Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Решетчатые балки и безраскосные фермы. Учебное пособие.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
(СИБСТРИН)
В.В. Габрусенко
РЕШЕТЧАТЫЕ БАЛКИ
И БЕЗРАСКОСНЫЕ
ФЕРМЫ
Рекомендовано Новосибирским региональным отделением
ФУМО в системе высшего образования по укрупненным
группам специальностей и направлений подготовки
08.00.00 «Техника и технология строительства»
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлениям 08.03.01
и 08.04.01 «Строительство»
НОВОСИБИРСК 2019
УДК 624.07
ISBN 978-5-7795-0886-5
Габрусенко В.В., 2019
Новосибирский государственный
архитектурно-строительный
университет (Сибстрин), 2019
ББК 38.539
Г 122
Габрусенко, В. В.
Решетчатые балки и безраскосные фермы : учеб. пособие / В. В. Габрусенко ; Новосиб. гос. архитектур.-строит. ун-т (Сибстрин) . – Электрон. текстовые данные (1,55 Мб). – Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2019. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) . – Систем. требования : PC не ниже Pentium ; Windows XP и выше ; дисковод CD-ROM
52x ; мышь. – Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7795-0886-5
Решетчатые балки и безраскосные фермы, именуемые общим
термином «безраскосные конструкции», до настоящего времени остаются самыми массовыми железобетонными стропильными конструкциями пролетами от 12 до 24 м. Между тем нормативно-справочная
и учебная литература, посвященная проектированию этих конструкций, отсутствует, а сведения об их расчете и конструировании разбросаны по разным источникам 30–40-летней давности.
С целью восполнить данный пробел и написано настоящее посо-
бие, адресованное инженерам-проектировщикам и обследователям
зданий, а также студентам и магистрантам вузов, обучающихся по направлению подготовки «Строительство». В учебном пособии показаны
особенности расчета (с примерами), конструирования и усиления безраскосных конструкций.
Рецензенты:
Д.Э.Абраменков, д-р техн. наук, профессор,
зав. кафедрой зданий, строительных конструкций
и материалов СГУПС;
В.А. Беккер, канд. техн. наук, профессор
НГАСУ (Сибстрин);
Ю.П. Линченко, канд. техн. наук, доцент Академии
строительства и архитектуры КФУ им. В.В. Вернадского
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................... 4
Глава 1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ
И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ..................................................... 7
Глава 2. РАСЧЕТ БЕЗРАСКОСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ПО ПРОЧНОСТИ ........................................................................ 11
2.1. Общие положения .............................................................. 11
2.2. Расчет прочности поясов на действие момента ............... 15
2.3. Расчет прочности поясов
на действие поперечной силы .......................................... 21
2.4. Расчет прочности стоек...................................................... 24
2.5. Расчет прочности опорных участков ................................ 30
Глава 3. РАСЧЕТ ПО ВТОРОЙ ГРУППЕ
ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ................................................. 34
3.1. Приближенный метод статического расчета ................... 34
3.2. Расчет ширины раскрытия трещин ................................... 40
Глава 4. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ................ 44
Глава 5. УСИЛЕНИЕ
БЕЗРАСКОСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ...................................... 46
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...................................... 50
3
ВВЕДЕНИЕ
Решетчатые балки и безраскосные фермы являются самыми
массовыми стропильными конструкциями из сборного железобетона, их до сих пор продолжают применять в покрытиях одноэтажных общественных зданий пролетами 12 м и более, где
требуется более высокая огнестойкость, чем у стальных конструкций. Хотя в связи с фактическим прекращением промышленного строительства с середины 1990-х гг. производство подобных балок и ферм существенно снизилось, они эксплуатируются во многих зданий и сооружений – как производственных, так и гражданских. Поэтому необходимость знаний об этих
конструкциях, методах расчета и конструирования с «повестки
дня» не снимаются, особенно в случаях, когда требуется оценка
их технического состояния, ремонт или усиление.
Решетчатые балки и безраскосные фермы имеют ряд общих
свойств и, более того, в своих последних модификациях даже
внешне похожи друг на друга. Оба типа конструкций представляют собой статически неопределимые стержневые системы
с жесткими узлами; во многом совпадают методы их расчета
и конструирования, поэтому часто они фигурируют под общим
названием «безраскосные конструкции». Однако причины появления и развития ферм и балок совершенно разные.
Безраскосные фермы были разработаны как альтернатива
сегментным фермам с раскосно-стоечной решеткой – конструкциям, хотя и самым экономичным по расходу материалов в 1950 –
1960-е гг., но и самым трудоемким в изготовлении (разная ширина сечения поясов и решетки, исключительно сложные и насыщенные арматурой промежуточные узлы и т.д.).
