1.2. Балочные конструкции

Балочные большепролетные конструкции применяют в случаях, когда опоры не могут воспринять распорных усилий, — при опирании на стены, каменные или железобетонные колонны и т. п. Балочные сис­темы при больших пролетах тяжелее рамных или арочных, но проще в изготовлении и монтаже. Балочные системы применяются преимущест­венно в общественных зданиях — театрах, концертных залах, спортив­ных сооружениях. Основными несущими элементами балочных систем, применяемых при пролетах 50—70 м и выше, как правило, являются фермы; сплошные балки при больших пролетах невыгодны по затрате металла.

Очертание большепролетных ферм и схема решетки определяются пролетом, типом кровли и конструкцией подвесного потолка, который обычно устраивают в общественных зданиях. Фермы (см. рис. 17.1) больших пролетов (более 40—50 м) при оптимальном по весу отноше­нии между высотой фермы и пролетом (1/6-1/8) получаются негабарит­ными по условиям транспортирования (h>3,85 м); в то же время на­личие кровли и подвесного потолка вызывает необходимость иметь не­большие панели (2—3 м) как по верхнему, так и по нижнему поясу ферм. Оба эти обстоятельства приводят к небходимости устройства сложной шпренгельной решетки, а также к применению сплошных или решетчатых арок с затяжкой. '.Хорошую основу для устройства большепролетных балочных систем дают трехгранные фермы с предварительным напряжением, удобные в изготовлении, транспортировании и монтаже (рис. 17.5). Включение в совместную работу на сжатие железобетонной плиты, уложенной по верхним поясам фермы, использование трубчатых стержней и предва­рительного напряжения делают такие системы весьма экономичными по затрате металла. Между фермами в зависимости от размеров про­лета и эксплуатационных требований можно размещать промежуточ­ные конструкции как глухие (рис. 17.5,6), так и с остеклением (рис. 17.5, в, г).

При пролетах более 35—40 м необходимо одну из опор балочной конструкции устраивать подвижной, чтобы исключить возможность пе­редачи на стены распорных усилий, возникающих в результате упру­гих деформаций нижнего пояса ферм.Подвесной потолок обычно немного опускают относительно нижне­го пояса ферм, с тем чтобы фермы были полностью доступны для ос­мотра и окраски.

Рациональной системой для пролетов 50—100 м является объемно-блочная предварительно напряженная конструкция¹, в которой несущая конструкция совмещена с ограждающей. Конструкция состоит из объ­емных блоков, включающих две вертикальные фермы, расставленные 'на расстоянии в осях 3—4 м и соединенные по верхним и нижним поя­сам стальными листами толщиной 10—16 мм (рис. 17.6). Блоки полно­го пролета собираются из отдельных отправочных блоков длиной 10— 12м. 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, которое несколько больше сжимающего напряжения от нагрузки.

Предварительное напряжение создается при сборке плоского щита верхнего пояса блока, состоящего из верхних поясов ферм, соединен­ных распорками, связями и листом [1]. Каркас щита при сборке выги­бается в сторону листа на расчетную величину, затем к нему привари­вается лист. При установке щита в пространственный блок щит с лис­том выпрямляют, и лист получает растягивающее напряжение. Верхний стальной лист поддерживает кровлю, нижний — подвесной потолок. Нижние пояса и решетки вертикальных ферм блока запроектированы из одиночных уголков. Монтажный укрупненный блок, состоящий из четырех объемных блоков полного пролета (шириной 12 м), двумя кранами устанавливают на опоры (рис. 17.6). Между опорами объем­ные блоки поддерживаются подстропильными фермами.

1.3 Рамные конструкции. В перекрытиях зданий больших пролетов обычно применяют двухшарнирные и бесшарнирные рамы (рис. 18.5). По сравнению с балочными системами рамные более экономичны по расходу металла и обладают боль­шей жесткостью. 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. Рамы большепролетных зданий могут быть либо сплошного, как правило двутавро­вого или коробчатого сечения, либо сквозные. К недостаткам сплошностенчатых рам относятся повышенный расход металла, боль-цная масса конструкций, являющаяся одной из основных нагрузок на раму, а также меньшая жесткость по сравнению со сквозными рамами. Поэтому сплошностенчатые рамы применяются сравнительно редко — при пролетах, не превышающих 50 — 60 м. Высота ригеля принимается равной ^!/зо — V40 пролета. При больших пролетах зданий рамы обычно делают сквозного сечения

Особенности расчета и конструирования. В силу уникальности большепролет­ных зданий выбор окончательного архитектурно-конструктивного решения делается на основе вариантного проектирования. На этом этапе допускается принимать упрощен­ные расчетные схемы конструкций и использовать приближенные методы расчета. Важ­но при этом соблюдать одинаковую степень приближения для обеспечения корректно­сти сопоставления вариантов. Результаты приближенных расчетов служат также осно­вой для назначения некоторых исходных данных в уточненных расчетах окончательного варианта: положения геометрических осей и габаритов конструктивных элементов, со­отношения жесткостей элементов в статически неопределимых конструкциях, величин постоянных нагрузок и т. п.

В упрощенном статическом расчете сквозной рамы допускается представлять ригель и стойки в виде стержней с эквивалентной жесткостью. В уточненном расчете сквозную раму рационально рассчитывать как стержневую систему с максимально точным учетом усло­вий сопряжения элементов между собой. При этом следует использовать современную вы­числительную технику для реализации наиболее точных методов строительной механики.

При подсчете нагрузок на раму собственная масса конструкций, крановые и другие технологические нагрузки определяются аналогично изложенному в разделе II. Нагруз­ки от ветра и снега существенно зависят от конфигурации здания и его габаритных размеров, которые нередко для большепролетных зданий являются индивидуальными. Для упрощенных расчетов можно использовать нормативную или научную литературу по этим нагрузкам, выбирая наиболее близкие аналоги конфигурации зданий.

Для уточненных расчетов часто приходится делать специальные экспериментальные исследования с целью определения этих нагрузок.

Ввиду значительных размеров большепролетных зданий весьма существенными бу­дут усилия и перемещения в каркасе от температурных воздействий. Поэтому, как пра­вило, требуется производить температурный расчет для обеспечения прочности карка­са здания и грамотного проектирования устройств, обеспечивающих температурные перемещения несущих и ограждающих конструкций (деформационные швы, подвиж­ные опоры и т.п.).

Расчеты статически неопределимых систем следует сопровождать подбором сечений элементов с последующей корректировкой жесткостей в статическом расчете. При этом дополнительные ограничения по перемещениям конструкций (второе предельное со­стояние) и предельной гибкости элементов обеспечат сходимость итерационного про­цесса расчета. Известно, что без этих ограничений статически неопределимые системы вырождаются в статически определимые¹.