Большепролетные конструкции
Необходимость в применении большепролетных конструкций возникает: − по архитектурным и эксплуатационным соображениям - это относится к зданиям театров, выставочных залов, спортзалов, стадионов, рынков, вокзалов; − по технологическим требованиям, главное из которых - отсутствие промежуточных колонн, исходя из удобства размещения и эвакуации машин и оборудования. Это относится к ангарам, гаражам, эллингам.
Объемно-планировочное решение диктует выбор конструктивного решения. Оно может быть балочным, рамным, арочным, пространственным, висячим. Балочные и рамные системы чаще используют при прямоугольном плане здания. Арочные системы, как правило, более архитектурно выразительны и при пролетах более 80м более экономичны. Наиболее экономичны по затрате металла пространственные системы в виде сетчатых или сплошных оболочек и складок, плоских структурных конструкций, куполов - при круглом или многоугольном плане здания.
Основными качествами большепролетных покрытий являются следующие: − большой пролет 40-300м; − здания уникальные; − работа конструкции преимущественно на собственный вес.
Уменьшение собственного веса – одна из главных задач при проектировании большепролетных конструкций. Поэтому практически все 100% возводимых большепролетных конструкций выполняются в металле или с его использованием
Балочные системы
Балочные большепролетные конструкции применяют в случаях, когда опоры не могут воспринять распорных усилий, то есть при опирании на стены, каменные и железобетонные колонны. Основными несущими элементами балочных систем являются однопролетные или двухпролетные решетчатые фермы различного очертания. Наличие ферм позволяет организовать межферменное пространство и воспринимать нагрузки от подвесного транспорта.
+ балочных конструкций:
1 отсутствие горизонтальных усилий; 2 нечувствительность к осадкам опор; 3 простота и четкость конструктивной схемы; 4 простота изготовления и несложность монтажа.
- балочных конструкций: 1 большой расход металла по сравнению с другими большепролетными конструкциями; 2 большая высота.
Балочные покрытия выполняются по пяти схемам:
Фермы с параллельными поясами; h /L = 1/7 - 1/1 5
Фермы с трапецеидальным очертанием (скатные фермы ) применяются для отвода воды с кровли
Фермы полигонального очертания, которые в зависимости от предъявляемых требований могут иметь перелом верхнего или нижнего пояса
Фермы треугольного очертания. Особенность этих ферм состоит в том, что их можно образовывать из двух полуферм, транспортируемых нередко целиком
Сегментные фермы , применяемые при больших пролетах с дополнительным использованием принципа предварительного напряжения h/L = 1/7 - 1/11
При проектировании большепролетных ферм применяют пять типов решеток: треугольную, раскосную, ромбическую, полураскосную и крестовую. Каждая из них может быть дополнительно усилена постановкой шпренгелей.
Покрытия компонуют по двум схемам: нормальной и усложненной. Нормальная состоит из ферм и прогонов, а в усложненную входят помимо главных ферм и прогонов вспомогательные фермы. Нормальную схему обычно используют при покрытиях пролетом 40-50м, усложненную - при больших пролетах. Шаг ферм при нормальной схеме 12-18м, при усложненной - 12-36м.
Высоту ферм при проектировании задают исходя из условий минимальной массы и допустимого прогиба. Прогиб фермы принимается на основе условий эксплуатации с учетом строительного подъема.
Большепролетные фермы обычно проектируют с двухстенчатыми стержнями (сварными) с соединениями на высокопрочных болтах. Высота поясов составляет 1/8 - 1/10 длины панели. Сечения поясов могут быть приняты различных типов
Расчет большепролетных ферм ведут методами строительной механики, причем жесткость узлов учитывается лишь при высоте сечений, превышающей 1/10 длины панелей. Целесообразная гибкость стержней - 40- 60. При определении нагрузок более тщательно учитывают собственный вес несущих конструкций. Место приложения узловых нагрузок учитывается по их фактическому приложению.
После определения усилий подбирается сечение элементов ферм. Проверки подобранного сечения имеют вид:
-центрально-растянутый стержень
-центрально-сжатый стержень
-внецентренно-сжатый стержень
-внецентренно-растянутый стержень
БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ РАМНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Они находят применение чаще всего в зданиях промышленного назначения (ангарах, эллингах), хотя могут применяться и в общественных зданиях. Величина перекрываемого пролета 150м, оптимальная область применения ограничивается 120м. Положительные качества: 1 меньший расход стали по сравнению с балочными большепролетными конструкциями; 2 меньше высота ригеля; 3 большая жесткость. Отрицательные качества: 1 рамные конструкции чувствительны к осадкам опор и температурным воздействиям; 2 имеют большую ширину колонн.
