Проблемы большепролетных зданий. Большепролетные здания. Строительные конструкции. Двухстенчатые сечения поясов ферм. Сечения стержней арки могут быть одностенчатыми или двухстенчатыми. Рамы и арки являются статически неопределимыми системами Архитектура

Большепролетные покрытия бывают плоскими, пространственными и пневматическими. Эти покрытия применяются в общественных и промышленных зданиях.

Плоские конструкции выполняются из балок, ферм, рам, арок, которые изготовляют из клееной древесины, стального проката, монолитного и сборного железобетона.

Железобетонные балки применяют для перекрытия пролетов до 24 м. Балки используют таврового и П-образного сечения.

Фермами и рамами (бесшарнирными и шарнирными) из дерева, стали и железобетона перекрывают пролеты до 60 м.

Бесшарнирные рамы жестко заделываются в фундамент. Они очень чувствительны к неравномерным осадкам. Поэтому их применяют на прочных и однородных грунтах. Шарнирные рамы менее чувствительны к неравномерным осадкам грунтов. Бывают одно-, двух- и трехшарнирные рамы. Одношарнирные - шарнир в середине пролета. Двухшарнирные - шарниры в опорах.

Арки - эффективные конструкции для перекрытия больших пролетов, т.к. их очертания можно приблизить к кривой давления и за счет этого оптимально использовать материал. Горизонтальные усилия (распор), возникающие в арочных конструкциях, уменьшаются при увеличении радиуса очертания арки. При этом увеличивается стрела подъема арки, а, следовательно, и строительный объем здания. Это ведет к увеличению затрат на отопление и приведенных затрат. Арки широко распространены в покрытиях спортивных зданий больших пролетов.

Пространственные конструкции - перекрестные покрытия, купола, оболочки, висячие покрытия.

Перекрестные покрытия бывают складчатые и сетчатые.

Для покрытий больших пролетов применяют складчатые покрытия из железобетона (до 50 м) и армоцемента (до 60 м). Они образуются плоскими взаимопересекающимися элементами поперек пролета. Складки бывают: прямоугольные и цилиндрические; пилообразные; в виде треугольных плоскостей; призматического типа; трапециевидного профиля и т.д.

Сетчатые покрытия из железобетона проектируют при пролетах до 50 м, а из стальных элементов - до 100 м. В этих покрытиях пересекаются железобетонные и стальные треугольники. Элементы работают в двух направлениях поэтому их высота меньше, чем балочных, - это уменьшает объем здания.

Перекрестные конструкции и системы с плоскими фермами и рамами делают открытыми внутрь помещений. Часто делают подвесные потолки, которые укрепляют к низу ферм.

Купол - наиболее древняя конструкция. Его применяли, т.к. можно подобрать такие очертания, при которых в элементах свода не возникают растягивающие усилия. В залах, где желательно создать большое воздушное пространство (рынки, спортзалы) и где нет больших текущих затрат на отопление, применяют различного вида купольные конструкции из монолитного или сборного железобетона, куполы-мембраны из стального листа толщиной 3 мм с подклеенным снизу утеплителем. Во временных залах выставок - из клеенопластиковых конструкций.

Висячие покрытия перекрывают пролеты до 100 м. Основные элементы этих покрытий работают на растяжение и передают нагрузки от покрытия на анкеры. Они имеют криволинейные очертания и представляют собой гибкие или жесткие нити, мембраны или висячие фермы. По конструктивным особенностям различают висячие покрытия: однопоясные; двупоясные; гипары (гиперболические параболоиды) и вантовые.

В висячих покрытиях несущими элементами являются стальные тросы. Они натягиваются через какую-либо опорную конструкцию и укрепляются растяжками. Достоинства висячих конструкций - экономия металла и более эффективное использование несущих элементов по сравнению с балочными и рамными конструкциями, т.к. тросы работают на растяжение. Недостатки: у висячих покрытий низкая жесткость, поэтому кровельный настил часто деформируется; трудно обеспечить отвод атмосферной влаги.

Однопоясные покрытия применяются чаще других, т.к. они технологичны в изготовлении, просты в монтаже. Ими можно придавать сооружению самую разную форму. Однопоясные покрытия состоят из системы радиальных или перекрещивающихся растяжек, которые передают горизонтальные усилия на жесткие рамы, рамы-стойки или балки-затяжки замкнутого контура. На растяжки навешивают плиты, и под этой нагрузкой нити-растяжки растягиваются. В это время между плитами омоноличивают швы, стыки заваривают. За счет упругих деформаций нитей происходит обжатие плит, и конструкция начинает работать как монолитная оболочка. В цилиндрических покрытиях создают небольшую кривизну покрова в направлении, перпендикулярном осям нитей. Это делается для отвода дождевых вод. С параболических систем в форме перевернутого купола вода поступает к центру покрытия и ее отводят внутренним водостоком. Стояки устраивают по периметру зала, а горизонтальные разводящие трубопроводы прячут в подвесном потолке. Самый простой отвод воды - с шатровых покрытий.

В двупоясных покрытиях применяют два вогнутых пояса, соединенных напряженными нитями. Наиболее распространены циркульные в плане конструкции. Нити по периметру крепят к внешнему кольцу, а в центре - к внутреннему. В зависимости от высоты центрального кольца систему можно делать вогнутой или выпуклой. Выпуклая система позволяет поднять центральную часть покрытия и за счет этого отвести воду к наружным стенам, не прибегая к горизонтальной разводке водостоков, и применить складчатую систему покрытия.

Гипары (гиперболические параболоиды) - это седловидные висячие покрытия. Они формируются в решетчатые мембраны двумя видами нитей. Одни нити несущие, а вторые - напрягающие. По периметру нити заделывают в замкнутый контур. По нитям укладывают плиты или диски. Их омоноличивают, предварительно подгружая балластом или натягивая несущие тросы домкратами. После этого напрягающие нити получают наибольшее напряжение и стыки плит, перпендикулярные этим нитям раскрываются. Их заделывают раствором на расширяющемся цементе. В результате конструкцию превращают в жесткую оболочку. Гипарами перекрывают сооружения, имеющие циркульное очертание плана.

Вантовые покрытия состоят из растянутых элементов - вант; конструкций, работающих на сжатие, - стоек и изгиб - балок, ферм, плит и оболочек. Эти покрытия могут иметь не только пространственную конструктивную схему, но и плоскую. В них используют прямолинейные стержни - ванты. Поэтому вантовые конструкции жестче, кинематические перемещения их элементов меньше, чем у других висячих покрытий.

Оболочки - одинарной и двоякой кривизны. Одинарной кривизны - цилиндрические или конические поверхности. Двоякой кривизны - выполняется в виде купола, эллипсоида. По структуре оболочки бывают: гладкие, ребристые, волнистые, сетчатые, монолитные и сборные.

Применяются еще пневматические перекрытия для перекрытия пролетов до 30 м. Они используются для временных сооружений. Бывают трех видов: воздухоопорные оболочки; пневматические каркасы; пневматические линзы. Воздухоопорные оболочки - это баллоны из прорезиненных или синтетических тканей. Внутри них создается избыточное давление воздуха. Применяются для спортивных сооружений, выставок. Пневматические каркасы - это удлиненные баллоны в виде отдельных арок с избыточным давлением воздуха. Арки соединяются в непрерывный свод с шагом 3-4 м. Пневматические линзы - это большие подушки, надутые воздухом, которые подвешиваются к жестким каркасным конструкциям. Используются для устройства летних цирков, театров.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Макеевка 2011г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

Кафедра “Экономика предприятий”

Разработал: к.э.н., доц. Захарченко Д.А.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу «Основы строительной отрасли»

для студентов специальности 6.030504 «Экономика предприятий»

№ кода _______

Утверждено на заседании кафедры

«Экономика предприятий»

ПРОТОКОЛ № __ от _______2011 р.

Макеевка 2011г.

ТЕМА 4. БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

К большепролетным сооружениям относят такие, которые имеют пролеты более 40-80 м. Сравнительно недавно такие сооружения считались уникальными и строились крайне редко, в настоящее время быстрое развитие науки и техники, а также большая потребность в таких сооружениях в промышленности и сфере досуга и развлечения предопределили интенсивное строительство таких сооружений во многих странах.

Особый интерес представляют пространственные конструкции, которые состоят не из отдельных, независимых несущих элементов, передающих нагрузку друг друга, а представляют единую комплексную систему работающих частей конструкции.

Такой пространственный характер конструкций, широко внедряемый в строительство во всем мире - символ строительной техники 20в. И хотя некоторые виды пространственных конструкций - купола, крестовые и своды - были известны с древности, однако ни по применяемости материалов, ни по конструктивным решениям они не отвечают современным требованиям строительства, так как хотя и перекрывали значительные пролеты, но при этом были чрезвычайно тяжелы и массивны.

В пространственных конструкциях привлекает, и их способность оптимально удовлетворять функциональным и эстетическим требованиям архитектуры. Масштабы перекрываемых пролетов, возможность осуществлять гибкую планировку, разнообразие геометрических форм, материалов, архитектурная выразительность - вот далеко не полный перечень особенностей этих конструкций.

