30 какая сталь применяется в большепролетных конструкциях

Обновлено: 18.05.2024

Необходимость устройства большепролетных покрытий (9 м и более) в основном возникает при проектировании общественных и промышленных зданий. Общественные здания с большими пролетами – это зрелищные, спортивные, торговые, выставочные, учебные и др. здания зального типа. В промышленных зданиях устройство таких покрытий необходимо по требованиям технологического процесса – в цехах с громоздким оборудованием (тяжелое машиностроение), в зданиях ТЭЦ, АЭС, в ангарах для самолетов и т. п. зданиях.

Большепролетные покрытия классифицируются по следующим признакам:

1) по конструктивной системе:

а) плоскостные покрытия:

– большепролетные настилы выполняются пролетами 9, 12, 15, 18 и 24 м в виде тонкостенных железобетонных ребристых плит или плит коробчатого сечения – см. рис. 3.50. Такие настилы одновременно являются несущей и ограждающей конструкцией покрытия и применяются в общественных и жилых зданиях.


Рис. 3.50. Типовые сборные железобетонные настилы покрытий:

в – двухконсольная типа 2Т;

г– коробчатого сечения;

– балки, фермы,арки и рамы (см. рис. 3.51) являются несущими конструкциями в большепролетных покрытиях и устанавливаются на колонны каркаса или на несущие стены здания с шагом 6 или 12 м с последующей укладкой на них плит покрытия или металлического профилированного настила. Пролет балок составляет 9 ¸ 18 м, ферм – 18 ¸ 96 м, рам и арок – 12 ¸ 80 м.


Рис. 3.51. Плоскостные несущие конструкции покрытий:

а – типовые сборные железобетонные балки;

б – типовые сборные железобетонные фермы;

в – двухшарнирная металлическая рама пролетом 80 м

б) пространственные покрытия:

– своды, купола,оболочки, складки отличаются большим разнообразием форм и применяются при проектировании как общественных, так и промышленных зданий – см. рис. 3.52, 3.53. Большинство данных конструкций покрытий одновременно выполняют несущие и ограждающие функции в здании.

Пространственные большепролетные покрытия являются наиболее перспективными и экономичными. Выбор геометрических форм пространственных конструкций производят с учетом функциональных, градостроительных и эстетических требований, а также условий рациональной статической работы и членения поверхностей на сборные элементы, отвечающие индустриальности изготовления и монтажа.

Пролет пространственных покрытий может составлять 18 ¸ 100 м ;

– висячие покрытия, в которых основными несущими конструкциями являются гибкие тросы, воспринимающие только растягивающие усилия – см. рис. 2.43.

Висячие покрытия состоят из трех основных частей: несущей конструкции, опорных контуров и плит ограждения. В качестве несущих конструкций применяются вантовые (тросовые) системы, комбинированные системы из вант и балок, а также вантовые фермы. Висячие покрытия отличаются высокой прочностью, гибкостью, долговечностью, а также малым расходом стали. Данный тип большепролетных покрытий применяется при проектировании общественных и промышленных зданий с пролетами 18 ¸ 100 м .

в) деревянные (пролетом до 30 м).


Рис. 3.52. Основные формы большепролетных пространственных покрытий:

а – цилиндрический свод;

б – крестовый свод;

в – сомкнутый свод;

д – парусный свод;

е– пологая оболочка;

ж – бочарный свод;

з – лотковый свод;

и– поверхность в форме гиперболического параболоида;


к – покрытие из четырех оболочек в форме гиперболического параболоида

Строительный материал для большепролетных и тяжелых несущих конструкций

Если попытаться коротко обрисовать многообразные возможности, которые предлагают сегодня архитекторы для строительства с применением стали, то следует, исходя из успешного применения стальных каркасов в сооружениях огромной высоты, начать с рассмотрения группы зданий, строительство которых было сопряжено с большими трудностями, в силу чего они могли быть выполнены только из стальных конструкций. Сюда относятся и те особые случаи многоэтажных сооружений, в которых заданные пролеты и нагрузки, возникающие моменты и усилия принимают такие большие значения, которые обычно встречаются лишь в мостовых конструкциях.

Убедительный пример такого большепролетного строения — надстройка здания Национального собрания в Праге. На основной площади размером 60X80 м на четырех колоннах поставлено двухэтажное здание с конторскими помещениями, залами и внутренним двором, который занят старым залом пленарных заседаний с верхним светом.

Среди домов с мостовыми конструкциями выделился также новый тип зданий — ресторан над автострадой, который свободно перекинут над транспортной магистралью с двухсторонним движением. Сопоставление здания ресторана над автострадой около Монтепульчиано в Мексике с его динамичными рамными конструкциями и здания ресторана «Оазис Авраама Линкольна» в Иллинойсе архитектора Д. Хейда (здание заключено в однопролетную раму с консолями) показывает, как разнообразны возможности этой давно изученной схемы. Строгие геометрические формы стальных конструкций со сплошной стенкой появляются здесь эффектно оживленными благодаря переменной частоте установки поперечных ребер жесткости и усилению поясных листов соответственно изменению поперечной силы и моментов.

