Конструкции большепролетных зданий

Лекция 12 КОНСТРУКЦИИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ 1 Большепролетные перекрытия с плоскими несущими конструкциям Большепролетными покрытиями зданий принято считать покрытия, пролет которых превышает 42 м. Большие пролеты имеют здания общественного назначения, где скапливается большое количество людей, например спортивные и театральные залы, выставочные павильоны, крытые рынки, вокзалы, и здания промышленного назначения, где основной технологический объект имеет крупные габариты или для его эксплуатации требуется большое свободное пространство, например судостроительные эллинги, авиасборочные цеха, экспериментально-лабораторные корпуса, ангары. Разнообразие функционального назначения большепролетных зданий обусловило применение в их несущих каркасах практически всех видов конструктивных систем: балочных, рамных, арочных, преднапряженных, комбинированных и пр. Для значительной части большепролетных покрытий основной нагрузкой является собственная масса несущих и ограждающих конструкций. Поэтому весьма эффективно использование сталей повышенной и высокой прочности, алюминиевых сплавов, применение предварительного напряжения, использование конструктивных систем с максимальным числом растянутых элементов, мембранных покрытий и т.п. Балочные конструкции В балочных несущих конструкциях большепролетных покрытий основные элементы работают на изгиб (балки, фермы) и имеют простые шарнирные опоры. Они не создают распора и практически не чувствительны к температурным изменениям. Такие виды покрытия эффективны при пролетах до 80 м. Балочные большепролетные конструкции применяют в случаях, когда опоры не могут воспринять распорных усилий. Для больших пролётов более эффективными являются фермы. Оптимальная высота ферм составляет 1/6… 1/8 пролёта; это приводит к необходимости устройства сложной шпренгельной решётки. Наиболее экономичны трёхгранные фермы с предварительным напряжением. Рисунок 1 – Балочное покрытие ангара Рациональной системой для пролетов 40-100 м является объемно-блочная предварительно-напряженная конструкция, в которой несущая конструкция совмещена с ограждающей. Конструкция состоит из объемных блоков, включающих две вертикальные фермы высотой 2,5 м, расставленные на расстоянии в осях 3 м и соединенные по верхним и нижним поясам стальными листами толщиной 8-16 мм (см. рис 2). Балки полного пролета собирают из отдельных отправочных блоков длиной 10-12м. Рисунок 2 – Объемно-блочная конструкция покрытия а) – конструктивная схема; б) – схема отправочного блока Стальные листы включаются в расчетные сечения верхнего и нижнего поясов ферм. Чтобы тонкий верхний лист мог работать на сжатие, в нем создается предварительное растягивающее напряжение по значению несколько больше сжимающего напряжения от нагрузки. Рамные конструкции В перекрытиях зданий больших пролетов обычно применяют двухшарнирные и бесшарнирные рамы (рис. 3). По сравнению с балочными системами рамные более экономичны по расходу металла и обладают большей жесткостью. Рисунок 3 – Системы сквозных рам: а – двухшарнирная рама; б – бесшарнирная рама Это объясняется уменьшением изгибающего момента в средней части ригеля из-за разгружающего действия опорных моментов. При этом увеличение момента в стойках рамы не приводит к их существенному утяжелению из-за относительно небольшой высоты. Бесшарнирные рамы более экономичны и жестки, чем двухшарнирные, однако требуют массивных и дорогих фундаментов для восприятия опорных моментов, а также обладают большей чувствительностью к изменениям температуры и осадке опор из-за более высокой степени статической неопределимости. Арочные конструкции Арочные покрытия чаще используются в зданиях гражданского назначения: павильонах, крытых рынках, спортзалах и т. п. Иногда их применяют в ангарах и гаражах, где отсутствует тяжелое крановое оборудование. Рисунок 4 – Схемы арок: а – трехшарнирная; б – двухшарнирная; в – бесшарнирная В большепролетных покрытиях чаще всего встречаются однопролетные арки. По статической схеме они могут быть трехшарнирными, двухшарнирными и бесшарнирными. Двухшарнирные арки