Сочетание функционального, технического и художественно-эстетического обеспечивает пространственным конструкциям широкую перспективу, не говоря уже о том, что их применение позволяет получить огромную экономию строительных материалов - на 20-30% снизить материалоемкость зданий и сооружений.

К плоскостным большепролетным сооружениям относятся балки, рамы, фермы, арки. Плоскостные конструкции работают под нагрузкой автономно, каждая в своей плоскости. Несущий элемент плоскостных конструкций, перекрывающих какую-то площадь здания (плита, балка, ферма) работает самостоятельно не участвуют в работе элементов, к которым он примыкает. Это обуславливает меньшую пространственную жесткость и несущую способность плоскостных элементов по сравнению с пространственными, а также их более высокую ресурсоемкость в первую очередь повышенный расход материалов.

Рис. 4.1. Конструктивные решения большепролетных конструкций

а - плоские конструкции; б - пространственные конструкции; в - висячие конструкции; г - пневматические конструкции; 1- фермы; 2 - рамы; 3-4 шарнирные арки; 5- цилиндрические оболочки; 6- оболочки двоякой кривизны; 7- купола; 8- структуры; 9- вантовые конструкции; 10- мембранные конструкции; 11- тентовые конструкции; 12- пневмоопорные конструкции; 13- пневмокаркасные конструкции;

Монтаж рам сплошной конструкции производят двумя самоходными стреловыми кранами. Сначала на фундамент устанавливают стойки рамы с частью ригеля , опирающиеся на временную опору, а затем монтируют средний участок ригеля. Соединение частей ригеля производится на временных опорах сваркой или крепкой. После монтажа первой рамы конструкции расчаливают с помощью растяжек.

В ряде случаев рамные конструкции целесообразно монтировать методом надвижки. Такой метод применяют, если рамные конструкции невозможно сразу установить в проектное положение (внутри ведутся работы либо уже возведены конструкции, не позволяющие расположить краны).

Блок собирают в торце здания в специальном кондукторе из 2-3 или 4 ферм. Собранный и закрепленный блок по рельсовым путям поднимают в проектное положение. Устанавливают при помощи домкратов или с помощью легких кранов.

Арочные конструкции бывают 2-х типов: в виде 2-х шарнирной арки с затяжкой и 3-х шарнирной арки. При монтаже арочных конструкций, имеющих несущую часть в виде двухшарнирной арки, производится аналогично монтажу рамных конструкций с помощью самоходных стреловых кранов . Основное требование - это высокая точность монтажа, гарантирующая совмещение пятого (опорного) шарнира с опорой.

Монтаж трехшарнирных арок отличается некоторыми особенностями, связанными с наличием верхнего шарнира. Сборка последнего выполняется при помощи временной монтажной опоры, устанавливаемой посередине пролета. Монтаж производиться методом вертикального подъема, методами скольжения или поворота.

Рис. 4.3. Монтаж рам

а - монтаж целиком двумя кранами; б - монтаж рам частями с использованием временных опор; в - монтаж рам методом поворота; 1-монтажный кран; 2-рама в сборе; 3-части рамы; 4-временные опоры; 5-лебедки; 6-монтажные стрелы.

Каждую полуарку стропят у центра тяжести и устанавливают так, чтобы пятовый шарнир был заведен на опору, а второй конец на временную опору. То же с другой полуаркой. Вращением в пятовом шарнире достигается совмещением осей замковых отверстий верхнего шарнира.

В пространственных конструкциях все элементы связаны между собой и участвуют в работе. Это приводит к значительному снижению расхода металла на единицу площади. Однако до последнего времени такие пространственные системы (купольные, вантовые, структурные, оболочки) не получали развития из-за высокой трудоемкости изготовления и монтажа.

Рис. 4.4. Монтаж купола с помощью временной центральной опоры

А - система разрезки купола; Б - монтаж купола; 1-временная опора с растяжками; 2-радиальнае панели; 3-опорное кольцо;

Купольные системы монтируются из отдельных стержней или из отдельных пластин. В зависимости от конструктивного решения, монтаж купольных конструкций может быть выполнен и с использованием временной стационарной опоры, навесным способом или в целом виде.

Сферические купола возводят кольцевыми ярусами, навесным способом. Каждый такой ярус обладает после полной сборки статистической устойчивостью и несущей способностью и служит основанием для вышележащего яруса. Сборные купола могут монтироваться при помощи кондукторных устройств и временных креплений - купол цирка в Киеве, или купол целиком собирается на земле и затем поднимается на проектный горизонт краном, пневмотранспортом или подъемником. Используется метод подращивания снизу.

Висячие конструкции стали применять со 2-й половины 19 века. И одним из первых примеров является покрытие павильона Всероссийской Нижегородской ярмарки, выполненное в 1896г. выдающимся советским инженером Шуховым .

Опыт применения таких систем доказал их прогрессивность, поскольку они позволяют максимально использовать высокопрочные стали и легкие ограждающие конструкции из пластиков и алюминиевых сплавов, что дает возможность создавать покрытия значительных пролетов.

Рис. 4.5. Монтаж висячих конструкций

1-башенный кран; 2-траверса; 3-тросовая полуферма; 4-центральный барабан; 5-временная опора; 6-смонтированная полуферма; 7- опорное кольцо.

В последнее время широкое распространение получили рамные висячие конструкции. Особенность устройства висячих конструкций заключается в том, что вначале возводятся несущие опоры, на которые укладывается опорный контур, воспринимающий натяжение от нитей вант. После их полной раскладки, покрытие загружают временной нагрузкой с учетом полной расчетной нагрузки. Такой прием предварительной напряженности исключает появление трещин в оболочке после полной ее нагрузки во время эксплуатации.

Разновидностью висячих вантовых конструкций являются мембранные покрытия. Мембранное покрытие представляет собой висячую систему в виде тонкой металлической листовой конструкции натянутой на железобетонный опорный контур. Один конец рулона закрепляется на опорном контуре, а рулон при помощи специального траверса краном разматывают на всю длину, натягивают лебедками и закрепляют на противоположном участке опорного контура.

Недостатком мембранных покрытий является необходимость сварки тонких листов по длине и монтажных элементов между собой с нахлестом в 50 мм. При этом практически невозможно получить сваркой шов равнопрочный с основным металлом, поэтому толщина листа искусственно завышается. Эта проблема в какой-то мере решается системой переплетенных лент из алюминиевых сплавов .

Первые длинные цилиндрические оболочки впервые были применены в 1928г. в Харькове при сооружении почтамта.

Длинные цилиндрические оболочки поставляются в полностью законченном виде или укрупняют по месту. Вес монтажных элементов 3х12 около 4 тонн. До подъема производится укрупнение в передвижном кондукторе двух плит вместе с затяжкой в один элемент. При укрупнении производят сварку закладных деталей в стыке, натяжение затяжки и замоноличивание швов.

Установив 8 укрупненных секций, образующих пролет 24м, их выверяют, чтобы совпадали и отверстия, далее сваривают все закладные детали и выпуски продольной арматуры , производят натяжение арматуры и бетонирование швов. После выдержки бетона оболочку раскружаливают и переставляют подмости.

В строительной практике пространственные, перекрестные, ребристые и стержневые конструкции обычно объединяют под названием структурные конструкции.

Перекрестные системы конструктивных различных форм покрытий с прямоугольными и диагональными решетками получили широкое распространение сравнительно недавно со второй половины 20 века в таких странах как США, Германия, Канада, Англия, бывший СССР.

Определенное время структурные конструкции не получали широкого развития из-за высокой трудоемкости изготовления и особенностей монтажа конструкции. Усовершенствование конструкции, особенно с использованием ЭВМ, позволило обеспечит переход на поточное их изготовление, снизить трудоемкость их расчета, повысить его точность и, следовательно, надежность.

Рис.4.6. Покрытие здания из крупноразмерных плит

1-плита размером 3х24м; 2-зенитный фонарь; 3-подстропильная ферма; 4- колонна.

В основе перекрестно-стержневых систем лежит опорная геометрическая форма. Отличительная особенность разных типов структурных конструкций - пространственный узел сопряжения стержней, который и определяет в значительной мере трудоемкость изготовления и сборки этих конструкций.

Структурные конструкции обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными плоскостными решениями в виде рам и балочных конструкций:

• являются сборно-разборными и могут использоваться многократно;
• могут изготавливаться на поточных автоматизированных линиях, чему способствует высокая типизация и унификация структурных элементов (часто необходим один тип стержней и один тип узла);
• сборка не требует высокой квалификации;
• имеют компактную упаковку и удобны при перевозке.

Наряду с отмеченными преимуществами структурные конструкции имеют и ряд недостатков:

• укрупнительная сборка требует применения значительного объема ручного труда;
• ограниченная несущая способность отдельных типов конструкций;
• низкая заводская готовность поступающих на монтаж конструкций.

Пневмоконструкции используются для временного укрытия или для использования в каких-то вспомогательных целях, например в качестве опорных конструкций при возведении оболочек и других пространственных конструкций.

Пневматические покрытия могут быть 2-х видов - воздухоопрные и воздухонесущие. В первом случае небольшое избыточное давление мягкой оболочки сооружения обеспечивает получение необходимой формы. И эта форма будет сохраняться, пока будет поддерживаться подача воздуха и необходимое избыточное давление.

