1. Классификация пространственных конструкций по конструктивной форме:

а) тонкостенные оболочки,

б) ребристые складки и оболочки,

в) сетчатые конструкции,

г) перекрестно балочные системы и структуры.

В основу классификации пространственных конструкций положены геометрическая форма и принципы статической работы.

1) криволинейные (вантовые покрытия, мягкие оболочки);

2) конструкции из прямолинейных элементов, не образующие криволинейную форму (структурные плиты или структуры).

1) Вантовые покрытия (мембраны):

- вантовые двухслойные;

- висячие однослойные.

Мембраны:

- однослойные;

- двуслойные (с вантами).

Мягкие оболочки

- тентовые покрытия;

- ванто-тентовые покрытия;

- пневматические:

пневмопанельные (пневмокаркасные);

воздухоопорные;

оболочки усиленные канатами или сетками.

Оболочки с единой поверхностью:

- положительной гауссовой кривизны:

купола с криволинейным планом;

оболочки с прямоугольным планом;

- нулевой гауссовой кривизны:

длинные цилиндрические оболочки

короткие цилиндрические оболочки

- отрицательной гауссовой кривизны:

гиперболические параболоиды;

коноиды;

гиперболоиды вращения;

- своды:

бочарные;

складчатые;

волнистые;

- сопряженные (составные)

- составные и произвольные формы:

оболочки;

криволинейные складки;

комбинированные.

2) Складки:

- балочного типа

- треугольные и трапециевидные;

- призматические.

Структурные плиты:

- решетчатые (сквозные):

перекрестные фермы двух и трех направлений;

стержневые пирамиды;

складчатая система из плоских или трехгранных ферм;

- пластинчатые (сплошностенчатые).

Распорные своды: конструктивные формы, классификация.

Сводом называется пространствен­ная конструкция с постоянным криво­линейным профилем и прямолинейными направляющими. Две из них служат его опорами. Профиль свода может быть очерчен любой выпуклой кривой. Если линия продольного разреза прямая, свод счи­тается гладким, если волнистая или зубчатая, то волнистым или складча­тым. Распор должен быть вос­принят либо опорами, либо за­тяжками.

Распорные своды представляют собой пространственные конструкции из отдельных клеефанерных плит-скорлуп круглого или ломаного очертания с одной или двумя обшивками.

Наиболее характерные сечения:

1. открытого профиля:

- волнистые;

- сечения, имеющие однозначную кривизну;

- складчатые.

2. закрытого профиля

- коробчатые сечения.

При выборе поперечного сечения тонкостенного сводчатого элемента его ширина влияет на жесткость конструкции. Соотношение высоты сечения к ширине принимают 1/4-1/5.

Опирание сводов как правило осуществляется шарнирно.

Своды проектируют железобетонными, армоцементными, в некоторых случаях деревянными. Затяжки сводов могут выполняться железобетонными (с обычным армированием и предварительно напряженными) или стальными.

Стрелу подъема оси свода в ключе рекомендуется брать от 1/2 до 1/12 пролета.

Армирование сводчатых тонкостенных конструкций осуществляют в соответствии с эпюрами нормальных и поперечных усилий, а также изгибающих моментов, построенных по расчетных данным.

Кружально-сетчатые своды из клееных косяков (Освенского). Особенности проектирования и расчет.

Кружально-сетчатые своды представляют собой класс деревянных конструкций. Основным элементом свода является деревянный косяк, имеющий винтовое направление, система которую он образует создает сеть.

Своды из клееных косяков (Освенского) – своды больших пролетов требуют составной (клееной) конструкции косяка и узла сочленения.

Также конструкция косяка зависит от перекрываемого пролета:

- для малых косяк выполняется из цельной доски;

- для средних – из клееной доски;

- для больших (60 м) косяк представляет клеефанерную конструкцию.

Подобные своды используются для перекрытия галерей, складских помещений, павильонов различного назначения (торговых и выставочных). Фактически конструкция таких сводов представляет собой две системы параллельно расположенных арок, пересекающихся под углом.

Распорные своды-оболочки из сборных элементов: скорлуп кругового и ломанного очертания.

Распорные своды представляют собой пространственные конструкции из отдельных клеефанерных плит-скорлуп круглого или ломаного очертания с одной или двумя обшивками. Распор от сводов воспринимается затяжками или передают его непосредственно на фундаменты.

Конструкция скорлуп кругового очертания состоит из основных ребер, склеенных из выгнутых по окружности досок, вспомогательных поперечных ребер и приклеенных к ним обшивок из водостойкой фанеры. Из таких скорлуп собирают двух- и трехшарнирные своды кругового или стрельчатого очертания.

Клеефанерные скорлупы с ребрами ломаного очертания собирают из прямолинейных элементов ребер с применением более толстых досок. Элементы ребер в местах переломов стыкуют с использованием клеевого соединения на зубчатый шип, вклеенных в древесину арматурных стержней или с помощью фанерных вкладок, приклеенных с двух сторон.

Конструкцию приопорных плит проектируют с учетом необходимости восприятия вертикальных реакций и распора свода. В случаях когда распор свода воспринимают затяжками, для передачи вертикальных усилий на колонны (стены) предусматривают устанавливаемые на них бортовые диафрагмы в форме балок треугольного сечения или ферм с металлическим нижним поясом.

Своды рассчитаывают как двух- и трехшарнирные арки, при этом за арку принимают одну из секций свода, например одну панель или одну волну. Поперечные сечения такой арки считают недеформируемыми.