получили наибольшее распространение на практике, так как они менее чувствительны к осадкам опор и изменениям температуры по сравнению с бесшарнирной в силу однажды статической неопределимости, более экономичны по сравнению с трехшарнирной аркой, не имеют проблем, связанных с коньковым шарниром, а фундаменты не испытывают влияния опорных моментов. Рисунок 5 – Арочное покрытие Дворца спорта в Лужниках (Москва): 1 – арка; 2 – затяжка; 3 – неподвижная опора; 4 – подвижная опора; 5 – фонарь При слабых грунтах или установке арок покрытия на высоких стенах может оказаться целесообразным устройство затяжек для восприятия распора. В этом случае фундаменты и стены будут воспринимать в основном вертикальные нагрузки, что может дать существенную экономию, а также улучшить внешнюю архитектуру здания. При наличии стен затяжки могут одновременно использоваться для поддержания технологического оборудования и различных устройств (вентиляция, освещение, подвесной потолок и т.д.). Арки, так же как балки и рамы, могут быть сплошностенчатыми и сквозными, с параллельными поясами и переменного сечения по длине. Сплошностенчатые арки выгодны при малых изгибающих моментах и больших нормальных силах. Поперечное сечение таких арок обычно двутавровое либо коробчатое. Сплошностенчатые арки более технологичны в изготовлении по сравнению со сквозными арками, допускают применение автоматической сварки, обладают меньшей концентрацией напряжений и, следовательно, повышенной выносливостью и хладостойкостью. Они также имеют повышенную долговечность и требуют меньших расходов по эксплуатации. Сквозные арки целесообразно проектировать при относительно небольших нагрузках и больших пролетах. Конструкции их аналогичны легким фермам. Пояса арок компонуются из уголков, тавров, легких швеллеров. При больших пролетах рационально использовать прокатные или составные двутавры. Наиболее рациональная форма решетки – треугольная со стойками или без них (рис. 7, а). В этом случае главные прогоны удобно располагать наклонно в плоскости стоек. Часто криволинейное очертание сквозных арок заменяют ломаной линией с длиной прямолинейного участка, равной длине отправочного элемента арки (6 – 12 м). Это значительно упрощает ее изготовление и транспортировку без усложнения монтажа. Такое решение может, однако, снизить архитектурно-композиционные качества покрытия. Рисунок 7 – Конструктивные решения сквозных арок: а – при наличии стоек; б – при отсутствии стоек; 1 – отправочная марка; 2 – главные прогоны; 3 – монтажные узлы 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. Сквозные арки около опоры, как правило, переходят в сплошное сечение, поэтому опорные шарниры в сплошных и сквозных арках имеют одинаковую конструкцию. Рисунок 8 – Опорные шарниры арок и рам: а – плиточный шарнир; б – пятниковый шарнир; в – балансирный шарнир; 1 – плита; 2 – цапфа; 3 – балансир Рисунок 9 – Ключевые шарниры арок: а – плиточный; б – балансирный; в – листовой; г – болтовой 2 Пространственные конструкции покрытий зданий Формообразование пространственных конструкций можно представить как развитие плоскостных систем (балочных, рамных, арочных и т.п.) путем усиления роли второстепенных элементов (прогонов, связей и т.п.) и вовлечения их в работу основных несущих конструкций покрытия. Таким образом, например, балочная система превращается в так называемую структурную плиту, арочная – в оболочку, радиально-арочная – в купол и т.д. Плоские сетчатые покрытия (структуры) Наиболее простой тип этой конструкции представляет собой перекрестную систему плоских ферм, занимающих вертикальное либо наклонное положение (рис. 2.1). Наибольшее распространение получили системы перекрестных ферм двух ортогональных направлений (рис. 2.1, а) и трех направлений (рис. 2.1, б). Рисунок 2.1 – Типы структурных покрытий с ячейками: а – квадратными; б – треугольными; 1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – диагональные элементы; 4 – раскосы; 5 – стойки; 6 – колонны Последние отличаются большей жесткостью, так как образуют треугольные ячейки. Однако они более трудоемки в изготовлении и монтаже ввиду более сложной геометрической