1.5. Арочные конструкции

1.Системы и типы арок

Арки в качестве основных несущих элементов покрытия применяют в павильонах, крытых рынках, спортивных залах, ангарах и т. п. По затрате металла арки оказываются значительно более выгодными, чем балочные или рамные системы.

Системы и очертания арок могут быть весьма разнообразными (рис. 17.12). Самыми распространенными являются двухшарнирные арки. К. достоинствам этих арок помимо экономичности относится простота монтажа и изготовления.

Двухшарнирные арки могут легко деформироваться вследствие сво­бодного поворота в шарнирах, и благодаря этому существенного увели­чения напряжений от температурных воздействий и осадок опор в них не возникает.

Трехшарнирные арки не имеют преимуществ по сравнению с двух-шарнирными, так как их статическая определимость при достаточной деформативности арочных конструкций существенного значения не имеет. Наличие же ключевого шарнира осложняет конструкцию самих арок и устройство кровельного покрытия.Бесшарнирные арки имеют наиболее благоприятное распределение изгибающих моментов по пролету и поэтому оказываются самыми лег­кими, однако они требуют устройства более мощных опор, и их прихо­дится рассчитывать на температурные воздействия.

При слабых грунтах может оказаться целесообразным, чтобы рас­пор арки воспринимался затяжкой, располагаемой ниже уровня пола. При наличии затяжки опоры воспринимают в основном вертикальные нагрузки и потому получаются более легкими.При опирании арок на стены распор может также воспринять за­тяжка, расположенная на уровне опорных шарниров арок (см. рис. 13.3, а). Затяжка может одновременно использоваться для устройстваподвесного потолка и для создания предварительного напряжения в арках.

Чтобы увеличить полезную высоту помещения, не увеличивая вы­соты здания, иногда затяжку располагают выше линии опорных шар­ниров арки (рис. 17.13).

2. Конструктивные особенности арок

Двухшарнирные сплошные арки проектируют чаще всего с парал­лельными поясами (рис. 17.16, а).Сквозные арки делают либо с парал­лельными поясами, либо при большой высоте арки с переломом наруж­ного пояса, который над опорами имеет вертикальные участки (рис. 17.16,6). Около опор пояса арок сближаются и заканчиваются опорным устройством — шарниром. Параллельные пояса при очертании арки по дуге окружности создают предпосылки для типизации конструктивных элементов и с архитектурной точки зрения вполне приемлемы.

Высоту сечения сплошных арок назначают в пределах 1/50—1/so про­лета, сквозных — в пределах 1/30—1/60 пролета. Возможность примене­ния в арках столь небольшой высоты сечения объясняется относитель­но малой величиной изгибающих моментов.Сплошные арки обычно проектируют сварными с сечением в виде широкополочного двутавра (как и в сплошных рамах); в пологих ар­ках продольные силы велики, поэтому стенку арки можно назначать, более мощной, чем в раме или балке.. Сквозные арки в целях упрощения изготовления могут иметь и ломаное очертание (см. рис. 17.17).

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 (см. рис. 17.13), поэтому опорные шарниры в сплошных и сквозных ар­ках имеют одинаковую конструкцию.Плиточные шарниры (рис. 17.19, а) имеют наиболее простую конст­рукцию. Применяются они при сравнительно небольших опорных дав­лениях и преимущественно при вертикальном положении примыкаю­щей к шарниру части арки.Пятниковые шарниры (рис. 17.19,6) имеют специальное опорное гнездо — пятник, в которой вставляется закругленная опорная часть арки.

.Балансирные шарниры (рис. 17.19, б) применяют в наиболее тяже­лых арках и рамах. Конструкция их состоит из верхнего и нижнего ба­лансиров, в гнезда которых укладывают плотно пригнанную цилиндри­ческую цапфу. Арку прикрепляют к верхнему балансиру через плиту, которую приваривают к контуру опорного сечения арки и притягивают болтами к балансиру. Ключевые шарниры могут быть плиточными (рис. 17.20, а) или ба-лансирными (рис. 17.20,6) и проектируются аналогично опорным. В ключе легких арок могут применяться также листовые (рис. 17.20, в) или болтовые (рис. 17.20, г) шарниры.

3. Особенности расчета арок.Нагрузки. Арочные конструкции рассчитывают на вертикальные (собственный вес и снег) и ветровые нагрузки. Температурные воздей­ствия для арок обычно несущественны. Вертикальные нагрузки принад­лежат к основным сочетаниям нагрузок, ветровые и температурные воздействия — к дополнительным, величина которых при определении расчетного усилия принимается с коэффициентом сочетания n_с = 0,9 (см. гл. 3, § 1). Существенной нагрузкой для арочных конст­рукций является давление ветра. Ветровая на­грузка для арочных покрытий, не имеющих стен, принимается по упрощенной схеме, приведенной на рис. 17.21.Определение усилий и проверка общей устойчивости. Конструкции арочных перекрытий расчленяют при расчете на отдельные плоские эле­менты (арки, главные прогоны и т. п.), которые рассчитывают обычны­ми методами строительной механики. Имеются программы расчета с применени­ем ЭВМ.