Во втором случае - несущий конструкцией служат заполненные воздухом трубы из эластичного материала, образующие как бы каркас сооружения. Иногда их называют пневматическими сооружениями высокого давления, потому что давление воздуха в трубах намного выше, чем под воздухоопорной пленкой.

Возведение воздухоопорных сооружений начинают с подготовки площадки, на которую укладывают бетон или асфальт. По контуру сооружения устраивают фундамент с анкерными и уплотняющими устройствами. Под действием воздушного давления оболочка распрямляется и приобретает проектную форму.

Воздухонесущие или пневмокаркасные конструкции сооружаются аналогично воздухоопорным, лишь с той разницей, что воздух подают от компрессора по резиновым трубами и через специальные вентили закачивается в замкнутые каналы так называемого каркаса сооружения. Благодаря высокому давлению в камерах каркас занимает проектное положение (чаще всего в виде арок) и поднимает за собой ограждающую ткань.

Большепролетные конструкции играют значительную роль в мировой архитектуре. И заложено это ещё в давние времена, когда собственно и появилось это особое направление архитектурного проектирования.

Идея и реализация большепролетных проектов неразрывно связана с основным стремлением не только строителя и архитектора, но и всего человечества в целом - стремлением покорения пространства. Именно поэтому, начиная со 125 года н. э., когда появилось первое известное в истории большепролетное строение, Пантеон Рима (диаметр основания - 43 м), и заканчивая творениями современных архитекторов, большепролетные конструкции пользуются особой популярностью.

История большепролетных конструкций

Как уже говорилось выше - первым был Пантеон в Риме построенный в 125 году н. э. Позднее появились и другие величественные строения с большепролетными купольными элементами. Ярким примером можно считать храм Святой Софии построенный в Константинополе в 537 году н. э. Диаметр купола составляет 32 метра, а сам он придаёт всему сооружению не только величественность, но и удивительную красоту, которой и по сей день восхищаются и туристы, и архитекторы.

В те и более поздние времена из камня невозможно было построить легкие сооружения. Поэтому купольные строения характеризовались большой массивностью а их строительство требовало серьёзных временных затрат - до ста и более лет.

Позже, для обустройства перекрытий больших пролетов начали использоваться и деревянные конструкции. Здесь яркий примером является достижение отечественной архитектуры - бывший Манеж в Москве был построен в 1812 году и имел в своей конструкции деревянные пролеты длиной 30 м.

XVIII-XIX столетия характеризуются развитием черной металлургии, что дало новые и более прочные материалы для строительства - сталь и чугун. Это ознаменовало появление во второй половине 19-го столетия большепролетных стальных конструкций, получивших большое применение в российской и мировой архитектуре.

Следующим строительным материалом, существенно расширившим возможности архитекторов, стали железобетонные конструкции. Благодаря появлению и совершенствованию ЖБК мировая архитектура 20-го столетия пополнилась тонкостенными пространственными конструкциями. Параллельно, во второй половине ХХ столетия, стали широко использоваться висячие покрытия, стержневые и пневматические системы.

Во второй половине ХХ столетия появилась и клееная древесина. Развитие этой технологии позволило «вернуть к жизни» деревянные большепролетные конструкции, достичь особых показателей легкости и невесомости, завоевать пространство, не идя при этом на компромисс с прочностью и надежностью.

Большепролетные конструкции в современном мире

Как показывает история - логика развития большепролетных конструктивных систем была направлена на повышение качества и надежности строительства, а также архитектурной ценности строения. Применение данного типа конструкций позволило в наибольшей мере использовать весь потенциал несущих свойств материала, создать благодаря этому легкие, надежные и экономичные перекрытия. Всё это особо важно для современного архитектора, когда на первый план в современном строительстве выдвинулось снижение массы конструкций и сооружений.

Но что же представляют собой большепролетные конструкции? Здесь мнения экспертов расходятся. Единого определения нет. По одной из версий - это любая конструкция с длиной пролета более 36 м. По другой - конструкции с безопорным покрытием длиной более 60 м, хотя они уже относятся к категории уникальных. К последним относятся и строения с длиной пролета больше ста метров.

Но в любом случае, независимо от определения, современная архитектура однозначна в том, что большепролетные строения являются сложными объектами. А это означает и высокий уровень ответственности архитектора, необходимость в принятии дополнительных мер безопасности на каждом из этапов - архитектурное проектирование, строительство, эксплуатация.

Важным моментом является выбор строительного материала - дерева, ЖБК или стали. Помимо этих традиционных материалов используются и специальные ткани, тросы и углепластик. Выбор материала зависит от задач стоящих перед архитектором и специфики строительства. Рассмотрим основные материалы используемые в современном большепролетном строительстве.

Перспективы большепролетного строительства

Учитывая историю мировой архитектуры и неизбежное стремление человека к завоеванию пространства и созданию совершенных архитектурных форм, можно смело прогнозировать устойчивый рост внимания к большепролетным конструкциям. Что касается материалов, то помимо современных высокотехнологичных решений, всё большее внимание будет уделяться КДК, представляющим собой уникальный синтез традиционного материала и современных высоких технологий.

Что же касается России, то, учитывая темпы развития экономики и не удовлетворенную потребность в объектах различного назначения, в т. ч. торговой и спортивной инфраструктуры, объёмы строительства большепролетных здания и сооружений будут постоянно увеличиваться. И здесь всё большую роль будут играть уникальные конструкторские решения, качество материалов и использование инновационных технологий.

Но не забудем и об экономической составляющей. Именно она стоит и будет стоять во главе угла, и именно сквозь неё будет рассматриваться эффективность того или иного материала, технологии и конструкторского решения. И в этой связи опять хочется вспомнить про клееные деревянные конструкции. Им, по мнению многих экспертов, принадлежит будущее большепролетного строительства.

Общие положения

Большепролетными считаются здания, у которых расстояние между опорами (несущих конструкций) покрытий составляет более 40 м.

К таким зданиям относятся:

− цехи заводов тяжелого машиностроения;

− сборочные цехи судостроительных, машиностроительных заводов, ангары и т.п.;

− театры, выставочные залы, крытые стадионы, вокзалы, крытые стоянки автотранспорта и гаражи.

1. Особенности большепролетных зданий:

а) большие размеры зданий в плане, превосходящие радиус действия монтажных кранов;

б) специальные способы монтажа элементов покрытия;

в) наличие в отдельных случаях под покрытием больших частей и конструкций здания, этажерок, трибун крытых стадионов, фундаментов под оборудование, громоздкого оборудования и т.п.

2. Методы возведения большепролетных зданий

Применяются следующие методы:

а) открытый;

б) закрытый;

в) комбинированный.

2.1. Открытый метод заключается в том, что сначала возводят все конструкции здания, находящиеся под покрытием, т.е.:

− этажерки (одно – или многоярусное сооружение под покрытием промзданий для технологического оборудования, контор и т.п.);

− конструкции для размещения зрителей (в театрах, цирках, крытых стадионах и т.п.);

− фундаменты под оборудование;

− иногда громоздкое технологическое оборудование.

Затем устраивают покрытие.

2.2. Закрытый метод состоит в том, что сначала устраняют покрытие, а потом возводят все конструкции, находящиеся под ним (рис. 18).

Рис. 18. Схема возведения спортзала (поперечный разрез):

1 – вертикальные несущие элементы; 2 – мембранное покрытие; 3 – встроенные помещения с трибунами; 4 – передвижной стреловой кран

2.3. Комбинированный метод состоит в том, что на отдельных участках (захватках) на каждом выполняют сначала все конструкции, находящиеся ниже покрытия, а потом устраивают покрытие (рис. 19).

Рис. 19. Фрагмент стройгенплана:

1 – смонтированное покрытие здания; 2 – этажерка; 3 – фундаменты под оборудование; 4 – подкрановые пути; 5 – башенный кран

Применение методов возведения большепролетных зданий зависит от следующих основных факторов:

− от возможности расположения грузоподъемных кранов в плане по отношению к возводимому зданию (вне здания или в плане);

− от наличия и возможности применения кранбалок (мостовых кранов) для возведения внутренних частей конструкций здания;

− от возможности устройства покрытий при наличии выполненных частей здания и конструкций, находящихся под покрытием.

При возведении большепролетных зданий особую трудность составляет устройство покрытий (оболочек, арочных, купольных, вантовых, мембранных).

Технология устройства остальных конструктивных элементов обычно не составляет трудностей. Производство работ по их устройству расмотрено в курсе "Технология строительных процессов".

Рассмотрена в курсе ТСП и не будет рассматриваться в курсе ТВЗ и С и технология устройства балочных покрытий.

3.1.3.1. ТВЗ в виде оболочек

За последние годы разработано и внедрено большое количество тонкостенных пространственных железобетонных конструкций покрытий в виде оболочек, складок, шатров и т.п. Эффективность таких конструкций обусловлена более экономным расходом материалов, меньшим весом и новыми архитектурными качествами. Уже первый опыт эксплуатации таких сооружений позволил обнаружить два основных достоинства пространственных тонкостенных железобетонных покрытий:

− экономичность, являющуюся следствием более полного, по сравнению с плоскостными системами, использования свойств бетона и стали;

− возможность рационального применения железобетона для покрытия больших площадей без промежуточных опор.