Гладкие пластмассовые и волнистые своды. Примеры проектирования.

Сводом называется пространствен­ная конструкция с постоянным криво­линейным профилем и прямолинейными направляющими. Две из них служат его опорами. Профиль свода может быть очерчен любой выпуклой кривой.

Пластмассовые гладкие купола-оболчки бывают:

1. однослойные;

2. двухслойные;

3. трехслойные.

1) Изготавливают из органического стекла, полиэфиного стеклопластика (светопрозрачного) и пенопласта. Диаметр и толщина из оргстекла достигают 10 м и 20 мм, из стеклопластика 9 м и 6 мм, из пенопласта – 24 м и 100 мм.

2) Состоят из наружного стеклопластикового слоя и внутреннего пенопластового.

3) Толщиной от 15 до 50 мм, стеклопластиковая обшивка до 3 мм, средний слой из пенополистирола, пенополиуретана, сотопласта и воздушной прослойки. Возводят диаметром до 25 м с общей толщиной оболочки до 50 мм.

Волнистые своды принадлежат, к наиболее распространенной разновид­ности конструкций покрытий с приме­нением пластмасс. Перекрываемые ими пролеты доходят до 40 м. Основным конструктивным материалом служит полиэфирный стеклопластик, к одному из достоинств которого следует отнести светопроницаемость, достаточную для того, чтобы обходиться без световых проемов.

Практикой установлены следующие оптимальные соотношения размеров волнистых сводов при стреле подъема от 1/2 до 1/10 пролета: ширина волны b = 1,5-2 м, высота профиля h_п = 1/40-1/60 пролета, тол­щина оболочек от 5 см и выше, сборных – 3-4 см.

Складчатые своды и структурные сводчатые покрытия. Примеры проектирования.

Придание поперечному сечению сводов складчатого очертания увеличивает их жесткость и несущую способность и позволяет перекрывать пролеты до 100 м и более. В ряде случаев в качестве обшивки сводов применяют полимерные материалы. Эти обшивки могут совмещать функции кровельных и несущих покрытий.

Структурные своды собирают из тонкостенных пирамид, соединяя их вершины стержнями коль­цевого и продольного или косого направлений. Мате­риалом пирамид может служить листо­вой металл, фанера, пластмассы, армоцемент и железобетон. В результате возникает двухпоясная система, у которой одним поясом слу­жит стержневая сетка, другим – реб­ра пирамид, которыми они состыкованы. Ребра пирамид выполняют роль раско­сов структуры, а их грани – огражда­ющей конструкции.

Представляет интерес другой вари­ант структурного свода, где пирамиды заменены ромбовидными в плане элементами с седловидной поверхностью – гипарами, которые обладают боль­шей жесткостью формы, нежели плос­кие грани пирамид.

Двоякоскладчатыми сводами называются такие, поверхность которых имеет складки как по образующей, так и по направляющим линиям. Пространственную геометри­ческую основу таких сводов образуют правильные многоугольники, рас­положенные в плоскостях, нормальных к общей продольной оси, и многоуголь­ники, повернутые на половину одной стороны. Двоякоскладчатый свод тем устойчивее, чем рельефнее его поверхность, что достигается исполь­зованием панелей сравнительно боль­шой длины.

Некоторые двоякоскладчатые своды обладают способностью развертываться в плоскость. Это свойство может быть успешно использовано при монтаже, позволяет производить предварительную сборку треугольных панелей на плос­кой монтажной площадке.

Пологие оболочки положительной Гауссовой кривизны. Особенности работы под нагрузкой и примеры проектирования.

Покрытия этого типа представляют собой купол с отсеченными сегментами, превращенный в простран­ственную форму, опирающуюся на че­тыре угла. Однако опирание оболочки на четыре угла ставит ее в тяжелые условия работы, так как нагрузка сосредо­точивается только в четырех углах с тонкой оболочкой. Во избежа­ние этого контур оболочки опирают на жесткие поддерживающие конструк­ции – диафрагмы, их роль выпол­няют арки, сегментные фермы, криво­линейные балки, стены с закруглен­ными фронтонами. Пологие оболочки имеют малый подъем над опорами.

Оболочки могут быть:

- одиночными;

- многоволновыми.

Разделяются на:

1. железобетонные пологие оболочки;

2. деревянные оболочки.

1) Способны перекрывать помещения с прямоугольным планом, близким к квадрату, в широком диапазоне проле­тов – от 18 до 100 м и более. Плиты сборных оболочек имеют толщину от 3 до 5 см и усилены контур­ными и диагональными ребрами.

2) Заметного распространения не получили. Деревянная оболочка состоит из нескольких (не менее трех) склеенных между собой слоев тонких досок, опирающихся на контурные диафрагмы.

Недостатки:

- предварительного возведения подмостей, лесов и кружальной опалубки;

- построечный способ изго­товления.

Изгибающие моменты в контурных зонах невелики, но при конструировании наличие их учиты­вают. Действуя в зоне местного изгиба на расстоянии от края х₁ = 0,597√rt, момент равен M = 0,0937prt. Устойчивость оболочки считается обеспеченной, если интенсивность расчетной нагрузки не превышает крити­ческой величины q_cr = E_bt²/20r₁r₂, где r₁ и r₂ радиусы главных кривизн поверхности.

Ребристые складки. Особенности проектирования и расчет.

Складчатое покрытие представляет собой поверхность, образованную из системы наклонных плоских граней, которые примыкают одни к другим под углом по длинным сторонам и опираются на торцевые диафрагмы или ребра – по коротким.