При определении распора сквозных арок перемещения можно вычис­лять, пренебрегая усилиями в элементах решетки (так как их влияние на величину распора незначительно).

При расчете раскосов необходимо учитывать дополнительные напря­жения, возникающие от обжатия поясов Сечения стержней арки подбирают так же, как сечения элементов ферм (см. гл. 9, § 6).Арка как криволинейный сжатый брус требует проверки устойчивости. Общая устойчивость арок из плоско­сти обеспечивается поперчными свя­зями и системой прогонов, определя­ющих расчетную длину элементов ар­ки.

Расчет опорных шарниров. Плиточные шарниры (см. рис. 17.19, а) рассчитывают на смятие при свободном касании

Балансирные и пятниковые шарниры передают давление на нижнюю часть шарнира при плотном касании.

2.2Купола. 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. Собственно ребристый купол представляет собой радиаль-но-арочную систему (рис. 19.10, а), в которой главными несущими элементами явля­ются ребра в виде полуарок 1, соединенные между собой внизу и вверху опорными кольцами 2 и 3. К аркам прикрепляются прогоны 4, поддерживающие кровлю. Связи 6 обеспечивают пространственную жесткость несущего каркаса купола. Они устраивают­ся между смежными полуарками, и их должно быть не менее двух на все покрытие.

Ребра сплошного сечения тяжелее, но более технологичны в изготовлении, чем сквозные. Нижнее кольцо работает на растяжение от распора арок купола. Формообразование поверхности сетчатого купола (см. рис. 19.10, г) может быть представлено как развитие структурной плиты (см. рис. 19.1) либо цилиндрической оболочки (см. рис. 19.7) путем придания им соответствующей кривиз­ны в двух направлениях. При этом основной проблемой остается выбор типа сетки и конструкции узлов. В целях увеличения жесткости конструкции, а также для большего дробления сетки, что облегчает устройство кровли, в каждом ромбе ставят диагональную распорку. В со­вокупности они образуют кольцевые элементы в структуре купола. Сетчатые купола, так же как цилиндрические оболочки, могут быть односетчатыми и двухсетчатыми. В последнем случае они обладают повышенной жесткостью и несущей способностью. Панельные купола. Купол собирается из гнутых либо гнутоштампованных элементов (панелей), выпол­ненных из стальных либо алюминиевых листов толщиной от 2 до 4 мм (см. рис. 19.10, ё). По контуру панелей делается отбортовка, с помощью которой панели могут соеди­няться на монтаже болтами. За счет перегиба листов панель приобретает изгибную же сткость, необходимую для обеспечения общей устойчивости купола. Одновременно ребра панели ограничивают размеры плоских тонкостенных сегментов, обеспечивая их мест­ную устойчивость при сжатии.

4.1. ЛК. Листовые конструкции представляют собой емкостные сооружения, состоящие в основном из тонкостенных металлических оболочек и совмещающие несущие и ограж­дающие функции. К ним относятся резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов, сжиженных газов, воды (рис. 22.1), газгольдеры для хранения газов, бункера и силосы для хранения различных сыпучих материалов (рис. 22.2), трубопроводы больших диа­метров для транспортирования жидкостей, газов и разжиженных твердых веществ (рис. 22.3), специальные конструкции металлургической, химической и других отраслей про­мышленности: кожухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей (рис. 22.4), дымовые и вентиляционные трубы (рис. 22.5), градирни.

По положению в пространстве листовые конструкции могут быть надземными, на­земными, заглубленными, подземными, подводными. Они работают под действием гидростатического давления, внутреннего избыточного давления или вакуума, нагруз­ки от засыпки хранимых материалов, от внешней засыпки грунта, воспринимают сей­смические и ударные воздействия, находятся по действием низких, средних и высоких температур (от -254 до +400 °С), в нейтральных или агрессивных средах.

Для всех элементов листовых конструкций применяются марки сталей в зависимос­ти от класса прочности и минимальной расчетной температуры, при которой гаранти­руется ударная вязкость. Рекомендуемые марки сталей при различных толщинах листов приведены в табл. 22.1.

За расчетную температуру металла принимается минимальная температура храни­мого продукта, либо минимальная среднесуточная температура для данной местности.Соединение элементов листовых конструкций должны удовлетворять требованиям не только прочности, но и плотности, при этом протяженность сварных швов в мет.конструкциях приблизительно в 2 раза больше чем в стержневых . Основным видом соединений в лист-х констр-х сварное соединение в стык. Все листовые конструкции имеют те или иные элементы жесткости, ребра, которые с точки зрения расчета представляют собой стержневые системы. Тонкостенные оболочки всех типов и пластинки при возникновении в них сжимаю­щих напряжений могут потерять устойчивость, т. е. получить мгновенное скачкообраз­ное изменение начальной формы поперечного сечения, или выпучивание. Напряже­ния, при которых это происходит, называются критическими. Напряжения от внешних нагрузок не должны превосходить критические:

Величина критических напряжений а_сг зависит от формы оболочки, ее размеров и толщины, от направления действия нагрузок и определяется в каждом конкретном случае для листовых конструкций