Материал: Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий

Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий

Реферат

Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий

Санкт-Петербург

Содержание

здание покрытие балка купол

Введение

. Историческая справка

. Классификация

. Плоскостные большепролетные конструкции покрытий

.1 Балки

.2 Фермы

.3 Рамы

.4 Арки

. Пространственные большепролетные конструкции покрытий

.1 Складки

.2 Своды

.3 Оболочки

.4 Купола

.5 Оболочки с противоположным направлением кривизны

.6 Перекрестно-ребристые и перекрестно-стержневые покрытия

. Висячие (вантовые) конструкции

.1 Висячие покрытия

.2 Подвесные вантовые конструкции

.3 Покрытия с жесткими вантами и мембраны

.4 Комбинированные системы

.5 Конструктивные элементы и детали вантовых покрытий

. Трансформируемые и пневматические покрытия

.1 Трансформируемые покрытия

.2 Тентовые и пневматические конструкции

Используемая литература

Введение

При проектировании и строительстве зданий с зальными помещениями возникает комплекс сложных архитектурных и инженерных задач. Для создания комфортных условий в зале, обеспечения требований технологии, акустики, изоляции его от других помещений и окружающей среды определяющее значение приобретает конструкция покрытия зала. Знание математических законов формообразования позволило делать сложные геометрические построения (парабол, гипербол, и т.д.), с использованием принципа произвольного плана.

В современной архитектуре формообразование плана является результатом развития двух тенденций: свободного плана, ведущего к конструктивной каркасной системе, и произвольного плана, требующего конструктивной системы, позволяющей организовать весь объем здания, а не только планировочную структуру.

Зал - основное композиционное ядро большинства общественных зданий. Наиболее часто встречающаяся конфигурация плана - прямоугольник, круг, квадрат, эллипсовидные и подковообразные планы, реже трапециевидные. При выборе конструкций покрытия зала решающее значение имеет необходимость связать зал с внешним миром посредством открытых остекленных поверхностей или наоборот полностью изолировать его.

Пространство, освобожденное от опор, перекрытое большепролетной конструкцией, придает зданию эмоциональную и пластическую выразительность.

1. Историческая справка

Большепролетные конструкции покрытий появились в древние времена. Это были каменные купола и своды, деревянные стропила. Так, например, каменное купольное покрытие Пантеона в Риме (1125 г.) имело диаметр около 44 м, купол мечети Айя - София в Стамбуле (537 г.) - 32 м, купол Флорентийского собора (1436 г.) - 42 м, купол Верхнего Совета в Кремле (1787 г.) - 22,5 м.

Строительная техника того времени не позволяла строить в камне легкие сооружения. Поэтому большепролетные каменные сооружения отличались большой массивностью, а сами сооружения возводились в течение многих десятилетий.

Деревянные строительные конструкции были дешевле и проще в возведении, чем каменные, давали возможность перекрывать также большие пролеты. Примером могут служить деревянные конструкции покрытия здания бывшего Манежа в Москве (1812 г.), пролетом 30 м.

Развитие черной металлургии в XVIII - XIX вв. дало строителям материалы более прочные, чем камень, дерево - чугун и сталь.

Во второй половине XIX в. большепролетные металлические конструкции получают широкое применение.

В конце XVIII в. появился новый материал для большепролетных зданий - железобетон. Совершенствование железобетонных конструкций в XX в. привело к появлению тонкостенных пространственных конструкций: оболочек, складок, куполов. Появилась теория расчета и конструирования тонкостенных покрытий, в которой приняли участие и отечественные ученые.

Во второй половине XX в. широко применяются висячие покрытия, а также пневматические и стержневые системы.

Применение большепролетных конструкций дает возможность максимально использовать несущие качества материала и получить за счет этого легкие и экономичные покрытия. Уменьшение массы конструкций и сооружений является одной из основных тенденций в строительстве. Уменьшение массы означает уменьшение объема материала, его добычи, переработки, транспортировки и монтажа. Поэтому вполне естественен интерес, который возникает у строителей и архитекторов к новым формам конструкций, что дает особенно большой эффект в покрытиях.

2. Классификация

Большепролетные конструкции покрытий можно разделить по их статической работе на две основных группы систем большепролетных покрытий:

·        плоскостные (балки, фермы, рамы, арки);

·        пространственные (оболочки, складки, висячие системы, перекрестно-стержневые системы и др.).