Железобетонные оболочки по методу возведения разделяют на монолитные, сборочно-монолитные и сборные. Монолитные оболочки целиком бетонируются на месте строительства на стационарной или передвижной опалубке. Сборно-монолитные оболочки могут состоять из сборных контурных элементов и монолитной скорлупы, бетонируемой на передвижной опалубке, чаще всего подвешиваемой к смонтированным диафрагмам или бортовым элементам. Сборные оболочки собирают из отдельных, заранее изготовленных элементов, которые после установки их на место стыкуются между собой; причем соединения должны обеспечить надежную передачу усилий от одного элемента к другому и работу сборной конструкции как единой пространственной системы.

Сборные оболочки могут быть разделены на следующие элементы: плоские и криволинейные плиты (гладкие или ребристые); диафрагмы и бортовые элементы.

Диафрагмы и бортовые элементы могут быть как железобетонными, так и стальными. Следует отметить, что выбор конструктивных решений оболочек находится в тесной взаимосвязи со способами строительства.

Оболочки двоякой (положительной гауссовой) кривизны , квадратные в плане, образуются из сборных железобетонных ребристых скорлуп и контурных ферм . Геометрическое очертание оболочек двоякой кривизны создает выгодные условия статической работы, так как 80 % площади скорлупы оболочки работает только на сжатие и лишь в угловых зонах имеются растягивающие усилия. Скорлупа оболочки имеет форму многогранника с ромбовидными гранями. Поскольку плиты плоские, квадратные, ромбовидная форма граней достигается замоноличиванием швов между ними. Средние типовые плиты формуют размером 2970×2970 мм, толщиной 25, 30 и 40 мм, с диагональными ребрами высотой 200 мм, а с бортовыми – 80 мм. Контурные и угловые плиты имеют диагональные и бортовые ребра той же высоты, что и средние, а у бортовых ребер, примыкающих к краю оболочки, сделаны утолщения и пазы для выпусков арматуры контурных ферм. Соединение плит между собой осуществляется сваркой выпусков каркасов диагональных ребер и замоноличиванием швов между плитами. В угловых плитах оставлен треугольный вырез, который замоноличивается бетоном.

Контурные элементы оболочки изготавливают в виде цельных ферм или предварительно напряженных раскосных полуферм, стык которых в верхнем поясе выполняется сваркой накладок, а в нижнем – сваркой выпусков стержневой арматуры с последующим их обетонированием. Оболочки целесообразно использовать для покрытия больших площадей без промежуточных опор. Железобетонные оболочки, которым практически можно придать любую форму, способны обогатить архитектурные решения как общественных, так и производственных зданий.

Рис. 20. Геометрические схемы оболочек:

а – разрезка плоскостями, параллельными контуру; б – радиально-кольцевая разрезка; в – разрезка на ромбовидные плоские плиты

На рис. 21 представлены геометрические схемы покрытия зданий с прямоугольной сеткой колонн оболочками из цилиндрических панелей.

В зависимости от типа оболочки, размера ее элементов, а также размеров оболочки в плане монтаж осуществляют различными методами, отличающимися в основном наличием или отсутствием монтажных лесов.

Рис. 21. Варианты образования сборных цилиндрических оболочек:

а – из криволинейных ребристых панелей с бортовыми элементами; б – то же с одним бортовым элементом; в – из плоских ребристых или гладких плит, бортовых балок и диафрагм; г – из криволинейных панелей больших размеров, бортовых балок и диафрагм; д – из арок или ферм и сводчатых или плоских ребристых панелей (короткая оболочка)

Рассмотрим пример возведения двухпролетного здания с покрытием из восьми квадратных в плане оболочек двоякой положительной гауссовой кривизны. Габариты элементов конструкций покрытия представлены на рис. 22, а . Здание имеет два пролета, каждый из которых содержит по четыре ячейки размером 36 × 36 м (рис. 22, б ).

Значительный расход металла на опорные леса при монтаже оболочек двоякой кривизны снижает эффективность применения этих прогрессивных конструкций. Поэтому для возведения таких оболочек размером до 36 × 36 м применяют катучие телескопические кондукторы с сетчатыми кружалами (рис. 22, в ).

Рассматриваемое здание является однородным объектом. Монтаж оболочек покрытия включает следующие процессы: 1) установку (перестановку) кондуктора; 2) монтаж контурных ферм и панелей (установку, укладку, выверку, сварку закладных деталей); 3) замоноличивание оболочки (заливку швов).

Рис. 22. Возведение здания с покрытием из сборных оболочек:

а – конструкция оболочки покрытия; б – схема расчленения здания на участки; в – схема работы кондуктора; г – последовательность монтажа элементов покрытия одного участка; д – последовательность возведения покрытия по участкам здания; I–II – номера пролетов; 1 – контурные фермы оболочки, состоящие из двух полуферм; 2 – плита покрытия размером 3×3 м; 3 – колонны здания; 4 – телескопические башни кондуктора; 5 – сетчатые кружала кондуктора; 6 – шарнирные опоры кондуктора для временного крепления элементов контурных ферм; 7 – 17 – последовательность монтажа контурных ферм и плит покрытия.

Поскольку при монтаже покрытия используют катучий кондуктор, перемещаемый лишь после выдерживания раствора и бетона, то за монтажный участок принимается одна ячейка пролета (рис. 22, б ).

Монтаж панелей оболочки начинают с наружных, опирающихся на кондуктор и контурную ферму, затем монтируют остальные панели оболочки (рис. 22, г , д ).

3.1.3.2. Технология возведения зданий с купольными покрытиями

В зависимости от конструктивного решения монтаж куполов выполняют с использованием временной опоры, навесным способом или в целом виде.

Сферические купола возводят кольцевыми ярусами из сборных железобетонных панелей навесным способом. Каждый из кольцевых ярусов после полной сборки обладает статической устойчивостью и несущей способностью и служит основанием для вышележащего яруса. Таким способом монтируют сборные железобетонные купола крытых рынков.

Панели поднимают башенным краном, установленным в центре здания. Временное крепление панелей каждого яруса осуществляют при помощи инвентарного приспособления (рис. 23, б ) в виде стойки с оттяжками и стяжной муфтой. Число таких приспособлений зависит от числа панелей в кольце каждого яруса.

Работы производят с инвентарных подмостей (рис. 23, в ), устраиваемых снаружи купола и перемещаемых по ходу монтажа. Смежные панели соединяют между собой болтами. Швы между панелями заделывают цементным раствором, который сначала укладывают по краям шва, а затем растворонасосом нагнетают в его внутреннюю полость. По верхней кромке панелей собираемого кольца устраивают железобетонный пояс. После того как раствор швов и бетон пояса приобретут требуемую прочность, стойки с оттяжками снимают, а цикл монтажа повторяют на следующем ярусе.

Сборные купола навесным способом монтируют также последовательной сборкой кольцевых поясов при помощи передвижной металлической фермы-шаблона и стоек с подвесками для удерживания сборных плит (рис. 23, г ). Этот способ применяют при монтаже сборных железобетонных куполов цирков.

Для монтажа купола в центре здания устанавливают башенный кран. На башню крана и кольцевой рельсовый путь, расположенный по железобетонному карнизу здания, устанавливают передвижную ферму-шаблон. Башню крана для обеспечения большей жесткости расчаливают четырьмя расчалками. При недостаточном вылете стрелы и грузоподъемности одного крана на кольцевом пути возле здания устанавливают второй кран.

Сборные панели купола монтируют в следующем порядке. Каждую панель в наклонном положении, соответствующем ее проектному положению в покрытии, поднимают башенным краном и устанавливают нижними углами на наклонно приваренные накладки узла, а верхними - на установочные винты фермы-шаблона.

Рис. 23. Возведение зданий с купольными покрытиями:

а – конструкция купола; б – схема временного крепления панелей купола; в – схема крепления подмостей для возведения купола; г – схема монтажа купола при помощи передвижной фермы-шаблона; 1 – нижнее опорное кольцо; 2 – панели; 3 – верхнее опорное кольцо; 4 – стойка инвентарного приспособления; 5 – оттяжка; 6 – стяжная муфта; 7 – монтируемая панель; 8 – смонтированные панели; 9 – подкос с отверстиями для изменения уклона кронштейна подмостей; 10 – стойка для перил; 11 – ригель кронштейна; 12 – проушина для крепления кронштейна к панели; 13 – монтажные стойки; 14 – расчалки стоек; 15 – подвески для удержания плит; 16 – ферма-шаблон; 17 – расчалки крана; 18 – панелевоз

Далее производят выверку верхних кромок закладных деталей верхних углов панели, после чего стропы снимают, панель крепят подвесками к монтажным стойкам и подвески натягивают при помощи стяжных муфт. Затем установочные винты фермы-шаблона опускают на 100 – 150 мм и передвигают ферму-шаблон в новое положение для монтажа смежной панели. После монтажа всех панелей пояса и сварки узлов стыки замоноличивают бетоном.

Следующий пояс купола монтируют после приобретения бетоном стыков нижележащего пояса требуемой прочности. По окончании монтажа верхнего пояса снимают подвески с панелей нижележащего пояса.