Ошеломляющее впечатление производят конструкции стального каркаса, которые всю нагрузку сооружения передают на несколько узкопоставленных колонн. Так, например, в гостинице «Дю Лак» в Тунисе, где массив здания раскинулся, как крылья огромной птицы, по необходимости пришлось сконцентрировать всю нагрузку здания на двух группах колонн в середине, что привело к необычной форме здания. Нечто похожее задумано в проекте отеля «Панорама» возле Брно (Чехословакия). Здесь корпус здания односторонне расширяется в поперечном направлении от этажа к этажу, одновременно уменьшаясь уступами в продольном направлении таким образом, что его центр тяжести возвышается над верхушками хвойного леса и нависает над ними.

Несколько менее эксцентрично выглядит, но представляет большой успех в расчете многоэтажных зданий и достойна внимания несущая конструкция Федерального резервного банка в Миннеаполисе (США). 12-этажный корпус здания пролетом 84 м перекинут между двумя массивными опорами с помощью висячей мостовой конструкции, опоры которой были заранее построены в расчете на последующую надстройку. Сходное по конструкции вытянутое в длину здание павильонного типа, с помощью подвесных канатов опертое на мощные устои, было возведено в 1962 г. П. Л. Нерви при строительстве бумажной фабрики около г. Мантуи. В здании Федерального резервного банка пролет невелик, зато нагрузки значительно больше, висячие и опорные конструкции спрятаны в самом здании, чтобы не нарушать его очертания. Архитекторам было очень важно оставить свободное пространство под зданием для связи с широкой предфасадной площадью.

Неоднократно встречаются проекты, убедительно демонстрирующие легкость, прозрачность и высокую несущую способность современного каркасного строительства благодаря открытым нижним этажам с широко расставленными, свободно стоящими опорами; впервые это осуществил Ле Корбюзье в Швейцарском павильоне Парижского университета. Эта идея является почти исключительным достижением каркасного строительства. Консольные или рамные конструкции, с помощью которых нагрузка от здания передается на небольшое основание или широко расставленные наружные опорные точки, либо распределяются по площади этажей, либо объединяются в мощную пару консольных балок или рамный ригель над первым или над верхним этажом; на ригеле устанавливается несущий каркас этажей или этот каркас подвешивается к нему.

Административное здание «Тур дю Миди» в Брюсселе — пример высотного дома, в котором стальные конструкции перекрытий в каждом этаже консольно выступают из внутреннего ядра; этот структурный принцип очень ясно выражен во внешнем облике, в обегающих вокруг лентах остекления.

Насколько динамичной может быть консольная конструкция, когда она, выдаваясь над первым этажом, воспринимает общую нагрузку высотного здания, ясно видно на примере административного здания в Путо (Франция). В этом здании проблема очень искусно решена с помощью комбинированных конструкций — вытянутый в длину корпус высотного здания имеет в обоих направлениях консоли, нависающие над нижним этажом.

Определенную выразительность приобретают выступающие в обоих направлениях опорные конструкции, контраст массивной нижней части и верхней части из стекла и металла в здании «Ройяль Белж» в Брюсселе благодаря сдвоенным железобетонным прогонам и пропущенным между ними металлическим балкам, а также благородным пропорциям крестообразного корпуса сооружения.

Для продолжающейся тенденции добиться сочетания мощности большепролетных стальных конструкций с выразительными средствами архитектуры характерно относительно большое число висячих домов, которые стали появляться в последние годы. В таких зданиях вверху ядра жесткости устанавливаются консоли жесткой конструкции — сплошные или решетчатые стальные балки с подвеской к ним этажей, как это сделано в административных зданиях фирмы «Филипс» в Эйндховене и в здании «Альпинен Монтан» в Леобене, или через верхний край здания перекидывается подвеска, пропущенная перед фасадом наискось, как это сделано в административном здании в Сен-Дени.

Подлинную элегантность представляет навесной каркасный фасад на административном здании страховой компании в Лондоне: раздельная несущая конструкция, круговая рандбалка и консольная конструкция скрыты лентами фасада.

В качестве характерных примеров рамных зданий можно назвать южный отель «Рэдиссон» в Миннеаполисе (США), где функции здания позволили применить большепролетный ригель рамы в качестве решетчатой балки высотой в этаж; иранский павильон в Парижском университетском городке, в котором четыре жилых этажа навешены на стальные рамы квадратного профиля в два яруса, или телевизионный центр в Западном Берлине (район Шарлоттенбург).

С опиранием каркаса здания на стойки часто связывается проектная идея, значение которой, хотя она и не является абсолютно новой, возрастает вследствие увеличивающейся сложности функциональных требований — это возможность устройства под высотными домами малоэтажных строений, например специального лечебного корпуса под корпусом для стационара в госпитале, кассовых залов под конторой банка и т. д. Конструкция стального каркаса особенно подходит для этого способа благодаря малым поперечным сечениям колонн при больших пролетах. Классический случай цокольного малоэтажного строительства представляет построенное в 1951 г. в Нью-Йорке здание «Левер».

