Львівський національний аграрний університет

Факультет будівництва та архітектури

Кафедра будівельних конструкцій

Дисципліна «Конструкції з дерева та пластмас. Спецкурс»

Лекція №4

Просторові конструкції покрівель

План заняття

1. Основні форми, конструктивні особливості

2. Розпірні склепіння, склад, структура

Література

1. Ю.В.Слицкоухов. Конструкции из дерева и пластмас 1986р. Москва. Стройиздат.

2. З.В. Клименко. Конструкції з дерева та пластмас

1. Основні форми та конструктивні особливості.

Загальна характеристика. Конструктивні системи, які забезпечують спільну роботу складових їх елементів у двох і більше площинах, є просторовою конструкцією.

Просторові конструкцій з дерев’яних і синтетичних матеріалів відрізняються великою різноманітністю видів і конструктивних особливостей. Вони можуть бути такими ж, як конструкції, зроблені зі сталі , залізобетону, армоцементу, маючи в той же час свої особливості. Як і любі просторові конструкції вони, як правило, поєднують в собі несучі та огороджувальні функції, при однакових витратах матеріалів вони характеризуються більш високою надійністю і несучою здатністю, меншою матеріалоємністю, а при агресивності середовища великою довговічністю.

Просторові конструкцій використовують у будівлях і спорудах, де небажані або недопустимі проміжкові опори ( спортивні споруди, промислові будівлі з гнучкою технологією і т. п.) і в спорудах з жорсткою сіткою опор (оболонки приміщень кас, вестибюлів, торгових павільйонів, виставковий залів, службових приміщень і т. д.). Просторові конструкцій з дерева і пластмас успішно застосовують при малих прольотах (3-4 м), середніх (до 36 м) і великих - висячі покриття до 100 - 140 м, куполи до 257 м. Ці матеріали дозволяють створювати всілякі конструктивні форми, що реалізують практично любу ідею проектувальника.

Підібрати універсальний пристрій і згрупувати просторові конструкцій неможливо, оскільки будь-яка класифікація буде умовною. Можна лишень говорити про матеріал конструкцій, геометрію, способ обробки поверхні і конструктивні особливості, спосіб обпирання, креслення плану будівлі, прольоті і т. д. Тому для подальшого розгляду окремих видів конструкцій з усього різноманіття є тільки їх класифікація спочатку по геометричній ознаці, а потім у кожній групі по можливості враховуємо конструктивні і інші особливості покриття.

З точки зору форм, що застосовують в конструкціях із деревини і синтетичних матеріалів оболонки можна розділити на наступні типи: 1) призматичні ; 2) циліндричні; 3) еліптичні; 4) гіперболічні. Менше поширення отримали оболонки комбінованої та довільної форми.

З точки зору конструктивної ознаки доцільно відзначити два найбільш розповсюджені типи покриття - склепіння і куполи (сферичні, конічні, гіперболічні і т.д.). За конструктивним виконанням оболонки можуть бути тонкостінні , ребристі , сітчасті ; за типом поперечного перерізу – одно, дво - і тришаровими.

2. Розпірні склепіння, склад, структура.

2.1. Конструктивні форми склепінь.

Конструкцій склепінь покриттів бувають двох типів: безрозпірно-зведені – оболонки і розпірно-зведений. Розглянемо розпірні склепіння.

У залежності від матеріалу склепіння можуть бути пластмасовими, дерев’яними, і комбіновані. За конструктивним виконанням їх можна розділити на гладкі, ребристі, волокнисті, складчасті, сітчасті, структурні, а також суцільні, двошарові і трьох шарові. За формою покриття на циліндричні, параболічні, полігональні, призматичні. За способом передачі зусиль на фундаменти та із затяжками. За рівнем розташування опор –безпосередньо на фундаменти, і на підтримуючі покриття конструкції. За статичною схемою - на двох і тришарнірні.

За частотою застосування конструктивної форми серед просторових конструкції склепіння займають друге місце після куполів. Частка склепінь у пластмасових покриттях досягає 25%. Великого поширення набули кругло-сітчасті склепіння з дерев’яних цілих, значно рідше з клеєних і клеєфанерних елементів. Максимальні прольоти, які можна перекрити пластмасовими склепіннями, можуть досягати 20-40 м, клеєфанерним 30-60 м, кругло-сітчасті - до 100 м.