По конструктивному оформлению складки могут быть:

- тонкостенными;

- ребристыми;

- трехслойными.

Ребристые складки изготавливают из брусков с высотой сечения до 15 см, к которым на гвоздях или на клею с одной или с двух сторон крепят обшивку из листовых материалов (фанеры, ДСП, стеклопластика) или досок.

Гиперболические оболочки из шпунтованных досок. Особенности проектирования и расчет.

Деревянные гипары – распростра­ненная разновидность деревянных обо­лочек двоякой кривизны. Применяются как правило с прямолинейными контурными элементами. Оболочка образуется из двух слоев досок толщиной 25 мм, расположенных параллельно главным диагоналям оболочки. Размеры лепестков от 6х6 до 18х18. Деревянные ги­пары легки и достаточно прочны, спо­собны воспринимать значительные мембранные усилия.

Расчет оболочек с учетом изгибающих моментов выполняется методом конечных элементов.

Деревянные гиперболические оболочки состоят из пролетного сечения и бортовых элементов. Сечение оболочки в пролетах до 8-10 м состоит из двух слоев шпунтованных досок толщиной 20-25 мм, уложенных параллельно диагоналям. Доски соединятся на гвоздях, склеиванием или комбинированно.

Для расчета гипаров может быть использован метода Милековского. Для приближенных расчетов гипаров используют безмоментную теорию.

Условие прочности бортового бруса при сжатии σ = N_b/A_n ≤ R_cγ_c.

Средний слой досок проверяется на растяжение силой +n. Условие прочности σ = +n/t_mt ≤ R_tγ_c, где t_mt – толщина доски среднего слоя.

Доски нижнего и верхнего наруж­ного слоев проверяют на сжатие силой -n. Продольный изгиб не учитывается в связи со стабилизирующим дейст­вием среднего растягивающего слоя. Если направление сжимающей силы -n составляет с направлением воло­кон досок угол 45°, то они проверяются на смятие под этим углом. Условие прочности σ = -n/(t_inf + t_sup) ≤ R, где t_inf, t_sup – толщины досок нижнего и верхнего наружных слоев.

Распор F_h воспринимается или непосредственно фундаментом, или за­тяжкой.

Гиперболические оболочки из сборных клеефанерных панелей. Особенности проектирования.

Каждый лепесток оболочки имеет квадратный план. Сочетание таких лепестков принципиально позволяет создать покрытия различной конфигурации привлекательные с архитектурной точки зрения.

В качестве элемента оболочки возможно использование клееных фанерных панелей. Панель изготавливается необходимого типоразмера скрученной в соответствии с кривизной оболочки. Каркас панелей – из досок, образующих продольные и поперечные ребра. По верхним граням досок приклеена фанерная обшивка. Сборку оболочек необходимого размера осуществляют на строительной площадке, а потом устанавливают в проектное положение.

Специальные контурные элементы устанавливают, если это необходимо, по расчету. В случае минимальной снеговой нагрузки они не требуются.

Кружально-сетчатые своды, понятие об их статической работе.

Кружально-сетчатые своды представляют собой класс деревянных конструкций. Основным элементом свода является деревянный косяк, имеющий винтовое направление, система которую он образует создает сеть. В зависимости от пролета и нагрузки сетка косяков может быть принята ромбической.

Очертания кружально-сетчатых сводов:

- круговое (по окружности);

- стрельчатое.

Относится к распорным конструкциям. Опирание выполняется на фундамент или на систему колонн.

Кружально-сетчатые своды делятся на:

- безметальные своды (Песельника). Без применения металлических соединений. Все сочленения выполняются с помощью деревянных конструкций: шипов и так далее.

- своды на болтах (Цольбау) – для соединения косяков используются болтовые соединения.

- своды из клееных косяков (Освенского) – своды больших пролетов требуют составной (клееной) конструкции косяка и узла сочленения.

Также конструкция косяка зависит от перекрываемого пролета:

- для малых косяк выполняется из цельной доски;

- для средних – из клееной доски;

- для больших (60 м) косяк представляет клеефанерную конструкцию.

Подобные своды используются для перекрытия галерей, складских помещений, павильонов различного назначения (торговых и выставочных).

Фактически конструкция таких сводов представляет собой две системы параллельно расположенных арок, пересекающихся под углом.

Особенности деревянных тонкостенных куполов. Проверка устойчивых деревянных куполов.

Куполами называют пространствен­ные конструкции двоякой (положи­тельной гауссовой) кривизны, перекры­вающие планы, главным образом кру­говые или многоугольные, вписанные в окружность.

Деревянные тонкостенные купола состоят из двух слоев дощатых настилов кольцевого и косого, а также в конструкцию входят верхние и нижние опорные кольца. Пролеты тонкостенных куполов 12-36 м. Доски кольцевого настила воспринимают кольцевые усилия, ребра меридиональные. Сложные купола, на дощатые ребра кладется 1) кольцевой настил (верхний/нижний), 2) косой настил, 3) рулонная кровля.

Устойчивость купола обеспечивается довольно частым расположением ребер 0,75-1,5 м по нижнему кольцу при h сечения не менее 1/250 диаметра купола. Косой настил воспринимает сдвигающие усилия доски 16-25 мм. Ребра рассчитывают на меридиональные усилия. F_м = a ∙ n_м, где а – длина дуги между ребрами, n_м – меридиональные усилия. n_м = - Q_φ/(2π ∙ r₂ ∙ sin²φ). Расчет верхнего кольца на прочность ведется по сжимающему усилию. Устойчивость тонкостенных куполов проверяют по формуле критического напряжения σ = E ∙ t/(1,7 ∙ r) ≤ Σσ, где Σσ – суммарное сжимающее напряжение от всех видов нагрузок.