Спортивная школа в Магглингене состоит из двух примерно одинаковых по высоте корпусов, поставленных друг на друга; их разделяет открытый входной вестибюль, в котором видны стройные, проходящие насквозь, колонны; благодаря просветам между нижней и верхней частями здания и ступенчатости объема масса корпуса смотрится раздробленной и хорошо вписывается в окружающую местность.

Сталь — единственно приемлемый материал для сооружений, которые должны возводиться в особо тяжелых топографических и климатических условиях, на слабых грунтах, в высокогорных областях или в открытом море. Так было смонтировано без мокрых процессов из стальных рам рабочее общежитие на строительной площадке подпорного сооружения плотины Гранд Диксенс в Уэллсе (Англия) архитектора А. Перродэна на высоте 2140 м и при температуре до — 30° С. В аналогичных атмосферных и транспортных условиях сооружен горный приют в Штильфзер Ёх.

Необходимость концентрирования нагрузок на тесной группе колонн проявилась еще определеннее, чем в гостинице «Дю Лак» в Тунисе, при строительстве выставочного комплекса в Торонто. Каждыи из шести квадратных павильонов возвышается почти на 10 м над поверхностью воды на четырех стальных трубах, пронизывающих корпус и несущих на верхнем конце канаты, поддерживающие углы здания.

В сегодняшней архитектуре выявляются будущие направления стальных конструкций: пространственные структуры, городские сооружения и, наконец, развиваемое французскими и немецкими архитекторами направление — трехмерные каркасы для многофункционального переменного использования. Как бы ни были иногда утопичны многие из этих систем и как бы ни было трудно представить, что одна из них станет решающей для концентрированной застройки, тем не менее эти направления заслуживают внимания, так как они способствуют появлению новых проектных идей. Первые попытки к осуществлению такого рода объемных структур обнаруживаются уже в различных проектах вокзальных или привокзальных зданий и сооружений.

Область применения и классификация большепролетных покрытий

Большепролетные покрытия зданий имеют пролет 30. 100 м и в отдельных случаях и более. Применение больших пролетов обусловлено эксплуатационными и архитектурными требованиями в зданиях общественного назначения - рынках, вокзалах, стадионах, концертных и спортзалах. В производственных зданиях большие пролеты оговариваются технологическими требованиями (сборочные цехи самолетостроительных, судостроительных и машиностроительных заводов, ангары и др.) или для экономии полезной площади, помещений (гаражей, троллейбусных парков и др.). Выбор конструкций большепролетного покрытия определяется:

1.Архитектурно - планировочными требованиями (форма здания в плане, наличие подвесного потолка, возможность совмещения конструкций стен с опорными (покрытия и др.).

2. Инженерными требованиями (возможность передачи горизонтального распора на грунт, условий отвода воды с покрытия, необходимость размещения коммуникаций в строительной высоте покрытия).

3. Требованиями эксплуатации (наличие подвесного подъемно-транспортного или иного оборудования, обеспечение заданных акустических свойств помещений).

4. Требованиями изготовления и монтажа конструкций (технологичность заводского изготовления, условия транспортирования, скоростной монтаж, минимальная металлоемкость и стоимость).

Основная нагрузка на конструкции большепролетных покрытий - постоянная нагрузка от собственного веса несущих и ограждающих конструкций. Поэтому нужно стремиться к снижению их массы за счет применения легких ограждающих конструкций, использование высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов и эффективных профилей в конструкциях, предварительного напряжения конструкций, включения ограждающих конструкций в совместную работу с несущими.

Большепролетные покрытия разделяют на плоскостные и пространственные.

Плоскостные покрытия состоят из расположенных с определенным шагом отдельных рам, арок, гибких нитей и др., каждая из которых работает обособленно на нагрузки, приложенные в ее плоскости. Плоские несущие конструкции соединяются между собой второстепенными элементами (связями, прогонами).

В пространственных покрытиях в работу включаются все несущие элементы, вследствие чего по затратам они обычно экономичнее, чем плоскостные.

По конструкции большепролетные покрытия можно разделить на:

- плоскостные с жесткими элементами: балочные, арочные, рамные,

- пространственные с жесткими элементами, двух сетчатые стержневые системы типа структур и перекрестных ферм, одно сетчатые оболочки, купола, образованные из радиально расположенных плоских конструктивных элементов,

- плоскостные и пространственные висячие системы: вантовые, мембранные, плоскостные и пространственные комбинированные системы, состоящие из жестких балок с гибкими нитями, жестких балок с гибкими арками и др.

Балочные конструкции покрытия

Большепролетные балочные покрытия обычно используют при пролетах 50. 100 м. Преимущество таких систем - их безраспорность, т.е. возникают только вертикальные реакции.

Основными элементами балочных покрытий являются плоские, спаренные в блоки или трехгранные фермы. Фермы соединяются между собой горизонтальными и вертикальными и прогонами, этим обеспечивается пространственная жесткость покрытия и устойчивость отдельных стержней ферм, как и в покрытиях малых пролетов.