Балочные, рамные и арочные, плоскостные системы большепролетных покрытий проектируются обычно без учета совместной работы всех несущих элементов, так как отдельные плоские диски соединяются друг с другом сравнительно слабыми связями, не способными существенно распределить нагрузки. Это обстоятельство, естественно приводит к увеличению массы конструкций.

Для перераспределения нагрузок и снижения массы пространственных конструкций необходимы связи.

По материалу, применяемому для изготовления большепролетных конструкций, их разделяют на:

·        деревянные

·        металлические

·        железобетонные

Ø  Древесина имеет хорошие несущие свойства (расчетное сопротивление сосны на сжатие и изгиб 130-150 кг/м²) и малую объемную массу (для воздушно-сухой сосны 500 кг/м³).

Существует мнение, что деревянные конструкции недолговечны. Действительно при плохом уходе деревянные конструкции могут очень быстро выйти из строя из-за поражения древесины различными грибками и насекомыми. Основным правилом для сохранения деревянных конструкций является создание условий для их вентиляции или проветривания. Важно также обеспечить, сушку древесины перед ее применением в строительстве. В настоящее время деревообрабатывающая промышленность может обеспечить эффективную сушку современными методами, в том числе токами высокой частоты и т.д.

Улучшение биологической стойкости древесины легко достигается с помощью давно разработанных и освоенных методов пропитки ее различными эффективно действующими антисептиками.

Еще чаще возникают возражения против использования древесины по соображениям пожарной безопасности.

Однако соблюдение элементарных правил противопожарной безопасности и надзора за сооружениями, а также использование антипиренов, повышающих огнестойкость древесины, позволяет значительно повысить противопожарные свойства древесины.

В качестве примера долговечности деревянных конструкций можно привести упоминавшийся уже Манеж в Москве, которому более 180 лет, шпиль в Адмиралтействе в Ленинграде высотой около 72 м, построенный в 1738 г., сторожевую башню в Якутске, возведенную около 300 лет тому назад, многие деревянные церкви во Владимире, Суздале, Кижах и других городах и селах Северной России, насчитывающие несколько столетий.

Ø  Металлические конструкции, главным образом стальные, применяются широко.

Их достоинства: высокая прочность, относительно небольшая масса. Недостатком стальных конструкций является подверженность коррозии и низкая пожарная стойкость (потеря несущей способности при высоких температурах). Для борьбы с коррозией стальных конструкций существует много средств: окраска, покрытие полимерными пленками и т.д. В целях пожарной безопасности ответственные стальные конструкции можно обетонировать или осуществить набрызг на поверхность стальных конструкций теплоустойчивых бетонных смесей (вермикулит и т.д.).

Ø  Железобетонные конструкции не подвержены гниению, ржавлению, обладают высокой пожарной стойкостью, но они тяжелы.

Поэтому при выборе материала для большепролетных конструкций необходимо отдавать предпочтение тому материалу, который в конкретных условиях строительства наилучшим образом отвечает поставленной задаче.

3. Плоскостные большепролетные конструкции покрытий

В общественных зданиях массового строительства для покрытия зальных помещений применяются преимущественно традиционные плоскостные конструкции: настилы, балки, фермы, рамы, арки. Работа этих конструкций основана на использовании внутренних физико-механических свойств материала и передаче усилий в теле конструкции непосредственно на опоры. В строительстве плоскостной тип покрытий хорошо изучен и освоен в производстве. Многие из них пролетом до 36 м разработаны как сборные типовые конструкции. Идет постоянная работа по их усовершенствованию, снижению массы и материалоемкости.

Плоскостная конструкция покрытия зала в интерьерах общественных зданий почти всегда, ввиду ее низких эстетических качеств, закрывается дорогостоящим подвесным потолком. Этим в здании создаются излишние пространства и объемы в зоне конструкции покрытия, в редких случаях используемые под технологическое оборудование. В экстерьере сооружения такие конструкции из-за их невыразительности обычно спрятаны за высокими парапетами стен.

.1 Балки

Балки изготавливаются из стальных профилей, железобетонными (сборными и монолитными), деревянными (на клею или на гвоздях).

Стальные балки таврового или коробчатого сечения (рис. 1, а, б) требуют большого расхода металла, имеют большой прогиб, который обычно компенсируется строительным подъемом (1/40-1/50 от пролета).