В строительстве применяют также метод подъема в целом виде забетонированных на земле покрытий диаметром 62 м при помощи системы домкратов, установленных на колоннах.

3.1.3.3. Технология возведения зданий с вантовыми покрытиями

Наиболее ответственным процессом при возведении таких зданий является устройство покрытия. Состав и последовательность выполнения монтажа вантовых покрытий зависит от их конструктивной схемы. Ведущим и наиболее сложным процессом при этом является монтаж вантовой сети.

Конструкция висячего покрытия с системой вантов состоит из монолитного железобетонного опорного контура; закрепленной на опорном контуре вантовой сети; сборных железобетонных плит, уложенных на вантовой сети.

После проектного натяжения вантовой сети и замоноличивания швов между плитами и вантами оболочка работает как единая монолитная конструкция.

Вантовая сеть состоит из системы продольных и поперечных вант, расположенных по главным направлениям поверхности оболочки под прямым углом друг к другу. В опорном контуре ванты закрепляют при помощи анкеров, состоящих из гильз и клиньев, с помощью которых обжимают концы каждого ванта.

Вантовую сеть оболочки монтируют в следующей последовательности. Каждую ванту с помощью крана устанавливают на место в два приема. Сначала с помощью крана один ее конец, снятый с барабана траверсой, подают к месту установки. Анкер ванты протягивают сквозь закладную деталь в опорном контуре, потом закрепляют и раскатывают оставшуюся на барабане часть ванты. После этого двумя кранами поднимают ванту до отметки опорного контура, одновременно подтягивая лебедкой второй анкер к опорному контуру (рис. 24, а ). Анкер протягивают через закладную деталь в опорном контуре и закрепляют гайкой с шайбой. Ванты поднимают вместе со специальными подвесками и контрольными грузами для последующей геодезической выверки.

Рис. 24. Возведение здания с вантовым покрытием:

а – схема подъема рабочей ванты; б – схема взаимоперпендикулярного симметричного натяжения вант; в – схема выверки продольных вант; г – детали окончательного крепления вант; 1 – электролебедка; 2 – оттяжка; 3 – монолитный железобетонный опорный контур; 4 – поднимаемая ванта; 5 – траверса; 6 – нивелир

По окончании монтажа продольных вант и предварительного натяжения их на усилие 29,420 – 49,033 кН (3 – 5 тс) выполняют геодезическую поверку их положения путем определения координат точек вантовой сети. Заранее составляют таблицы, в которых для каждой ванты указывают расстояние точек крепления контрольных грузов на гильзе анкера от начала отсчета. В этих точках на проволоке подвешивают контрольные грузы массой 500 кг. Длины подвесок различны и подсчитаны заранее.

При правильном провисании рабочих вант контрольные грузы (риски на них) должны находиться на одной отметке.

После выверки положения продольных вант устанавливают поперечные. Места их пересечения с рабочими вантами закрепляют постоянными сжимами. Одновременно с этим устанавливают временные оттяжки, закрепляющие положение мест пересечения вант. Затем повторно проверяют соответствие проекту поверхности вантовой сети. После этого вантовую сеть натягивают в три этапа при помощи 100-тонных гидравлических домкратов и траверс, присоединенных к гильзоклиновым анкерам.

Последовательность натяжения определяют из условий натяжения вант группами, одновременного натяжения групп в перпендикулярном направлении, симметричности натяжения групп относительно оси здания.

По окончании второго этапа натяжения, т.е. при достижении усилий, определенных проектом, на вантовую сеть укладывают сборные железобетонные плиты в направлении от нижней отметки к верхней. При этом на плитах до их подъема устанавливают опалубку для замоноличивания швов.

3.1.3.4. Технология возведения зданий с мембранными покрытиями

К металлическим висячим покрытиям относят тонколистовые мембранные, совмещающие несущие и ограждающие функции.

Достоинствами мембранных покрытий являются их высокая технологичность изготовления и монтажа, а также характер работы покрытия на двухосное растяжение, что позволяет перекрывать 200-метровые пролеты стальной мембраной толщиной всего 2 мм.

Висячие растянутые элементы обычно закрепляют за жесткие опорные конструкции, которые могут быть в виде замкнутого контура (кольца, овала, прямоугольника), опирающегося на колонны.

Рассмотрим технологию монтажа мембранного покрытия на примере покрытия спорткомплекса “Олимпийский” в Москве.

Спортивный комплекс "Олимпийский" решен в виде пространственной конструкции эллиптической формы 183×224 м. По наружному контуру эллипса с шагом 20 м расположены 32 стальные решетчатые колонны, жестко связанные с наружным опорным кольцом (сечением 5×1,75 м). К наружному кольцу подвешено мембранное покрытие – оболочка со стрелой провисания 12 м. Покрытие имеет 64 радиально расположенные с шагом по наружному контуру 10 м стабилизирующие фермы высотой 2,5 м, соединенные кольцевыми элементами – прогонами. Лепестки мембраны крепили между собой и к радиальным элементам "постели" высокопрочными болтами. В центре мембрана замыкается внутренним металлическим кольцом эллиптической формы размером 24×30 м. Мембранное покрытие крепилось к наружному и внутреннему кольцам высокопрочными болтами и сваркой.

Монтаж элементов мембранного покрытия производили крупными пространственными блоками башенным краном БК – 1000 и двумя шеврами-установщиками (грузоподъемностью 50 т), перемещавшимися по наружному опорному кольцу. По длинной оси на двух стендах производилась сборка одновременно двух блоков.

Все 64 стабилизирующие фермы покрытия были объёдинены попарно в 32 блока девяти типоразмеров. Один такой блок состоял из двух радиальных стабилизирующих ферм, прогонов по верхним и нижним поясам, вертикальных и горизонтальных связей. В блок были вмонтированы трубопроводы систем вентиляции и кондиционирования. Масса блоков стабилизирующих ферм в сборе достигала 43 т.

Поднимали блоки покрытия с помощью траверсы-распорки, которая воспринимала усилие распора от стабилизирующих ферм (рис. 25).

Перед подъемом блоков ферм выполняли предварительное напряжение верхнего пояса каждой фермы на усилие около 1300 кН (210 МПа) и закрепляли их при этом усилии к опорным кольцам покрытия.

Установка преднапряженных блоков производилась поэтапно путем симметричной установки нескольких блоков по радиусам одного диаметра. После монтажа восьми симметрично установленных блоков вместе с траверсами-распорками производилось одновременное их раскружаливание с передачей усилий распора равномерно наружному и внутреннему кольцам.

Блок стабилизирующих ферм поднимали краном БК – 1000 и шевром-установщиком примерно на 1 м выше наружного кольца. Затем шевр перемещали к месту установки данного блока. Расстроповку блока производили только после его полного проектного закрепления на внутреннем и наружном кольцах.

Мембранная оболочка массой 1569 т состояла из 64 секторных лепестков. Лепестки мембраны монтировали после окончания монтажа системы стабилизации и закрепляли высокопрочными болтами диаметром 24 мм.

Полотнища мембраны поступали на монтажную площадку в виде рулонов. Стеллажи для раскатывания располагались на месте сборки стабилизирующих ферм.

Рис. 25. Схема монтажа покрытия укрупненными блоками:

а – план; б – разрез; 1 – шевр-установщик; 2 – стенд для укрупнительной сборки блоков; 3 – траверса-распорка для подъема блока и предварительного напряжения верхних поясов ферм с помощью рычажного устройства (5); 4 – укрупненный блок; 6 – монтажный кран БК – 1000; 7 – центральное опорное кольцо; 8 – центральная временная опора; I – V – последовательность монтажа блоков и демонтажа траверс-распорок

Монтаж лепестков выполняли в последовательности установки стабилизирующих ферм. Натяжение лепестков мембраны осуществляли двумя гидравлическими домкратами усилием по 250 кН каждый.

Параллельно с укладкой и натяжением лепестков мембраны вели сверление отверстий и установку высокопрочных болтов (97 тыс. отверстий диаметром 27 мм). После сборки и проектного закрепления всех элементов покрытия производилось его раскружаливание, т.е. освобождение центральной опоры и плавное включение в работу всей пространственной конструкции.

По функциональному назначению большепролётные здания можно разделить на:

1) здания общественного назначения (театры, выставочные павильоны, кинотеатры, концертные и спортивные залы, крытые стадионы, рынки, вокзалы);

2) здания специального назначения (ангары, гаражи);

3) промышленные здания (авиационных, судостроительных и машиностроительных заводов, лабораторные корпуса различных производств).

Несущие конструкции по конструктивной схеме подразделяются на:

Блочные,

Арочные,

Структурные,

Купольные,

Висячие,

Сетчатые оболочки.

Выбор той или иной схемы несущих конструкций здания зависит от целого ряда факторов: пролёта здания, архитектурно-планировочного решения и формы здания, наличия и типа подвесного транспорта, требований к жёсткости покрытия, типа кровли, аэрации и освещения, основания под фундаменты и т.д.

Сооружения с большими пролётами являются объектами индивидуального строительства, их архитектурные и конструктивные решения весьма индивидуальны, что ограничивает возможности типизации и унификации их конструкций.