Балочные покрытия применяются в зданиях прямоугольной формы или близкой к ней. Компоновка покрытия больших пролетов выполняется по нормальной или усложненной схеме (рис.11.1.а) при шаге в 12 м. При шаге главных ферм 18, 24 м и более переходят на усложненную схему компоновки (рис. 11.1.б) со вспомогательными фермами. Индустриальными являются покрытия из объемных блоков (рис. 11.1. в, г), при монтаже которых не требуются связи.

При больших пролетах рациональны полигональные, сегментные и параболические фермы (рис.11.1. д, е) с ромбической и крестовой решеткой.

Главный недостаток балочных конструкций - большая строительная высота. Высота ферм с параллельными поясами h =(1/8. 1/16) l,


трапециевидных h =(1/7. 1/11) l, сегментных h =(1/8. 1/12) l, где l - пролет фермы. Часто применяется шпренгельная решетка, позволяющая уменьшить длину панелей и повысить устойчивость сжатого пояса в плоскости фермы.

Сечения тяжелых ферм приведены на рис. 11.1 ж. Узлы ферм выполняют с двумя фасонками (рис. 11.1 з), для уменьшения концентрации напряжений в фасонках устраивают выкружки для плавного перехода к стержням. При пролетах более 40 м необходимо обеспечивать беспрепятственный поворот опорных частей неподвижной опоры и горизонтальное перемещение подвижной опоры. В качестве шарнирно-неподвижной опоры пролетах до 40 м применяют тангенциальные плиты, при больших пролетах - балансирные опоры. Подвижная опора выполняется на катках.

Расчет усилий в стержнях тяжелых ферм выполняются также, как и для легких. Плоскостные балочные системы наиболее металлоемки из всех видов большепролетных конструкций (расход до 200 кг/м 2 ). Для сокращения затрат стали и уменьшения строительной высоты применяется предварительное напряжение, а также трехгранные или спаренные в пространственные блоки плоские фермы.

Рамные конструкции

Рамные конструкции отличаются большой жесткостью и чаще применяются в зданиях промышленного и специального назначения - цехах заводских производств, эллингах, оборудованных подвесными кранами. Большепролетные рамы могут выполняться бесшарнирными со стойками, заделанными в фундаменты (рис. 11.2 а), двухшарнирными с шарнирами в уровне фундаментов (рис. 11.2. б) или в узлах сопряжения ригеля и стоек (рис. 11.2 в) - так называемые гибкие рамы. К разновидностям схем однопролетных рам относятся схемы с жесткой и гибкой стойками (рис.11.2 г), однопролетная рама с консолью (рис. 11.2 д), вспорушенная рама с криволинейным ригелем.

Бесшарнирная схема применяется при пролетах 120. 130 м. Такие рамы имеют небольшую высоту и мощные ригели.

Наиболее распространены двухшарнирные рамы пролетом до 120 м с шарнирами в уровне фундаментов.

Рамы с жесткой и гибкой стойками и однопролетные рамы с консолью применяются в ангаростроении. Наличие консольного вылета длиной 40. 60 и позволяет устраивать ворота шириной во весь фасад здания.


Схема со вспорушенным ригелем целесообразна для применения в конструкциях рынков и вокзалов (рис. 11.2 ж).

При пролетах рам 100. 130 м ригели обычно выполняются сквозными и конструируются по типу тяжелых ферм (см. параграф 11.2). Высота ригелей принимается l/12. .1/20 пролета.

Компоновка рамных покрытий также, как и балочных, может выполняться по нормальной или усложненной схеме (см.рис.11.1 а,б).

Арочные покрытия

Арочные конструкции наиболее эффективны в зданиях с пролетами 60…70 м, функциональный объем которых вписывается в криволинейное очертание. К таким зданиям относятся дворцы спорта, выставочные павильоны.

Арки хорошо работают при отсутствии сосредоточенных сил и при небольших временных нагрузках. По затратам металла арки экономичнее балочных и рамных конструкций, но они являются распорными системами, т.е. имеются и горизонтальные опорные реакции. Распор может восприниматься мощными фундаментами или затяжками, соединяющими опоры арки между собой. В последнем случае система становится внешне безраспорной, и горизонтальные силы на фундаменты здания не передаются.

По статической схеме арки делятся на трехшарнирные (рис.11.3 а), двухшарнирные 1,11.3 б) и бесшарнирные (рис.11. 3 в). Трехшарнирные арки нечувствительны к осадкам опор и температурным деформациям, но по затратам материала наименее выгодны. Они обычно используются при строительстве на слабых основаниях. Наиболее часто применяются в покрытиях двухшарнирные арки, особенно с затяжками. В бесшарнирных арках опоры жестко заделываются в фундамент. По затратам металла они наиболее экономичны, но из-за больших опорных моментов их применять рационально при строительстве на скальных основаниях.

