-1/80 от длина пролета для двутаврового сечения;
• рама представляет собой упругую распорную систему, которая составлена из прямолинейных (реже криволинейных элементов), которые жестко связаны между собой в узлах. Чтобы определить высоту сечения для предварительных расчетов используют статистической соотношение, согласное которому высота для таврового или двутаврового сечения равна 1/25-1/30 от пролета. Высота решетчатых рам составляет 1/20-1/25 от пролета. Рамы чаще всего применяют для небольших пролетов, размер которых составляет двенадцать-сорок метров. Рамы можно встретить в складских помещениях, мостах, спортивных залах и сельскохозяйственных зданиях.

В отличие от плоскостных систем, работающих в одной плоскости, пространственные системы, к примеру своды, представляют собой конструкцию, схожую по принципу работу с аркой, они работают как изогнутая плита большой толщины. Форма свода может быть различной, к примеру, эллиптической, стрельчатой или циркульной. Одним из самых важных параметров для свода является толщина, предварительной она назначается как радиус, деленный на двадцать, где под радиусом понимается радиус кривизны.

Если для арок и рам в качестве жестких материалов применяют железобетон, дерево или металл, то своды могут быть выложены из камней, природных или искусственных. Швы между камнями должны быть клиновидными.

Развитие большепролетных конструкций идет по пути уменьшения веса при сохранении прочностных характеристик. Уменьшение веса конструкций приводит к меньшим затратам на всех этапах от добычи до транспортировки и монтажа.