Перекрестно-балочные системы из клееной древесины. Геометрические основы образования. Достоинства и недостатки.

Перекрестно-балочные системы образуются балками двух или трех направлений и совместно работающих с ними настилов из досок или плитных материалов. Такие конструкции применяют для перекрытия квадратных или прямоугольных зданий с соотношением сторон не более 1:1,5. При опирании по всему контуру балки одного направления как правило вдоль меньшего пролета представляют собой неразрезные конструкции высотой 1/18-1/20 пролета, а балки другого направления образуются вставками между первыми. Вставки соединяются между собой при помощи накладок или металлических стержней вклеенных в древесину. При опирании системы только в углах или на опоры, шаг которых превышает шаг балок в балочной клетке, предусматриваются обрамляющие балки. Высоту сечения этих балок принимают равной 1/20 пролета. Размеры ячеек, образуемых балками, назначают 0,75-3 м. для обеспечения жесткости настилов в ячейках могут быть дополнительные ребра.

Балки, образующие систему, могут выполняться в виде дощатокленных или двухпоясных клеефанерных элементов.

Перекрестные балочные системы могут применяться как для покрытий так и перекрытий.

Перекрестно-балочные системы на основе древесины. Конструкции элементов и узлов креплений.

Перекрытие, образованное пере­крестно расположенными и связанными между собой балками или фермами, представляет собой сплошностенчатую или сквозную (решетчатую) простран­ственную конструкцию. Эф­фект пространственной работы пере­крестных систем тем заметнее, чем ближе очертания перекрываемого пла­на к квадрату (кругу или другим фи­гурам с контуром, примерно равноуда­ленным от центра).

Пространственный характер работы балок, соединенных между собой в точ­ках пересечения, заключается в том, что нагрузка, приложенная к любой из балок, вызывает деформирование, а, следовательно, противодействие этой нагрузке, всей системы балок в целом.

Диагональное расположе­ние балок не приводит к уве­личению максимальных изгибающих моментов. Объяснение этого парадокса состоит в том, что короткие угловые балки обладают большей жесткостью при кручении, что создает эффект упру­гой заделки концов всей перекрестно-балочной системы. Диагональными бал­ками можно перекрывать планы, более вытянутые по сравнению с теми, кото­рые считаются нерациональными для перекрестных балок.

Когда балки уложены этажно, то они изгибаются каждая в своей плоскости. Если балки пересекаются в одном уровне и связаны между собой жестко, то прогибы балок одного направления сопровож­даются не только соответствующими прогибами балок другого направления, но и их кручением.

Кручение балки создает дополнительное со­противление действию внешних сил. Его можно рассматривать как резерв несущей способности всей системы. Однако для этого крутильная жесткость балок должна быть достаточно высо­кой, которой тонкие балки не обладают. Поэтому перекрестные балки рас­считывают без учета кручения.

При перекрытии плана, отличающе­гося от квадратного, короткий пролет перекрывают цельными балками, а бал­ки длинного пролета разрезают и сты­куют между собой в каждом пересече­нии.

Заметное снижение величин момен­тов в пролете покрытий с перекрестны­ми балками достигают, располагая опо­ры не по контуру здания, а внутри его, на некотором удалении от краев. Оптимальный вылет кон­сольной части, соответствующий при­мерному равенству моментов в пролете и над опорами, составляет 0,15-0,2. полного размера стороны покрытия.

Методика подбора сечений перекре­стных балок и ферм не имеет принци­пиальных отличий от методики расчета обычных балок и ферм. Высота пере­крестных балок составляет около 0,7-0,8 высоты простых балок, а высота перекрестных ферм – 0,6-0,7 высоты обычных ферм.

Деревостальные структуры. Геометрические основы структурных образований. Достоинства и недостатки структурных перекрытий.

Структурами обычно называют сис­темы стержней, сходящихся в узлах и расположенных в пространстве в строгом геометрическом порядке. Структурно организованное простран­ство можно представить в виде множе­ства неделимых ячеек – элементарных многогран­ников – тетраэдра, куба, некоторых пирамид и др.

Существуют следующие рисунки се­ток структурных покрытий: геометри­чески изменяемые (квадрат, шести­угольник) и геометрически неизменяе­мые (треугольник, квадрат с диагональю). Сетки с одинаковым по всей площади покрытия строением назы­ваются регулярными, с различным строением в разных зонах покрытия – нерегулярными. Ячейки растянутой (обычно нижней) сетки рационально делать более крупными, поскольку они не испытывают сжатия.

Достоинства структурных покрытий сводятся к следующим: пространственная работа при многократной ста­тической неопределимости (многосвязности системы); однотипность узлов и стержней; примерно двукратное снижение строи­тельной высоты конструкции; облегче­ние кровельного покрытия и подвесных потолков; легкая приспособляемость к планам сложным и с нерегулярной расстановкой опор; выразительность в интерьере и при вы­носе конструкций на фасад.

Недостатками структурных покры­тий являются: сложность узлов и высокая требуемая точность их изготовления; неизбежные «люфты» в многочисленных соедине­ниях (исключая сварные).

Пневматические оболочки. Материалы, их силовая основа и покрытие, физико-механические характеристики.