При возведении большепролетных покрытий применяются рамные системы в виде однопролетных и двухпролетных рам как жестких бесшарнирных, так и двухшарнирных. В зависимости от сечения ригелей и колонн, рамы разделяются на сплошностенчатые и сквозные (решетчатые); по очертанию ригелей они могут быть прямолинейные (горизонтальные и наклонные), полигональные и криволинейные. Высота ригелей обычно принимается из условий наименьшей массы в пределах 1/12 - 1/20 пролета. Однако для рам со сплошностенчатыми ригелями и искусственными приемами разрушения высота ригеля назначается 1/30-1/40 пролета.
Практика показала, что рамные системы эффективны в том случае, когда жесткость колонн близка к жесткости ригелей. С уменьшением жесткости колонн ригели перестают испытывать разрушающее влияние опорных моментов и их сечения остаются такими же, как и в балочной системе.
В строительстве чаще всего используют следующие основные типы решения поперечной схемы рамы:
Жесткая однопролетная или двухпролетная рама, имеющая ригель, жестко связанный с колоннами, которые в свою очередь жестко заделаны в фундамент
Двухшарнирная сплошная или сквозная рама (рис.18). Сплошные применяются при пролетах 50-60м..Сечение ригеля и колонн таких рам представляет собой сварной двутавр, что снижает трудоемкость изготовления и монтажа и снижает строительную высоту покрытия. Пролет решетчатых ригелей обычно не превышает 100м. Жесткая заделка ригеля в колоннах позволяет уменьшить изгибающий момент в его середине, а шарнирное соединение колонн с фундаментами делает систему малочувствительной к осадке опор
Рамная система с шарнирным сопряжением ригеля с колоннами и заделкой колонн в фундаменте (гибкая рама) (рис. 19). Она имеет высокую поперечную жесткость и малую чувствительность к осадкам опор
Рамно-подкосные системы с предварительным напряжением. Они используются для покрытий больших залов и сборочных цехов
Однопролетные рамы с одной жесткой и одной гибкой колоннами. Такие системы имеют достаточную жесткость и широко применяются при строительстве ангаров, в которых малые габариты колонн одного ряда выгодно используются при устройстве ворот
Двухпролетная рама с жесткой средней колонной и двумя гибкими колоннами наружных рядов . Эта система применяется в сборочных цехах и ангарах
Одноконсольные рамы
Двухшарнирная рама с криволинейным ригелем (рис. 24) используется при больших высотах и пролетах.
При величинах максимальных усилий в элементах большепролетной рамы не более 2500кН конструирование стержней ведется по типу стержней легких ферм, при усилиях больше 2500кН – сечение элементов конструируется по типу стержней тяжелых ферм.
После определения усилий подбираются сечения элементов либо как центрально-нагруженных, либо как внецентренно-нагруженных. После вычисления усилий конструируются узлы либо по типу легких ферм, либо по типу тяжелых ферм.
Расчет по второму предельному состоянию ( определение прогиба ) выполняется, как правило, только от временных нагрузок, а прогиб от постоянных нагрузок компенсируется соответствующим строительным подъемом. При пролетах больше 50м и невысоких жестких стойках необходимо дополнительно рассчитывать рамы на температурное воздействие.
Опорным частям рам больших пролетов, воспринимающих нагрузку до нескольких тысяч кН, придают такую форму, чтобы опорные реакции четко передавались в намеченном месте и мало зависели от изменения расстояния между опорными точками в результате прогибов или изменения угла наклона кривой прогиба. При пролетах до 40м этим условиям, как правило, удовлетворяет тангенциальная опора. При больших пролетах используют катковую опору.
Они применяются для пролетов до 200-250м, но рациональной областью применения являются пролеты до 120м. Арочные покрытия находят широкое применение в общественных и гражданских зданиях.
+ Арочных конструкций: 1 наименьший расход материала по сравнению с балочными и рамными конструкциями. Это объясняется тем, что арки являются распорными системами и сечение их работает преимущественно на сжатие от нормальной силы и сравнительно незначительно на изгиб; 2 простота изготовления и несложность монтажа; 3 архитектурная выразительность.
- Арочных конструкций: 1. наличие неиспользованных зон. С целью снижения или полного исключения этого недостатка арки устанавливают на стены зданий или трибуны. Их наличие позволяет воспринять распор однако это снижает экономическую эффективность применения таких конструкций.