Конструкции таких зданий работают в основном на нагрузки от собственного веса конструкций и атмосферных воздействий.

1.1 Балочные конструкции

Балочные большепролётные конструкции покрытий состоят из главных несущих поперечных конструкций в виде плоских или пространственных ферм (пролёт ферм от 40 до 100 м) и промежуточных конструкций в виде связей, прогонов и кровельного настила.

По очертанию фермы бывают : с параллельными поясами, трапециевидные, полигональные, треугольные, сегментные (см. схемы на рис. 1).

Высота ферм hф=1/8 ÷ 1/14L; уклон i=1/ 2 ÷ 1/15.

Треугольные фермы hф= 1/12 ÷ 1/20L; уклон поясов i=1/5 ÷ 1/7.

Рис.1 - Схемы строительных ферм

Поперечные сечения ферм:

При L > 36м одну из опор балочной фермы устанавливают подвижной.

Компоновка покрытия - вертикальные и горизонтальные связи по покрытию решаются аналогично промышленным зданиям со стропильными фермами.

А) нормальная компоновка

стена

б) усложнённая компоновка - с подстропильными фермами:

ПФ

Балочные схемы покрытий применяются:

При любых видах подопорных конструкций - кирпичные или бетонные стены, колонны (металлические или железобетонные);

Когда подопорные конструкции не могут воспринимать распорных усилий;

При строительстве зданий на просадочных или карстовых грунтах и подрабатываемых территориях.

Следует отметить, что балочные схемы покрытий тяжелее рамных и арочных, но просты в изготовлении и монтаже.

Расчёт ферм выполняют методами строительной механики (аналогично расчёту стропильных ферм промышленных зданий).

1.2 Рамные конструкции

Рамные конструкции для покрытий зданий применяют при пролёте

L=40 - 150м, при пролёте L > 150м они становятся неэкономичными.

Преимущества рамных конструкций по сравнению с балочными - это меньший вес, большая жёсткость и меньшая высота ригелей.

Недостатки - большая ширина колонн, чувствительность к неравномерным осадкам опор и изменениям T о.

Рамные конструкции эффективны при погонных жесткостях колонн, близких к погонным жесткостям ригелей, что позволяет перераспределить усилия от вертикальных нагрузок и значительно облегчить ригели.

При перекрытии больших пролётов применяют, как правило, двухшарнирные и бесшарнирные рамы самых разнообразных очертаний (см. рис.2).

Рис. 2 - Схемы сквозных рам

Бесшарнирные рамы более жёсткие и экономичные по расходу материала, однако, они требуют устройства мощных фундаментов, чувствительны к изменению Т о.

При больших пролётах и нагрузках ригели рам конструируют как тяжёлые фермы, при сравнительно малых пролётах (40-50м) они имеют такие же сечения и узлы, как лёгкие фермы.

Поперечные сечения рам аналогичны балочным фермам.

Компоновка каркаса и покрытия из рамных конструкций аналогична решению каркасов промышленных зданий и балочных покрытий.

Статический расчёт рамных конструкций выполняют методами строительной механики и по специально разработанным программам на ЭВМ.

Тяжелые сквозные рамы рассчитывают как решёточные системы с учётом деформации всех стержней решётки.

1.3 Арочные конструкции

Арочные конструкции покрытий большепролётных зданий оказываются более выгодными по затрате материала, чем балочные и рамные системы. Однако в них возникает значительный распор, который передаётся через фундаменты на грунт или устраивается затяжка для его восприятия (т.е. погашение распора внутри системы).

Схемы и очертания арок весьма разнообразны: двухшарнирные, трёхшарнирные, бесшарнирные (см. рис. 3).

Наиболее выгодная высота арок: f=1/4 ÷ 1/6 пролёта L.

Высота сечения арок:

Сплошностенчатых 1/50 ÷ 1/80 L,

Решёточных 1/30 ÷ 1/60 L.

Рис.4 - Схемы опорных шарниров арок и рам (а - плиточный,

б - пятниковый, в - балансирный:

1 - плита, 2 - цапфа, 3 -балансир).

Рис. 5 - Ключевые шарниры и арок

(а -плиточный; б -балансирный; в -листовой; г -болтовой)

После определения M, N, Q сечения стержней арки подбирают также, как сечения стерней ферм:

1.4 Пространственные конструкции покрытий большепролётных зданий

В балочных, рамных и арочных системах покрытий, состоящих из отдельных несущих элементов, нагрузка передаётся только в одном направлении - вдоль несущего элемента. В этих системах покрытий несущие элементы соединены между собой лёгкими связями, которые не предназначены для перераспределения нагрузок между несущими элементами, а только обеспечивают их пространственную устойчивость, т.е. с их помощью обеспечивается жёсткий диск покрытия.

В пространственных системах связи усиливают и привлекают к распределению нагрузок и передаче их на опоры. Приложенная к пространственной конструкции нагрузка передаётся в двух направлениях. Такая конструкция получается обычно легче плоской.

Пространственные конструкции могут быть плоскими (плиты) и криволинейными (оболочки).

Плоские пространственные системы (исключая висячие) для обеспечения необходимой жёсткости должны быть двухпоясными - по поверхности образующие сетчатую систему. Двухпоясные конструкции имеют две параллельные сетчатые поверхности, соединённые между собой жёсткими связями.

Однослойные конструкции, имеющие криволинейную систему поверхности, называются односетчатыми.

В таких конструкциях принцип концентрации материала заменён принципом многосвязности системы. Изготовление и монтаж таких конструкций очень трудоёмок, требует специальных приёмов изготовления и монтажа, что является одной из причин их ограниченного применения.

1.5 Пространственные сетчатые системы плоских покрытий

В строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, так называемые структурные конструкции или просто структуры , которые применяются в виде плоских покрытий большепролётных общественных и производственных зданий.

Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрёстных ферм (см. рис.6):

1) Структуры, образованные из перекрёстных ферм, идущих в трёх направлениях. Поэтому они являются наиболее жёсткими, однако более сложными в изготовлении. Это структуры с поясными сетками из разносторонних треугольников.

2) Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях. Это структуры с поясными сетками из квадратных ячеек.

3) Структуры, образованные из ферм, также идущих в двух направлениях, но усиленных диагоналями в угловых зонах. Поэтому они более жёсткие.

Достоинства структур:

Большая пространственная жёсткость: можно перекрывать большие пролёты при различных опорных контурах или сетках колонн; получать выразительные архитектурные решения при высоте структуры.

Hструктур=1/12 - 1/20 L

Повторяемость стержней - из стандартных и однотипных стержней можно монтировать покрытия разных пролётов и конфигураций в плане (прямоугольные, квадратные, треугольные и криволинейные).

Позволяет крепить подвесной транспорт и изменять при необходимости направление его движения.

Системы покрытий из структур могут быть как одно-, так и многопролётными с опиранием как на стены, так и на колонны.

Устройством консольных свесов за линией опор уменьшают расчётный пролётный изгибающий момент и существенно облегчают конструкцию покрытия.

Рис. 6 - Схемы решёток структурных покрытий (а - с поясными сетками из равносторонних треугольных ячеек; б - с поясными сетками из квадратных ячеек; в - то же, усиленных диагоналями в условных зонах: 1 - верхние пояса,

2 - нижние пояса, 3 - наклонные раскосы, 4 - верхние диагонали, 5 -нижние диагонали, 6 - опорный контур).

Недостатки структур - повышенная трудоёмкость изготовления и монтажа. Пространственные узлы сопряжений стержней (см. рис. 7) - самые сложные элементы в структурах:

Шаровая вставка (а);

На винтах (б);

Цилиндрический сердечник с прорезями, стянутый одним болтом с шайбами (в, г);

Сварной узел сплюснутых концов стержней (д).

Рис. 7 - Узлы сопряжений стержней структур

Структурные конструкции представляют собой многократно статически неопределённые системы. Точный расчёт их сложен и выполняется на ЭВМ.

При упрощённом подходе структуры рассчитывают способами строительной механики - как изотропные плиты или как системы перекрёстных ферм без учёта крутящих моментов.

Величины моментов и поперечных сил определяют по таблицам для расчёта плит: Mплиты; Qплиты - далее переходят к расчёту стержней.

1.6 Оболочные покрытия

Для покрытий зданий применяют односетчатые, двухсетчатые цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны.

Цилиндрические оболочки (см. рис. 8) выполняют в виде сводов с опиранием:

а) прямолинейным образующим контура

б) на торцовые диафрагмы

в) на торцовые диафрагмы с промежуточными опорами

Рис.8 - Схемы опирания цилиндрических оболочек (1 - оболочка;

2 - торцовая диафрагма; 3 - связи; 4 - колонны).

Односетчатые оболочки применяют при пролётах В не более 30м.

Двухсетчатые - при больших пролётах В>30м.

По цилиндрической поверхности расположены стержни, образующие сетки различной системы (см. рис. 9):

Ромбическая сетка (а);

Ромбическая сетка с продольными рёбрами (б);

Ромбическая сетка с поперечными рёбрами (в);

Ромбическая сетка с поперечными и продольными рёбрами (г).

Наиболее простая сетка ромбического рисунка, которую получают из лёгких стандартных стержней (∟, ○, □) прокатных профилей. Однако такая схема не обеспечивает необходимой жёсткости в продольном направлении при передаче нагрузки на продольные стены.