Мягкие оболочки – пространственные конструкции из материалов, отличающихся высокой прочностью при растяжении, но утоненных до такой степени, что они не воспринимают другие деформации (пластмассы, стекло, металлы в виде пленок или волокон). Воспринимают нагрузки при условии их предварительного натяжения:

- пневматический способ;

- механический способ;

- гидростатический.

Форма мягкой оболочки зависит от действующей на нее нагрузки. Изменения формы следуют из деформаций материала и перемещений кинематического характера.

По способам предварительного напряжения различают:

1. Пневматические;

2. Тентовые.

1) Пневматические:

- воздухоопорные конструкции – пространственный объект, в котором объединены стеновая и кровельная части. После закрепления контура оболочки и наполнения ее воздухом конструкция приходит в эксплуатационное состояние, которое поддерживается центробежными или осевыми вентиляторами. Непрерывная подача при контроле уровня давления исключает требование высокой герметизации. Пространство под избыточным давлением.

- воздухонесомые конструкции – конструктивные элементы стержневые. Давление воздуха создается компрессорами при разовом или редком периодическом заполнении, что требует высокой герметичности. Пространство под атмосферным давлением.

- пневмолинзы (пневмоподушки) – по характеру статической работы – воздухоопорная конструкция, по назначению – конструктивный элемент.

- комбинируемые конструкции.

- трансформируемые конструкции.

Наиболее употребительными материалами являются ткани с покрытиями и армированные пленки.

Основные требования:

- прочность при растяжении;

- водо- и воздухонепроницаемость;

- долговечность;

- стойкость к воздействию среды и механическим повреждениям;

- огнестойкость;

- свето- и радиопроницаемость;

- массовость производства;

- окрашиваемость;

- удобство стыковки полотнищ.

Ткани с покрытием состоят из силовой основы и полимерного покрытия. Силовая основа – чаще ткани из синтетических волокон, покрытие – ПВХ, тефлон.

При расчете конструкций учитывают изменение физико-механических свойств материала в результате старения, ползучести и усталости.

Воздухоопорные здания и сооружения, их достоинства и недостатки, архитектурные формы и физические законы, их регламентирующие.

Достоинства:

- чрезвычайно малый расход материалов;

- возможность перекрытия больших про­летов;

- полное заводское изготовление;

- быстрота монтажа;

- сравнительно низкая стоимость;

- транспортабельность;

- невозможность обруше­ния;

- светопроницаемость в заданной степени.

Недостатки:

- необходимость поддержания постоянного давления воздуха;

- трудности создания требуе­мого микроклимата;

- недолговечность.

Основные конструктивные элементы: оболочка, опорные устройства, воздухоподающая установка

три состояния:

- начальное или раскройное – давление несколько превышает атмосферное чтобы расправить складки;

- исходное – давление на эксплуатационном уровне;

- конечное – к полностью надутой оболочке приложены внешние нагрузки.

Исходная форма образуется в результате деформаций материала в общем случае анизотропного с нелинейными упругими характеристиками.

1. Геометрические формы воздухоопорных оболочек могут быть:

- простыми (поверхности вращения);

- составными (участки простых оболочек);

- сложными – не имеющими математического выражения.

2. Усиленные канатами или сетями:

- однопролетные;

- многопролетные.

Форма оболочки, найденная с помощью уравнения мыльной пленки, является первым приближением, которое может быть скорректировано с учетом ряда специфических требований. Она не всегда является оптимальным решением, как по функциональному признаку, так и по технологическому. Однако форма мыльной пленки отражая соответствие нагрузке действующей только в данный момент все же служит хорошей моделью воздухоопорной оболочки.

Тентовые покрытия, способы их формообразования и обеспечения стабильной формы.

Тентовое покрытие – предварительно напряженная конструкция. Натяжение оболочки тента осуществляется механическим путем: оттягиванием углов, подъемом опорных стоек, притягиванием промежуточных точек тента к земле или оттягиванием их кверху, искривлением жесткого опорного контура и др. В результате в оболочке возникает начальное натяжение.

Форма поверхности тента должна удовлетворять требованиям:

- обеспечению равномерного распределения предварительного натяжения по всей поверхности оболочки

- «жесткости формы» после создания в оболочке предварительного натяжения. Ограниченная подвижность точек оболочки под воздействием нагрузок.

Для образования устойчивой формы оболочки необходимым условием является наличие предварительного натяжения, а достаточным – наличие минимум четырех фиксированных точек оболочки, не лежащих в одной плоскости. Это основной принцип формообразования тентовых оболочек, который реализуется в двух случаях: 1) исходные условия определяют только контур оболочки, 2) исходные условия кроме контура определяют положение некоторых внутриконтурных точек.

Конструктивные способы:

устойчивая форма обеспечивается закреплением:

- отдельных точек контура в разных уровнях;

- оболочки на криволинейном или полигональном изгибно-жестком неплоском опорном контуре;

- внутриконтурных точек вне в плоскости контура.

классы оболочек:

- с гибким контуром - не образуют замкнутого объема;

- с жестким контуром;

- с внутриконтурными опорами;

- с внутриконтурными оттяжками;

- комбинированные оболочки.

Способы форообразования тентовых оболочек:

Оболочки с контурным закреплением:

1. оболочки с несколькими закрепленными точками контура (с гибким контуром);

2. оболочки, закрепленные на жестком пространственном контуре (с жестким контуром);

оболочки с внутриконтурным опиранием:

3. оболочки с внутриконтурными точками, оттянутыми наружу сооружения (с внутриконтурными опорами);

4. Оболочки с внутриконтурными точками, втянутыми внутрь сосоружения (с внутриконтурными оттяжками).