Конструктивные решения арок разнообразные. Очертание поясов трехшарнирной арки чаще применяется серповидным в соответствии с характером распределения изгибающих моментов (рис. 11. 3 а). Двухшарнирные арки выполняются с постоянной высотой сечения (рис. 11. 3 б), а бесшарнирные утолщаются к опорам (рис. 11. 3. в). Сечения арок могут быть сплошными в виде сварных или прокатных широкополочных двутавров. Высота сечения сплошных арок составляет

1/50. 1/80 пролета. Сквозные арки выполняются из уголков, швеллеров, труб и могут быть плоскими, а при больших пролетах пространственными трехгранными (рис. 11. 3. г). Высота сечения сквозных арок составляет 1/30. 1/40 пролета.

Ответственными узлами арок являются опорные и ключевые шарниры В качестве опорных наиболее простые по конструкции плиточные шарниры (рис.11.4 а), которые применяются в легких арках при вертикальном примыкании надопорной части. В тяжелых арках больших пролетов используются балансирные шарниры (рис.11.4 в), аналогичные опорным устройствам балочных конструкций. Пятниковый шарнир (рис. 11. 4 б) представляет собой опорное гнездо - пятник, в которое вставляется опорная часть арки. Ключевые шарниры трех шарнирных арок могут иметь плиточную или балансирную конструкцию (рис. 11. 5) В легких арках в ключе, устраивают листовые шарниры, в которых свободный поворот обеспечивается изгибом горизонтального листа.

Усилия в арках определяют методами строительной механики. Наиболее распространены 2-х шарнирные арки, они являются системами один раз статически неопределимы. Для предварительных расчетов непологих арок при равномерно зеленной нагрузке распор можно определить по формуле

н= q l 2 / 8f

где f - стрела подъема арки (рис. 11.6а). Изгибающий момент, продольная и поперечная сила в сечениях арки, расположенном на расстоянии х от опоры, определяются по формулам

В приведенных формулах Mx; Qx - изгибающий момент и поперечная сила, вычисленные также, как для балки пролетом l, равным пролету арки, у - ордината оси арки на расстоянии х от опоры, a - угол между горизонталью и касательной к оси арки в рассматриваемом сечении.

В сквозных арках (рис. 11.6. б) усилия в поясах и решетке могут быть получены с использованием формул

где Nb - усилие в верхнем и нижнем поясах, вычисляемые с зачетом изгибающего га б сечении, Nd - усилие в раскосе, h - высота сечения арки,

- угол между раскосом и поясом.

Купола

Купола относятся к пространственному типу покрытий. Они являются распорными системами. Различают 3 типа конструктивных схем куполов: ребристые, ребристо - кольцевые и сетчатые.

Ребристые купола образуются из радиально расположенных ребер - полуарок (рис. 11. 8 а). В основании купола ребра опираются на стены здания либо на криволинейный или многоугольный в плане кольцевой элемент, воспринимающий распор X. В вершине купола ребра опираются на центральное кольцо. При расчете на осесимметричные нагрузки можно расчленять на плоские арки. При шарнирном сопряжении ребер с верхним кольцом получаются трехшарнирные арки. При жесткой заделке ребер в верхнем опорном кольце рассчитываются двухшарнирные арки с условной затяжкой, роль которой выполняет нижнее опорное кольцо.

Ребра выполняются сплошными или решетчатыми и соединяются между собой ими. Для обеспечения устойчивости ребер из плоскости между прогонами устраивают связи.

Ребристо-кольцевые купола (рис. 11.8. б) отличаются от ребристых тем, что прогоны включаются совместно с ребрами на восприятие распора. Прогоны в этом случае представляют собой ряд горизонтальных колец, расположенных в разных уровнях и испытывающих растягивающие усилия. В таких куполах, заметнее чем, в ребристых, проявляется эффект пространственности. При асимметричной нагрузке купола можно рассчитывать, расчленяя их на плоские арки с условными затяжками в уровнях кольцевых прогонов.

Сетчатые купола образуются из ребристо-кольцевых включением на восприятие диагональных связей между ребрами и прогонами (рис.11.8.в). Сетчатые купола опираются в отдельных точках или связываются упруго с опорными кольцами.

При больших пролетах можно приближенно рассчитывать такие купола как безмоментные оболочки. Найденные в оболочке меридиальные и кольцевые усилия раскладывают на направления стержней, сходящихся в узле. По конструкции стержневого набора сетчатые купола могут быть односетчатыми и 2-х сетчатыми. Пролеты куполов могут достигать 400 м.

Для однотипности элементов сетчатого купола, при построении их геометрии используются правильные и полуправильные многогранники, вписанные в сферу, например, икосаэдр, имеющий 20 одинаковых граней, 80-гранник, дающий два типа граней или 320-гранник с пятью типами граней.

ТЕМА 4. БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

К большепролетным сооружениям относят такие, которые имеют пролеты более 40-80 м. Сравнительно недавно такие сооружения считались уникальными и строились крайне редко, в настоящее время быстрое развитие науки и техники, а также большая потребность в таких сооружениях в промышленности и сфере досуга и развлечения предопределили интенсивное строительство таких сооружений во многих странах.

Особый интерес представляют пространственные конструкции, которые состоят не из отдельных, независимых несущих элементов, передающих нагрузку друг друга, а представляют единую комплексную систему работающих частей конструкции.