Дані покриття набули поширення в самих різноманітних будівлях і спорудах цивільного, промислового і сільськогосподарського призначення.

Гладкі, суцільні пластмасові склепіння одношарові і двошарові зазвичай застосовують для невеликих прольотів (до 4 м) в закритих переходах і світлових ліхтарях. Склепіння можуть бути попередньо-напруженими, світло-проникаючими і світлонепрникними. Основний матеріал – поліефірний склопластик.

Гладкі тришарові склепіння мають обшивки з листових матеріалів (фанера, склопластик) і середній шар з пінопласту. Панелі склепінь можуть бути криволінійним або плоскими, в залежності від монтажу. В залежності від прольоту і довжини дуги склепіння , розмір панелі по хорді вибирають зазвичай до 6 м. Ширина панелі 1,5; 2; 3 м. Враховуючи збірну конструкцію склепінь, особлива увага приділяється конструюванню стиків панелей.

Розрахунковою схемою склепіння є тришарнірна арка шириною 1 м. Методика розрахунку панелі на міцність аналогічна розрахунку плоских панелей покриття з урахуванням поздовжньої сили.

Ребристі склепіння мають одну або дві обшивки з листового матеріалу (склопластик, водостійкої фанери) і дерев’яних, пластмасових або металевих ребер. У опалювальних будинках між обшивками розміщують утеплювач з пінопласту або мінеральної вати. Для скорочення числа монтажних елементів секцію склепіння проектують з двох частин. Форма поверхні покриття може бути різноманітною, але найчастіше циліндричної або стрільчастої. Збірні елементи збирають так щоб виступали ребра для з’єднання їх з допомогою стяжних болтів. Ребра склепінь можуть бути криволінійним з клеєних елементів або з поодиноких дошок на ребро, з’єднаних між собою зубчастим клеєним з'єднанням або фанерними накладками.

Прикладом збірних ребристих склепінь можуть бути зроблені покриття складських приміщень, показаних на рис.1, а, б. Стрілчасті склепіння прольотом 12 і 18 м складаються з криволінійних клеєфанерних панелей завширшки 1,5 м з двома обшивками з водостійкої фанери. Для з'єднання суміжних панелей болтами є запроектовані виступаючі ребра. Для складів мінеральних добрив доцільно використовувати скло-пластмасові болти. Склепіння спирається безпосередньо на фундаменти.

Рис.1. Збірні склепіння з панелей

а- клеєфанерні склепіння з криволінійних ребристих панелей;

б – клеєфанерні полігональні склепіння;

в- склепіння волокнисті із склопластикових матеріалів

Склепінчасте багатогранне покриття (рис.1, в) з дощатих ребер і склопластикової обшивки прольотом 12 і 18 м розроблено для складів мінеральних добрив. Складається з двох монтажних блоків у кожній секції, з’єднаних в коньковому стику болтами. Діагональні елементи каркаса призначені для збільшення жорсткості і забезпечення стійкості тонкої обшивки (2-3 мм). Для більшої природної освітленості частина блоків або всі блоки можуть мати обшивки з світло проникаючого склопластику.

Статичний розрахунок ребристого склепіння розраховують за схемою дво або трьох шарнірної арки на навантаження від самої ваги конструкції, снігу та вітру. Для розрахунку вибирають смугу шириною рівну ширині панелі. При визначенні даних геометричних характеристик перерізу (F,W ,J ) враховують різні модулі пружності матеріалів (деревини , фанери, склопластику і т. д.).

Рис. 2. Складчасте склепінчасте покриття з ромбічних елементів. а – поперечний розріз, б – торцевий фасад; в – розміри ромбічних елементів; г - розрахунок грані на місцеве навантаження; д - бічний фасад склепіння

Хвилясті склепіння найбільшого поширення набули в пластмасових покриттях прольотом до 18-20 м, хоча є розробки хвилястих склепінь покрить прольотом 30 м з фанерних елементів двоякої кривизни.

Лоткові пластмасові елементи хвилястих склепінь зазвичай виготовляють з поліефірного склопластику (світлопроникаючого або світлонепроникного) товщиною 1-4 мм, шириною 0,75-1,6 м, при висоті поперечного перерізу до 0,6 м. Елементи з'єднуються внакладку на клею або на болтах. Шви герметизуються скло джгутом або стрічкою на поліефірному клею. Вид поперечного перетину лоткових елементів може бути най різноманітнішим.