Рис. 9 - Система сеток односетчатых оболочек

Жёсткость конструкции значительно увеличивается при наличии продольных стержней (схема "б") - конструкция может работать как оболочка пролётом L. В этом случае опорой могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовыми диафрагмами.

Наиболее жёсткими и выгодными являются сетки (схема "в"), у которых есть и продольные и поперечные рёбра (стержни), а решётка сетки направлена под углом 45 .

Расчёт оболочек выполняют методами теории упругости и методами теории оболочек. Оболочки без поперечных рёбер рассчитывают как безмоментные складки (способ Эллерса). При наличии поперечных рёбер , обеспечивающих жёсткость контура, - по моментной теории Власова (она сводится к решению восьмичленных уравнений).

При расчёте сквозных сетчатых оболочек, сквозные грани конструкций заменяются сплошными пластинами эквивалентной толщины при работе на сдвиг, осевое растяжение и сжатие.

Более точный расчёт сетчатых оболочек выполняют на ЭВМ по специально разработанным программам.

Двухсетчатые оболочки применяют при перекрытии пролётов шириной более B>30м.

Конструктивные схемы их аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит - структур. Как и в структурах, они образуются системами перекрёстных ферм, связанных по верхним и нижним поясам специальными связями - решёткой. Но при этом в оболочках основная роль в восприятии усилий принадлежит криволинейным сетчатым плоскостям, соединяющая их решётка меньше участвует в передаче усилий, но придаёт конструкции большую жёсткость.

По сравнению с односетчатыми двухсетчатые оболочки обладают большей жёсткостью и несущей способностью. Ими можно перекрывать пролёты зданий от 30 до 700м.

Проектируют их в виде цилиндрической поверхности, опирающиеся на продольные стены или на металлические колонны. По торцам оболочки опираются на жёсткие диафрагмы (стены, фермы, арки с затяжкой и т.д.).

Наилучшее распределение усилий в оболочке при B=L.

Расстояние между сетчатыми поверхностями h=1/20÷1/100R при f/B=1/6÷1/10.

Как и в структурах, наиболее сложным является узел сопряжения стержней.

Расчёт двухсетчатых оболочек производят на ЭВМ по специально составленным программам.

Для приближённого расчёта оболочки необходимо стержневую систему привести к эквивалентной сплошной оболочке и установить модуль сдвига среднего слоя, эквивалентного по жёсткости соединительной решётке.

1.7 Купольные покрытия

Конструкции куполов бывают четырёх видов (см. рис.6): ребристые (а), ребристо-кольцевые (б), сетчатые (в), радиально-балочные (г).

Рис. 10 - Схемы куполов

Ребристые купола

Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных рёбер в виде балок, ферм или полуарок, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами.

Верхние пояса рёбер образуют поверхность купола (обычно сферическую). По прогонам устраивают кровлю.

В вершине для перестыковки рёбер устраивают жёсткое кольцо, работающее на сжатие. Рёбра к центральному кольцу могут крепиться шарнирно или иметь жёсткое закрепление. Пара рёбер купола, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных центральным кольцом, рассматривается как единая, например арочная, конструкция (двухшарнирная, трёхшарнирная или бесшарнирная).

Ребристые купола являются распорными системами. Распор воспринимается стенами или специальным распорным кольцом в форме окружности или многогранника с жёсткими или шарнирными сопряжениями в углах.

Между рёбрами с определённым шагом укладывают кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Погоны, помимо своего основного назначения, обеспечивают общую устойчивость верхнего пояса ребер из плоскости, уменьшая их расчётную длину.

Для обеспечения общей жёсткости купола в плоскости прогонов устраиваются с определённым шагом скатные связи между рёбрами, а также вертикальные связи для развязки внутреннего пояса арки - между вертикальными связями устраивают распорки.

Расчётные нагрузки - собственный вес конструкции, вес оборудования и атмосферные воздействия.

Расчётными элементами купольного покрытия являются: рёбра, опорное и центральное кольцо, прогоны, скатные и вертикальные связи.

Если распор купола воспринимают распорным кольцом, то при расчёте арки кольцо может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары полуарок (образующих плоскую арку).

При расчёте опорного кольца - при частом расположении арок (рёбер) купола действия их распоров можно заменить эквивалентной равномерно распределённой нагрузкой:

Ребристо-кольцевые купола

В них погоны с рёбрами составляют одну жёсткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб от нагрузки на покрытие, но и от реакций промежуточных рёбер и воспринимают растягивающие или сжимающие кольцевые усилия, возникающие от распоров в месте опирания многопролётных полуарок.

Вес рёбер (арок) в таком куполе уменьшается благодаря включению в работу кольцевых прогонов, как промежуточных опорных колец. Кольцевые рёбра в таком куполе работают так же, как и опорное кольцо в ребристом куполе, и при расчёте арок могут быть заменены условными затяжками.

При симметричной нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых рёбер (прогонов).

Сетчатые купола

Если в ребристом или ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением стержней в узлах.

В сетчатых куполах между рёбрами (арками) и кольцами (кольцевыми прогонами) располагают раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола. Стержни в этом случае работают в основном только на осевые силы, что уменьшает вес рёбер (арок) и колец.

Стержни сетчатых куполов выполняют из замкнутых профилей (круглого, квадратного или прямоугольного сечения). Узлы соединений стержней как и в структурах или сетчатых оболочках.

Расчёт сетчатых куполов производят на ЭВМ по специально разработанным программам.

Приблизительно их рассчитывают по безмоментной теории оболочек - как сплошную осесимметричную оболочку по формулам из соответствующих расчётно-теоретических справочников.

Радиально-балочные купола

Представляют собой ребристые купола, составленные из сегментных полу-ферм, расположенных радиально. В центре сегментные полуфермы присоединяются к жёсткому кольцу (решётчатому или сплошностенчатому с диафрагмами жёсткости).

1.8 Висячие покрытия

Висячими называются покрытия, в которых основные несущие элементы работают на растяжение.

В этих элементах наиболее полно используются высокопрочные стали, поскольку их несущая способность определяется прочностью, а не устойчивостью.

Несущие растянутые стержни - ванты - могут выполняться гибкими или жёсткими.

Жёсткие - выполняют из выгнутых двутавровых балок.

Гибкие - выполняют из стальных канатов (тросов) свитых из высокопрочной проволоки с R= 120 кН/см2 ÷ 240 кН/см2.

Висячие конструкции покрытий являются одной из наиболее перспективных конструктивных форм для применения высокопрочных материалов. Конструктивные элементы висячих покрытий легко транспортировать, относительно легко монтировать. Однако сооружение висячих покрытий имеет ряд трудностей, от удачного инженерного решения которых зависит эффективность покрытия в целом:

Первый недостаток - висячие покрытия - системы распорные и для восприятия распора необходима опорная конструкция, стоимость которой может составлять значительную часть стоимости всего покрытия. Уменьшения стоимости опорных конструкций можно достичь за счёт повышения эффективности их работы - созданием покрытий круглой, овальной и других не прямолинейных форм плана;

второй недостаток - повышенная деформативность висячих систем. Это вызвано тем, что модуль упругости витых тросов меньше чем у прокатной стали (Етроса=1,5 ÷ 1,8×10 5 МПа; Е прокатных стержней = 2,06×10 5 Мпа), а область упругой работы высокопрочной стали значительно больше, чем у обычной стали. Таким образом, относительная деформация троса в упругой стадии работы ε=G/Е получается в несколько раз больше чем у элементов из обычной стали.

Большинство висячих систем покрытия являются системами мгновенной жёсткости, т.е. системами, которые работают упруго лишь на равновесные нагрузки, а при действии неравномерных нагрузок в них, помимо упругих деформаций, появляются ещё и кинематические перемещения системы, ведущие к изменению целостности геометрической системы покрытия.

Для уменьшения кинематических перемещений висячие системы покрытий часто снабжают специальными стабилизирующими устройствами и предварительно напрягают.

Типы схем висячих покрытий

1. Однопоясные системы с гибкими вантами

Такие системы покрытий в плане проектируют прямоугольными или изогнутыми, например, круглыми (см. рис.11).

Они представляют собой предварительно напряжённые железобетонные оболочки, работающие на растяжение. Напряжённой арматурой в них является система из гибких вант, на которые во время монтажа укладывают сборные железобетонные плиты. В это время на ванты даётся дополнительный пригруз, который после укладки всех железобетонных плит и замоноличивания швов снимают. Ванты обжимают железобетонные плиты и образовавшаяся железобетонная оболочка получает предварительное напряжение сжатия, позволяющее ей воспринимать растягивающее напряжение от внешних нагрузок и обеспечивает общую устойчивость конструкции. Несущая способность покрытия обеспечивается растяжением вант.

В покрытиях прямоугольного плана распор вант воспринимает опорная конструкция из оттяжек и анкеров, закреплённых в грунте.

Рис. 11 - Однопоясные покрытия с гибкими вантами

(а - прямоугольные в плане; б - круглые в плане)

В покрытиях круглого (овального) плана распор передаётся на наружное сжатое кольцо, лежащее на колоннах и внутреннее (растянутое) металлическое кольцо.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет f=1/10÷1/20 L. Такие оболочки являются пологими.