Такой пространственный характер конструкций, широко внедряемый в строительство во всем мире – символ строительной техники 20в. И хотя некоторые виды пространственных конструкций – купола, крестовые и своды – были известны с древности, однако ни по применяемости материалов, ни по конструктивным решениям они не отвечают современным требованиям строительства, так как хотя и перекрывали значительные пролеты, но при этом были чрезвычайно тяжелы и массивны.

В пространственных конструкциях привлекает, и их способность оптимально удовлетворять функциональным и эстетическим требованиям архитектуры. Масштабы перекрываемых пролетов, возможность осуществлять гибкую планировку, разнообразие геометрических форм, материалов, архитектурная выразительность – вот далеко не полный перечень особенностей этих конструкций.

Сочетание функционального, технического и художественно-эстетического обеспечивает пространственным конструкциям широкую перспективу, не говоря уже о том, что их применение позволяет получить огромную экономию строительных материалов – на 20-30% снизить материалоемкость зданий и сооружений.

К плоскостным большепролетным сооружениям относятся балки, рамы, фермы, арки. Плоскостные конструкции работают под нагрузкой автономно, каждая в своей плоскости. Несущий элемент плоскостных конструкций, перекрывающих какую-то площадь здания (плита, балка, ферма) работает самостоятельно не участвуют в работе элементов, к которым он примыкает. Это обуславливает меньшую пространственную жесткость и несущую способность плоскостных элементов по сравнению с пространственными, а также их более высокую ресурсоемкость в первую очередь повышенный расход материалов.


Рис. 4.1. Конструктивные решения большепролетных конструкций

Монтаж рам сплошной конструкции производят двумя самоходными стреловыми кранами. Сначала на фундамент устанавливают стойки рамы с частью ригеля, опирающиеся на временную опору, а затем монтируют средний участок ригеля. Соединение частей ригеля производится на временных опорах сваркой или крепкой. После монтажа первой рамы конструкции расчаливают с помощью растяжек.

В ряде случаев рамные конструкции целесообразно монтировать методом надвижки. Такой метод применяют, если рамные конструкции невозможно сразу установить в проектное положение (внутри ведутся работы либо уже возведены конструкции, не позволяющие расположить краны).

Блок собирают в торце здания в специальном кондукторе из 2-3 или 4 ферм. Собранный и закрепленный блок по рельсовым путям поднимают в проектное положение. Устанавливают при помощи домкратов или с помощью легких кранов.

Арочные конструкции бывают 2-х типов: в виде 2-х шарнирной арки с затяжкой и 3-х шарнирной арки. При монтаже арочных конструкций, имеющих несущую часть в виде двухшарнирной арки, производится аналогично монтажу рамных конструкций с помощью самоходных стреловых кранов. Основное требование – это высокая точность монтажа, гарантирующая совмещение пятого (опорного) шарнира с опорой.


Монтаж трехшарнирных арок отличается некоторыми особенностями, связанными с наличием верхнего шарнира. Сборка последнего выполняется при помощи временной монтажной опоры, устанавливаемой посередине пролета. Монтаж производиться методом вертикального подъема, методами скольжения или поворота.


Рис. 4.3. Монтаж рам

а – монтаж целиком двумя кранами; б – монтаж рам частями с использованием временных опор; в – монтаж рам методом поворота; 1-монтажный кран; 2-рама в сборе; 3-части рамы; 4-временные опоры; 5-лебедки; 6-монтажные стрелы.

Каждую полуарку стропят у центра тяжести и устанавливают так, чтобы пятовый шарнир был заведен на опору, а второй конец на временную опору. То же с другой полуаркой. Вращением в пятовом шарнире достигается совмещением осей замковых отверстий верхнего шарнира.

В пространственных конструкциях все элементы связаны между собой и участвуют в работе. Это приводит к значительному снижению расхода металла на единицу площади. Однако до последнего времени такие пространственные системы (купольные, вантовые, структурные, оболочки) не получали развития из-за высокой трудоемкости изготовления и монтажа.


Рис. 4.4. Монтаж купола с помощью временной центральной опоры

А – система разрезки купола; Б - монтаж купола; 1-временная опора с растяжками; 2-радиальнае панели; 3-опорное кольцо;

Купольные системы монтируются из отдельных стержней или из отдельных пластин. В зависимости от конструктивного решения, монтаж купольных конструкций может быть выполнен и с использованием временной стационарной опоры, навесным способом или в целом виде.

Сферические купола возводят кольцевыми ярусами, навесным способом. Каждый такой ярус обладает после полной сборки статистической устойчивостью и несущей способностью и служит основанием для вышележащего яруса. Сборные купола могут монтироваться при помощи кондукторных устройств и временных креплений – купол цирка в Киеве, или купол целиком собирается на земле и затем поднимается на проектный горизонт краном, пневмотранспортом или подъемником. Используется метод подращивания снизу.

Висячие конструкции стали применять со 2-й половины 19 века. И одним из первых примеров является покрытие павильона Всероссийской Нижегородской ярмарки, выполненное в 1896г. выдающимся советским инженером Шуховым.