Тент может существовать, будучи закрепленным в трех точках и туго натянутым. Однако при этом он будет плоским и нестабильным. Условие образования стабильной формы требует наличия четвер­той точки крепления, не лежащей в плоскости трех остальных. Эта чет­вертая точка может находиться на контуре оболочки или быть внутри кон­тура.

Основные принципы конструирования большепролетных конструкций.

Большепролетные конструкции подразделяют на балочные, арочные, рамные, пространственные в виде оболочек, складок, куполов и сводов, а также висячие, мембранные и вантовые конструкции.

Одной из основных особенностей большепролетных конструкций является повышенное влияние собственной массы конструкций на размеры несущих элементов. Снижение общей массы конструкций является самой острой задачей при проектировании таких систем. Облегчения несущих конструкций можно добиться применением высокопрочных сталей или легких сплавов.

Стремление снизить собственную массу несущих конструкций приводит к применению предварительного напряжения, регулированию усилий и деформаций сооружения в процессе изготовления и монтажа, применению растянутых поверхностей (мембран, вантовых сеток) или подкрепляющих растянутых подвесок, вант, шпренгелей.

Снижение нагрузки на большепролетном покрытии важно для облегчения несущих систем и для снижения расхода материала всех нижележащих конструкций. В большепролетных конструкциях эффективны облегченные кровельные конструкции и материалы.

В зданиях больших пролетов по технологическим соображениям часто требуется верхнее освещение. Поперечное расположение фонарей позволяет объединить фонарные и пролетные несущие конструкции в единую несущую систему.

Большие пролеты несущих конструкций неминуемо связаны с появлением значительных величин прогибов несущих конструкций, если даже относительная величина удовлетворяет всем нормам проектирования. Это должно учитываться при проектировании сопряжения покрытия и стены, чтобы обеспечить одновременно надежное опирание стенового фахверка на жесткий диск покрытия в горизонтальном направлении и независимость деформаций покрытия и стены в вертикальной плоскости.

Типы компоновки большепролетных конструкций.

Каркасы большепролетных зданий с несущими конструкциями балочного и рамного типов по своей компоновке конструктивных схем близки к компоновке каркасов производственных зданий.

При использовании в системах большепролетных покрытий конструктивных элементов двух направлений шаг основных несущих конструкций целесообразно принимать большим, чем это принято в зданиях средних пролетов – 12,18,24 м

Большие пролеты и большая масса конструктивных элементов требуют применения пространственно жестких и устойчивых блочных конструкций. Пространственно жесткие блоки могут быть созданы объединением спаренных плоских ферм, рам или арок, либо с применением трехгранных сечений.

В арочных системах при значительных пролетах шаг арок принимается 12 м и более, что приводит к необходимости использования пространственно жестких главных прогонов. Применяют трех- или четырехгранные главные прогоны. Кроме главных прогонов часто применяют опирающиеся на них поперечные ребра, представляющие собой многошарнирные арки с шарнирами на прогонах. Ребра передают прогонам только вертикальную нагрузку, скатную они передают на опоры в уровне пят арок.

Арки соединяют в ключе, иногда около опор, продольными связями с целью повысить общую жесткость здания. Поперечные связи крайнего блока (или связи крайней пары арок) несут функцию ветровой конструкции, воспринимающей давление от торцовой стены здания. Расчет связевой системы на усилия от ветра ведут как пространственной конструкции.

Проектирование торцовых каркасов большепролетных зданий. В невысоких зданиях приемлемы обычные компоновки фахверков со стойками и ригелями, но в зданиях с подъемистыми арочными системами возникают проблемы. В средней части торца высота здания достигает иногда нескольких десятков метров и система фахверков нерациональна. Проектируют комбинированную систему с неразрезными ветровыми фермами, опирающимися на главные стойки фахверка, установленные в 1/3 пролета, и второстепенными стойками фахверка, опирающимися на ветровые фермы.

Балочные большепролетные конструкции. Пример компоновки большепролетных конструкций с продольным расположением главных несущих элементов. Расстановка связей в покрытии.

Понятие балочные конструкции охватывает как балки так и фермы, то есть безраспорные конструкции. Применение балочных конструкций для перекрытия больших пролетов привлекает их простота монтажа, хотя они уступают рамам и аркам по металлоемкости. При пролетах 60 м и более в качестве несущих безраспорных конструкций применяют фермы, так как балки сплошного сечения заметно уступают фермам по металлоемкости и нагрузке от собственной массы.

Наличие значительных общих продольных деформаций поясов, могущих вызвать появление больших горизонтальных перемещений на опорах влияет на проектирование. Иногда одну из опор балочной конструкции устраивают подвижной чтобы исключить возможность передачи усилий, вызванных упругими деформациями нижнего пояса фермы. Более предпочтительны конструкции, у которых продольные деформации верхнего и нижнего поясов, имеющих криволинейное или ломаное очертание компенсируют друг друга (фермы типа рыбка).

Типы ферм, используемых в большепролетных конструкциях. Генеральные габариты. Узлы.

Фермы больших пролетов (более 45 м) при оптимальной высоте негабаритны по условиям перевозки, при этом конструкция кровли требует частой решетки, что приводит к использованию сложных шпренгельных решеток с учащенным расположением узлов по верхнему и нижнему поясам. Негабаритные фермы расчленяют как по длине пролета, так и по высоте (для перевозки).