структуры. Для обеспечения геометрической неизменяемости и жесткости покрытия первого типа в уровне верхнего пояса устраивают систему диагональных стержней 3. Для удобства построения и анализа геометрических схем структурных покрытий в них выделяют регулярно повторяющиеся элементы — кристаллы, которые могут иметь самые разнообразные формы (рис. 2.2). Путем наращивания и комбинирования различных кристаллов можно получать требуемые конструктивные формы покрытий. Рисунок 2.2 – Повторяющиеся объемные элементы (кристаллы) структур Рисунок 2.3 – Вантово-структурное покрытие: 1 – стойки; 2 – ванта; 3 – структура Покрытия могут быть решены по вантово-структурной схеме (рис. 3.3). Ванты создают плите дополнительные упругоподатливые опоры, уменьшая усилия в ее элементах. Структурные плиты удобны при применении подвесного транспорта. Частая сетка узлов дает возможность подвешивать пути практически в любой точке покрытия, при необходимости изменять их направление. Элементы структурных плит в основном работают на центральное растяжение или сжатие. Регулярность и ажурность кристаллической структуры плит дают возможность архитекторам, не закрывая металлические конструкции, создавать интерьер здания современного технократического стиля. Это определяет применение трубчатых профилей для изготовления элементов структур в зданиях гражданского назначения, несмотря на то, что трубы дороже обычного проката на 38 -50 %. В покрытиях зданий производственного назначения не исключено применение обычного проката (уголки, швеллеры, двутавры) или подобных гнутых профилей, менее дефицитных и более дешевых. Существенную экономию по приведенным затратам можно получить, оптимизируя конструктивную форму структуры и используя оптимальный набор различных номеров выбранного профиля. Наиболее сложной конструкторской задачей является выбор способа сопряжения элементов структур в узлах. В настоящее время на уровне изобретений имеются десятки различных видов узлов, отвечающих самым разнообразным конструктивно-технологическим и эстетическим требованиям. На рис. 2.4 представлены некоторые из них. Внешние нагрузки, действующие на структурную плиту, приводятся к узловым аналогично плоскостным конструкциям. Статический расчет, как правило, выполняется на ЭВМ ввиду многократной статической неопределимости системы. Рисунок 2.4 – Узлы структурных конструкций: а – с шаровой вставкой «Октаплатт»; б – на винтах «Меро»; в – с анкерными шайбами «Берлин»; г – цилиндрические с фигурными вырезами «Триодетик»; д – сварные ЦНИИСК; е – с фигурной фасонкой «Юнистрат» 3 Сетчатые цилиндрические оболочки Для перекрытия большепролетных зданий с прямоугольным планом может оказаться рациональным применение цилиндрических оболочек нулевой гауссовой кривизны. Основными усилиями в такой конструкции будут усилия сжатия. При этом для обеспечения устойчивости оболочки требуется развитие ее поперечного сечения, однако высокая прочность металла способствует его уменьшению. Оптимальным решением здесь является использование решетчатой структуры оболочки, где материал концентрируется по направлениям, определяемым принятой структурой сетки оболочки. В этом проявляется принцип концентрации материала, приводящий к его экономии. Общий вид оболочки показан на рис. 3.1. Рисунок 3.1 – Сетчатая цилиндрическая оболочка: а – схема; б – интерьер каркаса покрытия; 1 – оболочка; 2 – торцевая диафрагма; 3 – связи Практически такая схема реализуется при опирании покрытия на продольные стены либо на мощные бортовые балки, поддерживаемые рядом колонн. Для расчета свода достаточно рассмотреть работу арки пролетом В и шириной, равной периодически повторяющемуся сегменту вдоль стороны L. Распор свода может быть воспринят контрфорсами продольных стен, либо затяжками. 