В процессе своего развития безраскосные фермы претерпе-
ли ряд превращений: из обычных арок с предварительно напряженными затяжками и гибкими подвесками – в арки с жесткими
подвесками (способными воспринимать сжимающие усилия),
шарнирно соединенными с поясами, и, наконец, – в арки с подвесками, жестко соединенными с поясами. В результате арка
превратились в верхний пояс, затяжка – в нижний пояс, подвески – в стойки, а конструкция в целом – в стержневую (рамную)
4
систему с жесткими узлами 1. В конце 1960-х гг. были выпущены первые типовые чертежи безраскосных ферм (серия 1.463-
3 [6]).
Непрерывное усовершенствование конструкции 2–5 по-
зволило добиться того, что, имея перед сегментными фермами
неоспоримые технологические преимущества, безраскосные
фермы почти перестали проигрывать им в материалоемкости.
Кроме того, у безраскосных ферм есть еще одно немаловажное
преимущество: через их плоскости можно пропускать воздуховоды значительно большего диаметра, не занимая ими подферменного пространства и не увеличивая строительного объема
здания, и даже размещать технические этажи в межферменном
пространстве.
Появление решетчатых балок также было вызвано техноло-
гическими причинами, а именно – сложностью металлооснастки
и трудностью вертикального формования традиционных балок
двутаврового сечения с тонкой (80 мм) стенкой, через которую
бетонная смесь проходила с трудом, а насыщенные арматурой
нижняя полка и опорные участки оказывались плохо пробетонированными. В результате готовая продукция имела высокий
процент брака (правда, со временем появились суперпластификаторы, которые позволили повысить качество уплотнения бетона, но полностью проблему они не решили). Попытки изготавливать двутавровые балки плашмя окончились неудачно: открытая при бетонировании боковая поверхность имела недопустимо низкое качество.
В конце 1960-х гг. группой авторов была предложена кон-
струкция балок прямоугольного сечения с отверстиями, названных впоследствии решетчатыми балками 7, 8, которые, как
и фермы, можно было изготавливать плашмя. Новые балки по
расходу материалов существенно проигрывали двутавровым, но
оказались настолько простыми в изготовлении, что уже в 1972 г.
Госстроем СССР были утверждены первые типовые чертежи
двускатных решетчатых балок пролетами 12 и 18 м (серия 1.462-3
[6]).
5
Первоначально принятые методы расчета решетчатых ба-
лок обладали низкой точностью, что приводило к существенному завышению расхода материалов, особенно, арматуры (30%
и более). По мере накопления экспериментальных данных, методы расчета совершенствовались и в конце концов достигли
приемлемой точности. Это позволило создать более экономичные конструкции решетчатых балок, которые по расходу материалов смогли вполне конкурировать с двутавровыми балками.
Любопытно отметить, что процессы совершенствования
методов расчета балок и ферм шли разными путями, а сошлись
практически в одной точке. Это и дало основание называть оба
типа конструкций общим термином «безраскосные конструкции».
6
Глава 1
КОНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ
И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Решетчатые балки и безраскосные фермы применяют пре-
имущественно в покрытиях одноэтажных зданий. Они могут
воспринимать нагрузки от веса кровли, светоаэрационных фонарей, снега (с учетом отложений у перепадов высот – «снеговых мешков»), подвесных кранов грузоподъемностью до 50 кН
или других подвесных грузов: монорельсов, трубопроводов,
подвесного потолка и т.п.
По балкам и фермам укладывают железобетонные ребри-
стые плиты шириной 3 или 1,5 м либо стальные прогоны с мелкоразмерными железобетонными плитами, либо прогоны с легкими многослойными плитами. Нагрузку на решетчатые балки
прикладывают, как правило, к узлам, чтобы не создавать местные изгибающие моменты в панелях поясов. Поэтому шаг стоек
в балках (1,5 или 3 м) определяется шириной плит покрытия или
шагом прогонов. В безраскосных фермах, имеющих круговое
очертание верхнего пояса, шаг стоек принят равным 3 м, независимо от ширины плит, а величина местного момента при межузловой нагрузке в значительной мере гасится моментом от
распора арочных панелей. Правда, при наличии только узловой
нагрузки, местный момент (обратного знака) возникает уже от
самого распора.
Номинальные пролеты балок составляют 9, 12 и 18 м; была
разработана также конструкция пролетом 24 м 27. Номинальные пролеты ферм – от 18 до 24 м. Шаг конструкций – 6 или
12 м. Высоту балок в коньке принимают обычно в пределах
1/9...1/13 пролета, высоту ферм – в пределах 1/6...1/7 пролета.
Очевидно, что при таких высотах фермы обладают потенциально большей несущей способностью, поэтому их можно применять под более высокие нагрузки, чем балки. Например, на ряде
объектов были осуществлены технические этажи, разместившиеся в межферменном пространстве.
Кроме ферм арочного, существуют также фермы треугольного очертания пролетами 6, 9, 12 и 18 м с уклоном верхнего
7
пояса 1:4 (типовая серия 1.463-10 [6]). Все балки и фермы выполнены с предварительно напряженной арматурой в растянутом нижнем поясе.