Интересное решение покрытия создают конструкции в виде предварительно напряженных трехгранных ферм из трубчатых профилей. Использование рациональных трубчатых профилей, железобетонные плиты в совместной работе с верхними поясами фермы и предварительное напряжение нижнего пояса (либо фермы в целом) обеспечивают высокую экономичность решения по затрате металла. Поперечные конструкции используются для верхнего освещения.

Высокими ТЭП отличаются стальные предварительно напряженные фермы типа «арка с затяжкой», которые также могут быть трубчатыми трегранными. Опирание ферм устраивается в уровне верхних поясов, а затяжка, закрепленная в узле нижнего пояса располагается ниже опор, что вместе с предварительным напряжением и эффектом затяжки обеспечивает ферме малые горизонтальные перемещения опорных узлов.

Эффективно также предварительное напряжение фермы типа «рыбка», натяжением на ее пояса тонкой растянутой обшивки, которая под поперечной нагрузкой включается в работу всей системы на изгиб.

Рамные большепролетные конструкции. Типы рам. Расчет схемы рам.

В зданиях больших пролетов часто применяют стальные каркасы из плоских двухшарнирных или бесшарнирных рам.

Бесшарнирные рамы более жестки, но более чувствительны к неравным осадкам опор и температурным воздействиям. Применение целесообразно на хороших основаниях, что не потребует устройства слишком тяжелых фундаментов.

Соотношения габаритов рам разнообразны. Рамы больших пролетов чаще проектируют сквозными. Рамы сплошного сечения применяют при пролетах менее 60 м.

Бесшарнирные рамы применяют при пролетах 120-150 м, когда уменьшение расчетного изгибающего момента в ригеле наиболее важно.

В двухшарнирных рамах применяют стойки переменного по высоте сечения, что облегчает конструкцию и улучшает внешний вид, увеличивает полезную площадь помещения.

Для разгрузки большепролетного ригеля двухшарнирной рамы используют установку затяжки в уровне опорных шарниров, смещение оси опорных шарниров для создания опорного момента, подвеску стен к стойкам.

Использование предварительного напряжения, регулирования усилий и деформаций позволяет использовать сплошностенчатые рамы на пролетах более 60м.

Ширину стоек сквозной рамы принимают равной длине панели ригеля. Это обеспечивает высокую погонную жесткость стоек и увеличивает разгружающий эффект опорных моментов в ригеле.

Эффективна разгрузка ригеля с помощью высокопрочных напрягающих элементов из канатов, которым целесообразно придать очертание соответствующее эпюре моментов в раме.

Арочные большепролетные конструкции. Типы арок, сечения, генеральные габариты.

Арка представляет собой распорную систему и требует устройств, способных воспринять распорные усилия. Чтобы облегчить опорные конструкции для восприятия распора, используют затяжки, сечения которых при больших пролетах достаточно велики. Для уменьшения провисания затяжек и связанных с ним дополнительных усилий, применяют подвески, располагаемые на расстоянии не более 12м.

Наиболее эффективны затяжки, размещаемые по оси опорных шарниров, однако в большепролетных зданиях с приподнятыми опорами арок может оказаться целесообразным повышенное расположение затяжки, чтобы увеличить полезную высоту здания, не увеличивая его общей высоты и объема.

Очертание арок выбирают близким к линии давления, но для пологих арок это не столь существенно, технологически проще круговое очертание.

Особенности:

- сквозные арки делают чаще всего с параллельными поясами для упрощения типизации конструктивных элементов.

- сплошные арки проектируют сварными составными двутаврового сечения.

Высоту сплошного сечения большепролетных арок принимают в пределах 1/50...1/80 пролета, сквозных - 1/40...1/60 пролета.

Эффективно применять предварительное напряжение.

В опорных узлах развиваются значительные усилия. Для арок наиболее подходят балансирные шарниры с цилиндрическими цапфами, плотно пригнанными к внутренней поверхности литых или сварных балансиров, один из которых соединен с аркой, другой - с опорой.

Конструкции для восприятия распора в висячих системах.

Для восприятия распорных усилий, которые передаются на опорный контур висячих конструкций используются различные конструктивные элементы: контрфорсы, оттяжки, замкнутый опорный контур.

Внешний опорный контур выполняют с учетом создания в нем сжимающих усилий. Для этого его стремятся спроектировать замкнутым криволинейным, соотвествующим по своему очертанию в плане кривой давления от усилия распора вантовой системы. Конструкция опорного контура должна обеспечивать удобство заводки концевиков вант, их крепления, регулировки и натяжения.

Сечение опорного контура рекомендуется развивать в горизонтальной плоскости: это уменьшает расход стали и повышает жесткость всей вантовой системы.

В радиальных системах в центре устраиваются внутренние контурные элементы (кольца), которые от распорных усилий крепящихся к ним вант испытывают растяжение (часто растяжение с изгибом в горизонтальной плоскости). Конструкция внутренних колец должна предусматривать центровку сходящихся вант на центр тяжести контура. Так как угол подхода вант к кольцам может меняться в конструкциях закрепления предусматриваются цилиндрические шарниры или сферические шайбы. Сечения внутренних колец также целесообразно развивать в горизонтальной плоскости.

В вантовых покрытиях с разомкнутым контуром распор вант воспринимается колоннами, защемленными в фундаментах либо оттяжками, заанкеренными в грунте.

Схема армирования пологих оболочек двоякой кривизны, прямоугольных в плане.