Опыт применения таких систем доказал их прогрессивность, поскольку они позволяют максимально использовать высокопрочные стали и легкие ограждающие конструкции из пластиков и алюминиевых сплавов, что дает возможность создавать покрытия значительных пролетов.


Рис. 4.5. Монтаж висячих конструкций

1-башенный кран; 2-траверса; 3-тросовая полуферма; 4-центральный барабан; 5-временная опора; 6-смонтированная полуферма; 7- опорное кольцо.

В последнее время широкое распространение получили рамные висячие конструкции. Особенность устройства висячих конструкций заключается в том, что вначале возводятся несущие опоры, на которые укладывается опорный контур, воспринимающий натяжение от нитей вант. После их полной раскладки, покрытие загружают временной нагрузкой с учетом полной расчетной нагрузки. Такой прием предварительной напряженности исключает появление трещин в оболочке после полной ее нагрузки во время эксплуатации.

Разновидностью висячих вантовых конструкций являются мембранные покрытия. Мембранное покрытие представляет собой висячую систему в виде тонкой металлической листовой конструкции натянутой на железобетонный опорный контур. Один конец рулона закрепляется на опорном контуре, а рулон при помощи специального траверса краном разматывают на всю длину, натягивают лебедками и закрепляют на противоположном участке опорного контура.

Недостатком мембранных покрытий является необходимость сварки тонких листов по длине и монтажных элементов между собой с нахлестом в 50 мм. При этом практически невозможно получить сваркой шов равнопрочный с основным металлом, поэтому толщина листа искусственно завышается. Эта проблема в какой-то мере решается системой переплетенных лент из алюминиевых сплавов.

Первые длинные цилиндрические оболочки впервые были применены в 1928г. в Харькове при сооружении почтамта.

Длинные цилиндрические оболочки поставляются в полностью законченном виде или укрупняют по месту. Вес монтажных элементов 3х12 около 4 тонн. До подъема производится укрупнение в передвижном кондукторе двух плит вместе с затяжкой в один элемент. При укрупнении производят сварку закладных деталей в стыке, натяжение затяжки и замоноличивание швов.

Установив 8 укрупненных секций, образующих пролет 24м, их выверяют, чтобы совпадали и отверстия, далее сваривают все закладные детали и выпуски продольной арматуры, производят натяжение арматуры и бетонирование швов. После выдержки бетона оболочку раскружаливают и переставляют подмости.

В строительной практике пространственные, перекрестные, ребристые и стержневые конструкции обычно объединяют под названием структурные конструкции.

Перекрестные системы конструктивных различных форм покрытий с прямоугольными и диагональными решетками получили широкое распространение сравнительно недавно со второй половины 20 века в таких странах как США, Германия, Канада, Англия, бывший СССР.

Определенное время структурные конструкции не получали широкого развития из-за высокой трудоемкости изготовления и особенностей монтажа конструкции. Усовершенствование конструкции, особенно с использованием ЭВМ, позволило обеспечит переход на поточное их изготовление, снизить трудоемкость их расчета, повысить его точность и, следовательно, надежность.


Рис.4.6. Покрытие здания из крупноразмерных плит

1-плита размером 3х24м; 2-зенитный фонарь; 3-подстропильная ферма; 4- колонна.

В основе перекрестно-стержневых систем лежит опорная геометрическая форма. Отличительная особенность разных типов структурных конструкций – пространственный узел сопряжения стержней, который и определяет в значительной мере трудоемкость изготовления и сборки этих конструкций.

Структурные конструкции обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными плоскостными решениями в виде рам и балочных конструкций:

  • являются сборно-разборными и могут использоваться многократно;
  • могут изготавливаться на поточных автоматизированных линиях, чему способствует высокая типизация и унификация структурных элементов (часто необходим один тип стержней и один тип узла);
  • сборка не требует высокой квалификации;
  • имеют компактную упаковку и удобны при перевозке.

Наряду с отмеченными преимуществами структурные конструкции имеют и ряд недостатков:

  • укрупнительная сборка требует применения значительного объема ручного труда;
  • ограниченная несущая способность отдельных типов конструкций;
  • низкая заводская готовность поступающих на монтаж конструкций.

Пневмоконструкции используются для временного укрытия или для использования в каких-то вспомогательных целях, например в качестве опорных конструкций при возведении оболочек и других пространственных конструкций.

Пневматические покрытия могут быть 2-х видов – воздухоопрные и воздухонесущие. В первом случае небольшое избыточное давление мягкой оболочки сооружения обеспечивает получение необходимой формы. И эта форма будет сохраняться, пока будет поддерживаться подача воздуха и необходимое избыточное давление.

Во втором случае – несущий конструкцией служат заполненные воздухом трубы из эластичного материала, образующие как бы каркас сооружения. Иногда их называют пневматическими сооружениями высокого давления, потому что давление воздуха в трубах намного выше, чем под воздухоопорной пленкой.