Балки и фермы каждого пролета разделяются по несущей
способности, которую обозначают порядковыми номерами
и которая характеризуется эквивалентной (унифицированной)
расчетной полезной нагрузкой (3,5; 4,5; 5,5 кПа и т.д.). Она
включает нагрузки от покрытия, фонарей, снега, подвесного
транспорта и т.д., за вычетом собственного веса. В зависимости
от номера несущей способности конструкции различаются расходом арматуры и прочностью бетона. Кроме того, с целью экономии бетона балки и фермы каждого пролета запроектированы,
как правило, двух (иногда и трех) типоразмеров. Конструкции
каждого типоразмера, имея одинаковые внешние контуры, отличаются размерами отверстий или шириной сечения.
Конструкции обозначают марками, отражающими их основные характеристики. Например, марка 2БДР12-6К7 означает:
2 – номер типоразмера; БДР – тип балки (балка двускатная решетчатая); 12 – номинальный пролет в метрах; 6 – порядковый
номер по несущей способности (соответствует унифицированной эквивалентной нагрузке 8,5 кПа); К7 – класс напрягаемой
арматуры.
В зависимости от профиля кровли и назначения различают
следующие разновидности конструкций (рис. 1).
Рис. 1
8
Балки с параллельными поясами (БРП) (чертежи шифра
334, рис. 1а). Предназначены для покрытий зданий с плоской
и односкатной (с уклоном 1:20) кровлей пролетами 9 и 12 м 15.
Рассчитаны на воздействие полезных унифицированных нагрузок до 8,5 кПа включительно. Бетон класса В22,5…В40. Шаг балок 6 м, высота сечения 890 мм. Шаг стоек 1,5 м позволяет использовать в покрытии плиты размерами 1,56 и 36 м. Подобного типа балки пролетом 12 м, высотой сечения 700 мм
и с шагом стоек 1 м применяют также в эстакадах под технологические трубопроводы.
Двускатные решетчатые балки (БДР) (чертежи серии
1.462-3, рис. 1б). Предназначены для покрытий зданий с дву-
скатной кровлей (уклон 1:12) пролетами 9 16–18, 12 и 18 м 6.
Рассчитаны на воздействие унифицированных нагрузок до
11 кПа включительно. Бетон класса В22,5…В40, шаг стоек
1,5 м. Шаг балок 6 м, высота в торце 890 мм. Балки пролетом
18 м под малые нагрузки можно применять с шагом 12 м.
Двускатные решетчатые балки с отогнутым нижним
поясом (БДРО), высота в торце 590 мм (чертежи шифра 414,
рис. 1в). Имеют ту же область применения, что и двускатные
балки пролетом 18 м 13, 14. За счет отгиба более благоприятно
распределяются внутренние усилия в решетке, что дает значительную экономию материалов, снижает собственный вес, но
усложняет технологию изготовления. Конструкция была специально разработана для заводов-изготовителей, оснащенных мостовыми кранами грузоподъемностью 10 тс, недостаточной для
подъема балок типа БДР.
Арочные решетчатые балки (БРА), высота в торце
590 мм (чертежи шифра 100/3, рис. 1г). Имеют ту же область
применения, что и двускатные балки пролетами 12 и 18 м. Благодаря очертанию верхнего пояса, близкому к балочной эпюре
моментов, они еще более экономичны по расходу материалов,
чем балки БДРО, и одновременно намного проще в изготовлении 19, 22. Особенно эффективны балки с шагом стоек 3 м,
предназначенные для покрытия с плитами шириной 3 м 20, 21.
9
Дальнейшим совершенствованием этих конструкций было
создание универсальных балок пролетами 18 и 24 м [23, 24, 27]
с высотой в коньке равной 1/10 пролета (промежуточной между
высотой традиционных балок и высотой ферм). По несущей
способности они могли заменять балки и фермы, по производственной себестоимости были дешевле балок и сегментных ферм,
а по приведенным затратам (с учетом эксплуатационных расходов) – дешевле всех балок и ферм.
Безраскосные стропильные фермы (ФБ) (рис. 2а). Пред-
назначены для покрытий зданий пролетами 18 м (высота в коньке 3000 мм) и 24 м (высота в коньке 3300 мм). Шаг ферм 6
и 12 м, шаг стоек в фермах 3 м, высота в торце 890 мм. Рассчитаны на воздействие унифицированных нагрузок до 15 кПа. Очертание верхнего пояса принято по дуге окружности 1, 6. Фермы
этого типа обладают самой высокой несущей способностью
среди железобетонных стропильных конструкций.
Безраскосные треугольные фермы (ФТ) (рис. 2б). Предназначены для покрытий однопролетных неотапливаемых зданий пролетами 6, 9, 12 и 18 м с уклоном кровли 1:4. Шаг ферм
6 м, шаг стоек 3 м, высота в торце 450 мм. Покрытие может выполняться из плит шириной 1,5 или 3 м, а также из волнистых
асбестоцементных листов, укладываемых по прогонам 6. Ограниченно применялись в производственных зданиях преимущественно сельскохозяйственного назначения под небольшие
расчетные нагрузки (до 3,1 кПа).
Рис. 2
10