Для пологих оболочек применяются цилиндрические плиты размерами 3х6 и 3х12 м. Плиты рекомендуется проектировать с контурными и промежуточными ребрами. В плитах 3х6 м принимают одно поперечное ребро, в плитах 3х12 м – два.

Применяемая система ребер должна обеспечивать прочность и жесткость плит в стадии транспортирования и монтажа, прочность и устойчивость оболочки в стадии эксплуатации, возможность устройства светоаэрационных проемов и подвесок для крановых путей.

плиты следует армировать сварными сетками и каркасами. Арматура полки плит должна быть надежно заделана по контуру в ребрах или в полке в пределах ребер, приваркой поперечных стержней.

В большепролетных оболочках для обеспечения прочности и устойчивости конструкций требуется введение дополнительных ребер жесткости.

Наличие переломов поверхности за счет применения цилиндрических плит приводит к появлению существенных изгибающих моментов по всему полю оболочки и перераспределению нормальных усилий, действующих в направлении переломов.

Полка панелей проверяется расчетом.

С целью повышения жесткости вдоль образующих плит устраиваются через 2-3 м ребра. Для пролетов 18 и 24 м при опирании оболочки по углам контурные элементы принимаются железобетонные в виде ферм с раскосной или безраскосной решеткой. При больших пролетах принимают стальные раскосные фермы.

В сборных оболочках необходимо предусматривать надежную связь сборных плит и контурных диафрагм для передачи сдвигающих усилий и поперечных сил и совместных деформаций плит и контурных элементов.

Сдвигающие усилия, передаваемые с оболочки на диафрагму, должны восприниматься с помощью стальных упоров, расположенных в шве замоноличивания и приваренных к верхнему поясу контурной диафрагмы. Применение уголков позволяет приварить к ним косую арматуру без отгибов ее концов, что удобнее выполнять.

Очень важно надежно закрепить концы арматуры на диафрагмах. Так как сборные плиты имеют достаточно высокое ребро, а закреплять косую арматуру целосообразно к диафрагме, ее концы отгибают за ребро и приваривают к закладным деталям в диафрагме или к металлически упорам на ней расположенным.

Конструктивные схемы сборных куполов, апробированных на практике.

- из крупноразмерных цилиндрических плит:

подъем не менее 1/10 пролета;

все плиты однотипны;

трапециевидные элементы имеют цилиндрическую поверхность, длина их равна примерно половине длины купола (до 10...20 м в зависимости от пролета);

опорные кольца из железобетонных элементов или стальных прокатных профилей;

купол выполняется в один ярус.

- из плоских плит:

модификация получена разрезкой оболочки кольцевыми и меридиональными сечениями;

каждый ярус собирается из плит одного типоразмера небольшой площади;

конструктивная форма в целом представляет собой многогранник, вписанный в сферу, конус и другие поверхности вращения.

- многоярусной конструкции из мелкоразмерных плит:

плиты размером не более 3м;

плиты ребристые криволинейного очертания, в них выполняют отверстия для вентиляции и освещения;

-монтируемые навесной сборкой:

купол расчленен на кольцевые и меридиональные ярусы;

плиты плоской формы и ребристой конструкции;

монтаж с помощью навесной сборки, так как каждая плита расположена в двух ярусах.

- ребристо-кольцевые купола (в том числе с решетчатыми связями):

образованы ребрами-полуарками опирающимися на нижнее кольцо;

ребра по высоте связаны горизонтальными кольцевыми балками;

по ребрам выполняется легкое покрытие;

опорное кольцо предварительно напряжено, так как применяется для больших пролетов;

ребра установлены в радиальном направлении.

- многогранные купола (составные полигональные оболочки):

деление на составные и гладкие;

распорные контурные усилия можно воспринять затяжками по периметру сооружения.

Особенности, армирование, приближенный расчет железобетонных складок.

Складчатые конструкции состоят из плоских элементов – граней, соединенных между собой под углом так, что в месте их сопряжение образуется увеличение жесткости типа прямолинейного ребра, через которое от одной грани к другой передаются также нормальные усилия и изгибающие моменты. Образующееся в месте сопряжения граней утолщение плит позволяет улучшить работу места сопряжения граней на изгиб и размещения арматуры. Для повышения жесткости граней из их плоскости предусматривают подкрепляющие ребра. С целью улучшения пространственной работы призматических складок и обеспечения неизменяемости формы их поперечного сечения в опорных сечениях устраиваются диафрагмы жесткости.

Трапециевидные складки имеют горизонтальные полки, усиливающие сжатую и растянутую зоны сечения

Размеры сборных складок назначают из условий транспортировки. Сборные складки выполняют ребристыми. При пролете более 10-12 м применяют складки с большим числом граней или оболочки, иногда усиливают грани складок поперечными ребрами.

Высота складок без предварительного напряжения не менее 1/10 длинной стороны.

Расчет длинных складок аналогичен расчету оболочек. Длинные симметричные складки трапециевидного или треугольного сечения при расчете на симметричную нагрузку легко приводятся к тавровым или двутавровым сечениям, а последние потом рассчитываются на прочность. При этом размеры тавровых и двутавровых сечений подбираются так чтобы элементы их были равновелики сечениям складок. b=2t/sinα, где α – угол элемента к горизонту, t – толщина элемента.

При определении сдвигающих напряжений расчет выполняют по действительному, а не по приведенному сечению, вводя в расчет действительную толщину складки.

Поперечные изгибающие моменты определяются в складках как в многопролетных плитах, причем все ребра складок принимаются за неподвижные опоры.

Расчет выполняют для полосы единичной ширины.