Загальний розрахунок скловолокнистих елементів ведуть як арочних конструкцій. Місцевий розрахунок лотків у поперечної напрямків залежить від конструктивних особливостей і форми елементів.

Складчасті склепіння найчастіше роблять з ромбоподібних елементів, вгнутих по великій діагоналі (мал.2). Ромбічні панелі складаються з контурних ребер і обшивок. Обшивки роблять з одного або двох слоїв листового матеріалу - склопластику, фанери. Ребра можуть бути склопластикові, фанерними або дерев’яні. Для утеплення покриттів вводять шар пінопласту. Складчасті склепіння з ромбічних панелей мають проліт до 20 м і використовуються для покриттів спортивних, торгівельних, складських, виробничих та інших будівель. На рис 2 показано склепінчасте покриття , зібране зі склопластикових тришарових панелей товщиною 48 мм з розміром діагоналей 3 та 6 м. Дверні прорізи в торцях і бокових сторонах склепіння. Деякі елементи виготовляють світло пропускними.

Розрахунок склепіння з ромбічних складчастих елементів можна зробити як арочної смужки шириною рівній ширині панелі. При цьому площа поперечного перерізу арки вважається постійною, а момент інерції змінний. Зосереджений момент інерції поперечного перерізу арки можна визначити з рівняння:

1/J=1/3(1/J_max+2J_min),

де / J_max , J_min - відповідні максимальні і мінімальні менти інерції поперечного перерізу арки з урахуванням крайніх ребер.

Розрахунок на місцеве навантаження трикутної грані приводять до розрахунку на зосереджену силу круглої пластин радіусом r₀, вписаною в трикутний контур. Прогин трикутної пластинки ω₀ під точкою прикладання сили визначають з виразу:

(ω₀/δ)²+A(ω₀/δ)³=B(Pr₀²/Eδ⁴),

де δ - товщина пластинки; Р - зосереджена сила; Е - модуль пружності матеріалу; А і В - константи, що залежать від коефіцієнта Пуассона і характеру закріплення сторін пластини. При коефіцієнті Пуассона μ= 0,35; А= 0,194 - для пластини з вільною стороною; А=0,453 - для пластини з защемленою стороною; В=0,209 - для пластини з будь-яким закріпленням сторін.

Структурні зведені (склепінчасті) покриття виготовляють з однотипних тонкостінних об’ємних елементів склопластикових або фанерних і з'єднують їх вершини стержнів. Об’ємні елементи можуть бути пірамідальної форми або сідлоподібної. Стержні виготовляють з склопластикових або металевих профільних елементів. Можна застосовувати попередньо-напружені троси. У будь-якому випадку утворюється двохпоясна конструкція, одним поясом якої є стержні, які з'єднують вершини елементів, інші - ребра пірамід, якими вони з'єднуються один з іншим. Об’ємними розкосами системи служать грані пірамід. При об’ємних елементів у формі гіпарів поясами є стержневі елементи, що з'єднують відповідно верхні і нижні вершини параболічних гіперболоїдів. Проліт зведених покриттів структурної конструкції 12-24 м.

Рис.3. Структурне склепінчасте покриття з пластмасових пірамідальних елементів а-пірамідальний елемент; б-поперечні розріз склепінчастого покриття; в- план покриття

На рис. 3 наведена конструктивна схема склепіння з пластмасових пірамідальних елементів і стержневого каркасу з попередньо-напруженими алюміневими трубами.

Структурні склепінчасті покриття розраховують із застосуванням ЕВМ як багаторазово статично-невизначені конструкції. Для попереднього визначення перетину можна поділити покриття на арочні полоси, розглядаючи їх як наскрізні арки.

Склепіння бочкоподібного виду з деревини і пластмаси не знайшли в будівництві широкого застосування, хоча і мають великі потенціальні можливості. У Ленінградському інженерно-будівельному інституті спроектоване бочкоподібне склепіння прогоном 24 м з панелей довжиною 6,4, шириною 1,2 м з фанерної обшивкою двоякої кривизни, приклеєною до повздовжніх і поперечних криволінійних ребрах. Фанера двоякої кривизни може бити виготовлена за звичайною технологією із заміною плоских пресованих плит на плити з поверхнею двоякої кривизни.