Возведение воздухоопорных сооружений начинают с подготовки площадки, на которую укладывают бетон или асфальт. По контуру сооружения устраивают фундамент с анкерными и уплотняющими устройствами. Под действием воздушного давления оболочка распрямляется и приобретает проектную форму.

Воздухонесущие или пневмокаркасные конструкции сооружаются аналогично воздухоопорным, лишь с той разницей, что воздух подают от компрессора по резиновым трубами и через специальные вентили закачивается в замкнутые каналы так называемого каркаса сооружения. Благодаря высокому давлению в камерах каркас занимает проектное положение (чаще всего в виде арок) и поднимает за собой ограждающую ткань.

Классификация большепролетных конструкций

Классификация большепролетных конструкций по типам конструктивных схем покрытия зданий и сооружений приведена в табл. 1, содержащей основные сведения, характеризующие область их применения и диапазон пролетов, перекрываемых этими системами. Краткая аннотация по каждому из типов большепролетных конструкций, дифференцированных по величине пролетов, позволяет систематизировать присущие им преимущества и недостатки и, в конечном итоге, определить возможный «рейтинг» того или иного решения «кровельного» покрытия проектируемого здания.

Балочные покрытия - состоят из главных поперечных пространственных и плоских промежуточных балок конструкций – прогонов. Характеризуются отсутствием распора от конструкции покрытия, что существенно «упрощает» характер работы несущих элементов каркаса и фундаментов. Главный недостаток – большой расход стали и значительная строительная высота самих пролетных конструкций. Поэтому они могут применяться в пролетах до 100 м и, главным образом, в производствах, характеризующихся необходимостью применения тяжелых мостовых кранов.

Рамные покрытия характеризуются по сравнению с балочными меньшей массой, большей жесткостью и меньшей строительной высотой. Могут применяться в зданиях пролетом до 120 м.

Арочные покрытия по статической схеме подразделяются на 2 х , 3 х и бесшарнирные. Они имеют меньшую массу чем балочные и рамные, но более

Возможности применения пространственных конструкций

- возможный вариант материала изготовления конструкции.

сложны в изготовлении и монтаже. Качественная характеристика арок в основном зависит от их высоты и очертания. Оптимальная высота арки – 1/4 …1/6 пролета. Наилучшее очертание, если геометрическая ось совпадает с кривой давления.

Сечения арок делают решетчатыми или сплошными высотой соответственно 1/30 … 1/60 и 1/50 … 1/80 пролета. Арочные покрытия используются при величине пролета до 200 м.

Пространственные покрытия характерны тем, что оси всех несущих элементов не лежат в одной плоскости. Они подразделяются на: купола и оболочки, характеризующиеся как трехмерные несущие конструкции, отличающиеся пространственной работой и состоящие из поверхностей одинарной или двойной кривизны. Под оболочкой понимается структура, форма которой представляет криволинейную поверхность с достаточно малой ее толщиной по сравнению с самой поверхностью. Основное отличие оболочек от сводов состоит в том, что в них возникают и растягивающие и сжимающие усилия.

Ребристые купола состоят из системы плоских ферм, связанных понизу и поверху опорными кольцами. Верхние пояса ферм образуют поверхность вращения (сферическую, параболическую). Такой купол является распорной системой, в которой нижнее кольцо подвергается растяжению, а верхнее – сжатию.

Ребристо-кольцевые купола образуются ребристыми полуарками, опирающимися на нижнее кольцо. Ребра по высоте связывают горизонтальными кольцевыми балками. По несущим ребрам могут быть уложены криволинейные плиты из легкого бетона или стальной настил. Опорное кольцо, как правило, железобетонное и преднапряженное.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями проектируются, главным образом, из металлоконструкций. Введение в систему ребристо-кольцевых элементов диагональных связей позволяет более рационально распределить сжато-растянутые и изгибающие усилия, что обеспечивает малый расход металла и стоимость самого купольного покрытия.

Структурные покрытия применяются для перекрытия больших пролетов промышленного и гражданского назначения. Это пространственно - стержневые системы, отличающиеся тем, что при их формировании появляется возможность применения многократно повторяющихся элементов. Наибольшее распространение получили структуры типа: ЦНИИСК, «Кисловодск», «Берлин», «МАРХИ» и др.

Висячие покрытия (ванты и мембраны) – основными несущими элементами являются гибкие стальные канаты или тонкостенные листовые металлические конструкции ортогонально растянутые на опорные контуры.

Ванты и мембраны существенно отличаются от традиционных конструкций. К их достоинствам относится: растянутые элементы эффективно используются по всей площади сечения; обеспечивается малая масса несущей конструкции, возведение этих конструкций не требует устройства лесов и подмостей висячих покрытий. Чем больше пролет здания, тем более экономична конструкция покрытия. Однако им присуще и свои недостатки:

1. Повышенная деформативность покрытия. Для обеспечения жесткости покрытия приходится принимать дополнительные конструктивные решения за счет введения стабилизирующих элементов;

2. Необходимость устраивать специальную опорную конструкцию в виде опорного контура для восприятия «распора» от вант или мембраны, что увеличивает стоимость покрытия.

Читайте также: