
- •Введение
- •1.1. Общие сведения об инженерных конструкциях
- •1.2. Историческая справка. Вклад отечественных инженеров и ученых в теорию и практику инженерных конструкций
- •2. Материалы, применяемые для изготовления инженерных конструкций
- •2.1. Строительные стали и алюминиевые сплавы, их классификация
- •2.2. Механические свойства металлов
- •2.3. Сортамент металла
- •Контрольные вопросы
- •3. Основные положения расчета инженерных конструкций
- •3.1. Суть метода расчета по предельным состояниям
- •3.2. Нагрузки и воздействия
- •Сочетания нагрузок
- •3.3. Нормативные и расчетные сопротивления материалов
- •Контрольные вопросы
- •4. Расчет элементов металлических конструкций
- •4.1. Основные положения расчета
- •4.2. Расчет центрально-растянутых элементов
- •4.3. Расчет центрально-сжатых элементов
- •4.4.Расчет изгибаемых элементов
- •4.5. Расчет внецентренно - сжатых элементов
- •Контрольные вопросы
- •5. Соединения в металлических конструкциях
- •5.1.Сварные соединения
- •5.1.1. Сварка в строительстве
- •5.1.2. Виды сварки
- •5.1.3. Виды сварных швов и соединений
- •5.1.4. Расчет стыковых и угловых швов
- •5.2. Заклепочные и болтовые соединения
- •5.2.1. Общие сведения о заклепочных и болтовых соединениях
- •5.2.2. Расчет и конструирование болтовых и заклепочных соединений
- •Контрольные вопросы
- •6. Основы проектирования балок и балочных клеток
- •6.1.Назначение балок, их типы и область применения
- •6.2. Основы проектирования балочных клеток
- •6.3. Основные положения расчета балок
- •6.4. Расчет балок
- •Расчет поясных соединений
- •7. Колонны и стойки
- •7.1. Типы колонн и стоек
- •7.2. Расчет колонн
- •7.3. Типы и конструкции оголовков и баз колонн
- •Контрольные вопросы.
- •8. Проектирование ферм гражданских и общественных зданий
- •8.1. Назначение и основные группы ферм
- •8.2. Стропильные фермы и их типы
- •8.3. Определение генеральных размеров ферм
- •8.4. Элементы кровельного покрытия по металлическим фермам
- •8.5. Основы расчета стропильных ферм
- •8.6. Общие принципы конструирования ферм
- •Контрольные вопросы
- •9. Стальные каркасы зданий средней и малой этажности
- •9.1. Область применения стальных каркасов
- •9.2. Каркасы производственных зданий
- •9.3. Легкие металлические конструкции зданий
- •Контрольные вопросы
- •10. Стальные каркасы высотных зданий
- •10.1. Назначение и системы стальных каркасов
- •10.2. Рамная, связевая и рамно-связевая системы
- •10.3. Каркасно - ствольная и коробчато-ствольная системы
- •10.4. Стальные каркасы сверхвысотных зданий
- •10.5. Основы компоновки, конструирования и расчета стальных каркасов
- •10.6. Противопожарная защита стальных каркасов
- •Контрольные вопросы
- •11. Конструкции большепролетных покрытий
- •11.1. Область применения и классификация большепролетных покрытий
- •11.2. Балочные конструкции покрытия
- •11.3. Рамные конструкции
- •11.4. Арочные покрытия
- •11.5. Купола
- •11.6. Структурные и перекрестно-балочные системы покрытий
- •Контрольные вопросы
- •12. Висячие покрытия
- •12.1. Общая характеристика висячих покрытий
- •12.2. Конструктивные элементы висячих покрытий
- •12.3. Основы расчета висячих покрытий и способы уменьшения их деформативности
- •12.4. Конструктивные решения висячих покрытий
- •12.4.1. Конструктивные решения однопоясных покрытий
- •12.4.2. Конструктивные решения двухпоясных покрытий
- •12.4.3. Конструктивные решения седловидных шатровых покрытий
- •12.4.4. Конструктивные решения вантовых и висячих комбинированных покрытий
- •Контрольные вопросы
- •Список литературы
11.5. Купола
Купола относятся к пространственному типу покрытий. Они являются распорными системами. Различают 3 типа конструктивных схем куполов: ребристые, ребристо - кольцевые и сетчатые.
Ребристые купола образуются из радиально расположенных ребер - полуарок (рис. 11. 8 а). В основании купола ребра опираются на стены здания либо на криволинейный или многоугольный в плане кольцевой элемент, воспринимающий распор X. В вершине купола ребра опираются на центральное кольцо. При расчете на осесимметричные нагрузки можно расчленять на плоские арки. При шарнирном сопряжении ребер с верхним кольцом получаются трехшарнирные арки. При жесткой заделке ребер в верхнем опорном кольце рассчитываются двухшарнирные арки с условной затяжкой, роль которой выполняет нижнее опорное кольцо.
Ребра выполняются сплошными или решетчатыми и соединяются между собой ими. Для обеспечения устойчивости ребер из плоскости между прогонами устраивают связи.
Ребристо-кольцевые купола (рис. 11.8. б) отличаются от ребристых тем, что прогоны включаются совместно с ребрами на восприятие распора. Прогоны в этом случае представляют собой ряд горизонтальных колец, расположенных в разных уровнях и испытывающих растягивающие усилия. В таких куполах, заметнее чем, в ребристых, проявляется эффект пространственности. При асимметричной нагрузке купола можно рассчитывать, расчленяя их на плоские арки с условными затяжками в уровнях кольцевых прогонов.
Сетчатые купола образуются из ребристо-кольцевых включением на восприятие диагональных связей между ребрами и прогонами (рис.11.8.в). Сетчатые купола опираются в отдельных точках или связываются упруго с опорными кольцами.
При больших пролетах можно приближенно рассчитывать такие купола как безмоментные оболочки. Найденные в оболочке меридиальные и кольцевые усилия раскладывают на направления стержней, сходящихся в узле. По конструкции стержневого набора сетчатые купола могут быть односетчатыми и 2-х сетчатыми. Пролеты куполов могут достигать 400 м.
Для однотипности элементов сетчатого купола, при построении их геометрии используются правильные и полуправильные многогранники, вписанные в сферу, например, икосаэдр, имеющий 20 одинаковых граней, 80-гранник, дающий два типа граней или 320-гранник с пятью типами граней.
11.6. Структурные и перекрестно-балочные системы покрытий
В настоящее время большое распространение получили пространственные решетчатые покрытия регулярной структуры, образующиеся на основе многократно повторяющихся элементов. Структурные конструкции используются и в междуэтажных перекрытиях, стенах, и для покрытий зданий и сооружений.
По принципу образования пространственные решетчатые покрытия можно разделить:
- перекрестно-балочные системы, образуемые пересечением ферм 2-х или 3-х направлений (рис. 11.9.а);
- структурные конструкции, которые набираются из элементарных "кристаллов", тетраэдров (рис.11.9.в), пентаэдров (рис. 11.9.б), гептаэдров (рис. 11.9.д) и т.д.
Во всех случаях стержневой набор образует верхнюю и нижнюю поясные сетки, соединенные между собой решеткой. Поэтому такие системы являются двух сетчатыми. Такие покрытия обычно выполняются без прогонов, т.к. размеры ячеек верхнего пояса небольшие.
Пространственные решетчатые системы отличаются архитектурной выразительностью. В зависимости от формы поверхности перекрестные и структурные конструкции образуют диски, своды, купола, складчатые системы и др. Некоторые из этих типов показаны с. 11.9. Структурные конструкции обладают повышенной жесткостью по сравнению с плоскостными системами. Поэтому они имеют меньшую строительную высоту, а следовательно более экономичны. Кроме того, они хорошо работают на сосредоточенные нагрузки, поэтому их можно применять для производственных зданий с подвесными кранами.
Преимуществом структурных конструкций являются их возможность произвольного расположения опор в узлах нижней или верхней поясных сеток. Опорами могут быть стены, отдельно стоящие колонны, что позволяет принимать любые архитектурно - планировочные решения.
Поставка конструкций на строительную площадку может осуществляться в виде: пакетов отдельных стержней, плоских секций, пространственных модулей-пирамид, вложенных при транспортировании одна в другую в виде плотного штабеля.
Монтаж конструкций можно производить индустриальными методами, т.е. применять укрупнительную сборку всего покрытия на уровне земли с последующим подъемом готового блока на проектную отметку кранами или домкратами.
Конструктивные формы структурных плит отличаются большим разнообразием из-за применения различных типов стержневой решетки, профилей стержней и типов узловых соединений.
Наиболее распространен тип структур с поясными сетками из квадратных ячеек (рис.11.9.б). Такая сетка применяется в производственных зданиях прямоугольной в плане формы. Для увеличения жесткости ортогональных структур на кручение поясные сетки устраиваются с дополнительными диагоналями (рис.11.9.г). Для покрытий общественных зданий сложной конфигурации в плане применяются структуры с поясными сетками из ней 3-х направлений, образуемые из тетраэдров (рис.11.9.в) или гептаэдров (рис.11.9.д).
Стержни структурных покрытий изготавливают из круглых труб или прокатных профилей (уголков, швеллеров, двутавров). Для производственных зданий выгоднее структуры из прокатных профилей несмотря на то, что они на 15...25% тяжелее структур из труб.
На массу и стоимость структурных конструкций существенно влияют узловые соединения, на узлы расходуется до 15...20% металла.
Различают два вида узловых сопряжений в структурах: сварные и болтовые. Конструкция узлов показана на рис. 11.10.
Расчет структурных конструкций осуществляется точными и приближенными методами. При точном расчете стержневая плита рассматривается как пространственная шарнирно-стержневая система и рассчитывается на ЭВМ по существующим программам.
При расчете приближенным способом стержневую систему заменяют сплошной плитой эквивалентной жесткости. По справочным таблицам определяют как для сплошной плиты изгибающие моменты и поперечные силы в заданных сечениях. Затем переходят от сплошной плиты к стержневой системе. Для этого распределенные изгибающий момент Mpl и поперечную силу Qpi собирают с плиты шириной, равной размеру ячейки поясной сетки S (рис. 11.11а) и прикладывают в виде сосредоточенных усилий Mpl*S и Qpi*S в узлы кристалла (рис. 11.11.б).
Усилия в поясах получают заменой момента Mpl*S парой сил с плечом, равным высоте структуры h, а усилия в раскосах - из условия равновесия сил, приложенных к данному узлу на вертикальную ось.
Ниже приводятся формулы для определения усилий в поясах Nb и раскосах Nd для структур различных типов. Для структуры из пентаэдров без дополнительных диагоналей в ней поясной сетке (см. рис. 11.9.б)
Nb = Mpl*S /h;
Nd = - 0,5*Qpi*S Qx /sin
где h - высота структуры, - угол наклона раскосов к горизонтальной плоскости.
Для структуры из пентаэдров с дополнительными диагоналями в верхней поясной сетке (рис.11.9.г)
Nb = 1,1 Mpl*S /h;
Nd = - 0,55*Qpi*S Qx /sin
Для структуры с треугольными ячейками верхней и нижней поясных сеток (рис.11.9.в)
Nb = 0,578Mpl*S /h;
Nd = - 0,5*Qpi*S Qx /sin
Приближенный расчет усилий в структурах обеспечивает точность до 15% и обычно применяется при вариантном проектировании. Основными параметрами при выборе конструктивной схемы являются: типы ячеек поясных сеток и положение верхней поясной сетки по отношению к нижней, схема расположения опор и очертание плиты на участке, между опорами, конструктивная высота плиты и размеры поясных ячеек.
Рекомендуется принимать высоту структурных плит 1/15...1/20 пролета при стержнях и 1/20...1/25 пролета при профильном прокате. Ячейки принимаются в пределах 1/7…1/15 пролета плиты. Стержневые плиты ограничиваются пролетами 60...80 м, однако могут иметь и большие значения.