Сечение вант покрытия определяют по монтажной нагрузке. В этом случае ванты работают как отдельные нити, и распор в них можно определять без учёта их деформаций H=M/f , где M - балочный момент от расчётной нагрузки, f - стрела провисания нити.

где V - балочная реакция.

2. Однопоясные системы с жёсткими вантами

Рис. 12 - 1 - продольные изгибно-жёсткие рёбра; 2 - поперечные рёбра;

3 - мембрана алюминиевая, t = 1,5 мм

В таких покрытиях гнутые жёсткие ванты, прикреплённые к опорному поясу, работают под действием нагрузки на растяжение с изгибом. Причём при действии равномерной нагрузки доля изгиба в напряжениях невелика. При действии неравномерной нагрузки жёсткие ванты начинают сильно сопротивляться местному изгибу, чем значительно уменьшают деформативность всего покрытия.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет 1/20 ÷ 1/30 L. Однако, использование жёстких нитей возможно лишь при небольших пролётах, т.к. с увеличением пролёта значительно усложняется монтаж и увеличивается их масса. По таким жёстким вантам можно укладывать лёгкую кровлю, отсутствует необходимость в предварительном напряжении (его роль выполняет изгибная жёсткость ванты).

При равномерной нагрузке распор в ванте определяют по формуле

H = 8/3 ×[(EA)/(l 2 mо)] × (f+fо) × ∆f +Hо;

где ∆f=f–fо,

f - прогиб под нагрузкой,

fо – начальный провес;

m1=1+(16/3)/(fо/l) 2

Изгибный момент в середине ванты находят по формуле

M= q I 2 /8–Hf .

3. Однопоясные висячие покрытия, напрягаемые с помощью поперечных балок или ферм

Рис. 13

Стабилизация таких канатно-балочных систем достигается либо увеличенной массой поперечных и жёстких на изгиб элементов, либо предварительным напряжением оттяжек, которые соединяют поперечные балки или фермы с фундаментами или опорами. Таким способом напрягаются покрытия с лёгким кровельным настилом.

Благодаря изгибной жёсткости поперечных балок или ферм покрытие приобретает пространственную жёсткость, которая особенно проявляется при загружении пролётной конструкции местной нагрузкой.

4. Двухпоясные системы

Рис. 14

В покрытиях такого типа имеется две системы вант :

- Несущие - имеющие изгиб вниз;

- Стабилизирующие - имеющие изгиб вверх.

Это делает такую систему мгновенно жёсткой - способной воспринимать нагрузки, действующие в двух различных направлениях. Вертикальная нагрузка вызывает у несущей нити растяжение , а у стабилизирующей - сжатие . Отсос ветра вызывает в вантах усилия обратного знака.

В покрытиях данного типа можно применять лёгкие кровли.

5. Седловидные напряжённые сетки

Рис. 15

Покрытия такого типа применяются для капитальных зданий и временных сооружений.

Сетка покрытия: несущие (продольные) тросы изогнуты вниз, стабилизирующие (поперечные) тросы изогнуты вверх.

Такая форма покрытия позволяет предварительно напрягать сетку. Поверхность покрытия лёгкая из различных материалов: от стального листа до плёнки и тента.

Шаг сеток приблизительно один метр. Точный расчёт сеток таких покрытий возможен только на ЭВМ.

6. Металлические оболочки-мембраны

Рис. 16

По форме в плане это эллипс или круг, а форма оболочек довольно разнообразная: цилиндрическая, коническая, чашеобразная, седловидная и шатровая. Большинство из них работает по пространственной схеме, делает её весьма выгодной и позволяет применять листы толщиной 2 - 5мм.

Расчёт таких систем производят на ЭВМ.

Главное преимущество таких систем покрытий - это совмещение несущих и ограждающих функций.

Утеплитель и гидроизоляцию укладывают на несущую оболочку, не применяя кровельных плит.

Полотнища оболочки выпускают на заводе-изготовителе и доставляют на монтаж в виде рулонов, из которых на площадке строительства собирают всю оболочку без применения лесов.

Раздел 2. Листовые конструкции

Листовыми называют конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения, транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов.

К этим конструкциям относятся:

Резервуары для хранения нефтепродуктов, воды и других жидкостей.

Газгольдеры для хранения и распределения газов.

Бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов.

Трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельчённых или разжиженных твёрдых веществ.

Специальные конструкции металлургической, химической и др. отраслей промышленности:

Кожухи доменных печей

Воздухонагреватели

Пылеуловители - скрубера, корпуса электрофильтров и рукавных фильтров

Дымовые трубы

Сплошностенчатые башни

Градирни и т.д.

Такие листовые конструкции занимают 30% от всех металлических конструкций.

Условия работы листовых конструкций достаточно разнообразны:

Они могут быть надземными, наземными, полузаглублёнными, подземными, подводными;

Могут воспринимать статические и динамические нагрузки;

Работать под низким, средним и высоким давлением;

Под воздействием низких и высоких температур, нейтральных и агрессивных сред.

Для них характерно двухосновное напряжённое состояние, а в местах сопряжения с днищем и рёбрами жёсткости, в местах сопряжения оболочек различной кривизны (т.е. на границе изменения радиуса кривизны) возникают местные высокие напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков это - так называемое явление краевого эффекта.

Листовые конструкции всегда совмещают несущую и ограждающую функции.

Сварные соединения элементов листовых конструкций выполняют встык, внахлёстку и впритык. Соединения выполняют автоматической и полуавтоматической дуговой сваркой.

Большинство листовых конструкций являются тонкостенными оболочками вращения.

Рассчитывают оболочки методами теории упругости и теории оболочек.

Листовые конструкции рассчитывают на прочность, устойчивость и выносливость.

1.1 Резервуары

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы они делятся на цилиндрические (вертикальные и горизонтальные), сферические и каплевидные.

По расположению относительно планировочного уровня земли различают: надземные (на опорах), наземные, полузаглублённые, подземные и подводные.

Они могут быть постоянного и переменного объёмов.

Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.

Наибольшее распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары как самые простые при изготовлении и монтаже.

Вертикальные резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления, в которых хранят нефтепродукты при малой их оборачиваемости (10 - 12 раз в год). В них образуется избыточное давление в паро-воздушной зоне до 2кПа, а при опорожнении вакуум (до 0,25кПа).

Вертикальные резервуары с плавающей крышей и понтоном применяют при хранении нефтепродуктов при большой оборачиваемости. В них практически отсутствует избыточное давление и вакуум.

Резервуары повышенного давления (до 30кПа) используют для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10 - 12 раз в год.

Шаровидные резервуары - для хранения больших объёмов сжиженных газов.

Каплевидные резервуары - для хранения бензина с высокой упругостью паров.

Вертикальные резервуары

Рис. 17

Основные элементы:

Стенка (корпус);

Крыша (покрытия).

Все элементы конструкций изготавливают из листовой стали. Они просты в изготовлении и монтаже, достаточно экономичны по расходу стали.

Установлены оптимальные размеры вертикального цилиндрического резервуара постоянного объёма, при которых расход металла будет наименьшим. Так, резервуар со стенкой постоянной толщины имеет минимальную массу, если

[(mдн + mпок) / mст] = 2, а значение оптимальной высоты резервуара определяется по формуле

где V - объём резервуара,

∆= t дн.+t прив. покр. - сумма приведённой толщины днища и покрытия,

tст. - толщина стенки корпуса.

В резервуарах больших объёмов толщина стенки переменна по высоте. Масса такого резервуара получится минимальной, если суммарная масса днища и покрытия равна массе стенки, т.е. mдн.+mпокр.= mст.

В этом случае

где ∆= tдн. + tприв. покр.,

n - коэффициент перегрузки,

γ ж. - удельный вес жидкости.

Днище резервуара

Так как днище резервуара опирается по всей своей площади на песчаное основание, то от давления жидкости оно испытывает незначительные напряжения. Поэтому толщину листа днища не рассчитывают, а принимают конструктивно с учётом удобств монтажа и сопротивляемости коррозии.

При V≤1000м и Д<15м → tдн = 4мм; при V>1000м и Д=18-25м → tдн = 5мм; при Д > 25м → tдн = 6мм. Рис. 18

Листы полотнищ днища соединяют между собой по продольным кромкам внахлёстку с перекрытием 30 - 60мм при tдн. = 4 - 5мм, а при tдн.= 6мм - выполняются встык. Крайние листы - "окрайки" - принимают на 1-2мм толще листов средней части днища. Из завода-изготовителя всё поставляется в рулонах (Q ≤ 60т).

Конструирование стенок:

Рис. 19

Стенка резервуара состоит из ряда поясов высотой, равной ширине листа. Соединяют пояса между собой встык или внахлёстку в телескопическом или ступенчатом порядке. Сопряжение встык выполняют в основном на заводе изготовителе (реже на монтаже), внахлёстку - как на заводе, так и на монтаже.

Распространён метод строительства резервуаров методом рулонирования.

Расчёт на прочность - стенка корпуса является несущим элементом и рассчитывается по методу предельных состояний в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81