4 Купола Конструкция купола представляет собой оболочку положительной гауссовой кривизны. Такие покрытия чаще всего применяются в зданиях, имеющих круглый план. Не исключено их применение в зданиях с более сложным планом — овальным или близким к нему, многоугольным, наконец, произвольным, диктуемым архитектурно-композиционными требованиями. В большинстве случаев очертание купола принимается сферическим, что значительно упрощает его изготовление. По конструктивно-компоновочным признакам различают ребристые, сетчатые и панельные виды куполов. Рисунок 4.1 – Типы куполов: а – ребристый; б – ребристо-кольцевой; в – ребристо-сетчатый; г – сетчатый; д – панельный; е – ромбическая гнутая панель; 1 – ребра; 2 – нижнее опорное кольцо; 3 – верхнее кольцо; 4 – прогоны; 5 – промежуточные кольца; 6 – связи; 7 – сетка; 8 – гнутые панели из металлического листа Компоновка ребер купола аналогична компоновке арок. Ребра сплошного сечения тяжелее, но более технологичны в изготовлении, чем сквозные. Верхнее сжатое кольцо служит для соединения полуарок в вершине купола. Диаметр его обычно принимают минимально необходимым для размещения элементов крепления ребер к кольцу (накладки, болты, монтажная сварка и т.д.). При наличии фонарной надстройки иногда диаметр кольца увеличивают исходя из габаритов фонаря. Для повышения жесткости купола желательно прикрепление ребер к верхнему кольцу делать жестким, что помимо сжатия будет вызывать кручение кольца. В связи с этим увеличение диаметра верхнего кольца будет осложнять проблему его устойчивости. Для повышения жесткости и устойчивости кольцо иногда раскрепляют внутренними распорками. 5 Висячие покрытия Висячими называются покрытия, в которых основные элементы пролетной несущей конструкции работают на растяжение. В растянутых элементах наиболее полно используются высокопрочные материалы, поскольку их несущая способность определяется прочностью, а не устойчивостью. Во многих осуществленных покрытиях несущая конструкция выполнена из стальных канатов-тросов, свитых из высокопрочной проволоки (σu=1200...2400МПа). Работа на растяжение, позволяющая полностью использовать всю площадь сечения каната, и высокая прочность материала приводят к тому, что вес несущей конструкции относительно мал и эффективность применения висячих конструкций возрастает с увеличением пролета. К преимуществам висячих покрытий следует отнести их хорошую транспортабельность (так как они не имеют крупногабаритных элементов) и возможность монтажа без подмостей. Рисунок 5.1 – Покрытие чашеобразной мембраной универсального стадиона в Москве В последние годы среди висячих систем покрытий широкое применение получили тонкостенные металлические оболочки-мембраны1 (мембранами называются тонкие оболочки, в работе которых изгибными напряжениями можно пренебречь). Главными преимуществами этих систем являются совмещение несущей и ограждающей функций и индустриальность изготовления. Утеплитель и гидроизоляцию кровли в таких системах укладывают непосредственно на несущую оболочку, не применяя кровельных плит. Форма оболочек может быть весьма разнообразной. Существуют покрытия цилиндрическими, коническими, сферическими, чашеобразными, седловидными и шатровыми оболочками. Работают они, естественно, поразному, но пространственность их работы, присущая всем формам оболочек, делает их работу весьма выгодной и позволяет применять листы толщиной 25 мм. Список литературы 1. Металлические конструкции: учебник /под ред. Ю.И. Кудишина. – М. : Академия, 2014. – 688с. 2. Мандрикров А.П. Примеры расчета металлических конструкций. Учебное пособие /А.П. Мандрикров. – СПб. : Лань, 2012. – 432с. 3. Доркин В.В. Металлические конструкции: учебник / В.В. Доркин, М.П. Рябцева – М. : Инфра-М, 2017. – 457с. 4. SCAD office. Версия 21.Вычислительный комплекс SCAD++ / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов [и др.] – М. : СКАД СОФТ, 2015г. – 848с. 5. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений: учеб. пособие / И.А. Шерешевский, Архитектура-С, 2012. – 168с. 6. СНиП РК 5.04-23-2012. Стальные конструкции. Астана: «КазГОР». – 120с. 7. НТП РК 01-01-3.1 (4.1)-2017 «Нагрузки и воздействия на здания». Астана: Комитет по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства Министерства по инвестициям и развитию Республики Казахстан, 2017. – 181с. 8. СП РК EN 1993-1-1:2005/2011 «Проектирование стальных конструкций». Астана: Комитет по делам строительства и жилищнокоммунального хозяйства Министерства национальной экономики Республики Казахстан, 2016. – 116с.