Железобетонные балки имеют большой изгибающий момент и большую собственную массу, но просты в изготовлении. Они могут выполняться монолитными, сборно-монолитными и сборными (из отдельных блоков и цельные). Выполняются из железобетона с предварительным напряжением арматуры. Отношение высоты балки к пролету колеблется в пределах от 1/8 до 1/20. В практике строительства встречаются балки пролетом до 60 м, а с консолями - до 100 м. Сечение балок - в виде тавра, двутавра или коробчатое (рис. 2, а, б, в, г, д, ж).

Рис. 1

а - стальная балка двутаврового сечения (составная);

б - стальная балка коробчатого сечения (составная);

в - искусственный закрытый каток в Женеве (1958). Покрытие имеет размеры 80,4 × 93,6 м.

Главные балки двутаврового сечения расположены через 10,4 м.

По главным балкам уложены алюминиевые прогоны.

Рис. 1 (продолжение)

г - схемы унифицированных горизонтальных ферм

с параллельными поясами. Разработаны ЦНИИЭП зрелищных и

спортивных сооружений;

д - схемы двускатных стальных ферм: полигональной и треугольной

ж - зал конгрессов в Ессене (ФРГ). Размеры покрытия 80,4 × 72,0.

Покрытие опирается на 4 решетчатых стойки. Главные фермы имеют пролет 72,01 м, второстепенные - 80,4 м с шагом 12 м

Рис. 2. Железобетонные балки и фермы

а - железобетонная односкатная балка с параллельными поясами

таврового сечения;

б - железобетонная двухскатная балка двутаврового сечения;

в - железобетонная балка горизонтальная с параллельными поясами

двутаврового сечения;

г - составная железобетонная горизонтальная балка с параллельным и

поясами таврового сечения;

д - железобетонная горизонтальная балка коробчатого сечения

Рис. 2 (продолжение)

е - составная двухскатная железобетонная ферма, состоящая из

двух полуферм с предварительно-напряженным нижним поясом;

ж - здание Британской заморской авиационной компании (ВОАС) в Лондоне 1955 г. Железобетонная балка имеет высоту 5,45 м, сечение балки - прямоугольное;

з - гимнастический зал средней школы в г. Спрингфилде (США)

В практике массового строительства в нашей стране широкое применение находят балки, приведенные на рис. 2, а, б, в.

Деревянные балки применяются в местностях, богатых лесом. Обычно они используются в зданиях III класса из-за их малой огнестойкости и долговечности.

Деревянные балки подразделяются на гвоздевые и клееные длиной до 30-20 м. Гвоздевые балки (рис. 3, а) имеют сшитую на гвоздях стену из двух слоев досок, наклоненных в разные стороны под углом 45°. Верхний и нижний пояса образуют за счет нашитых с обеих сторон вертикальных стенок балки продольных и поперечных брусьев. Высота гвоздевых балок 1/6-1/8 от пролета балки. Вместо дощатой стенки можно применять стенку из многослойной фанеры.

Клееные балки в отличие от гвоздевых обладают высокой прочностью и повышенной огнестойкостью даже без специальной пропитки. Сечение клееных деревянных балок может быть прямоугольным, двутавровым, коробчатым. Они изготавливаются из реек или досок на клею, уложенных плашмя или на ребро.

Высота таких балок 1/10-1/12 от пролета. По очертанию верхнего и нижнего поясов клееные балки могут быть с горизонтальными поясами, одно- или двухскатные, криволинейные (рис. 3, б).

Рис. 3

Рис. 3 (продолжение)

.2 Фермы

Фермы, как и балки, могут изготавливаться из металла, железобетона и дерева. Стальные фермы в отличие от металлических балок за счет решетчатой конструкции требуют меньше металла. При подвесном потолке создается проходной чердак, обеспечивающий пропуск инженерных коммуникаций или свободный проход по чердаку. Фермы выполняют, как правило, из стальных профилей, а пространственные трехгранные фермы - из стальных труб.

Зал Конгрессов и спорта в Эссене имеет покрытие размером 80,4 × 72 м (рис. 1, ж). Покрытие опирается на четыре решетчатых стоики, состоящие из четырех ветвей. Одна из стоек жестко закреплена в фундамент, две стойки имеют катковые опоры, четвертая стойка выполнена качающейся и может перемещаться в двух направлениях. Две главные полигональные клепаные фермы опираются на опорные стойки и имеют пролет 72 м и высоту 5,94 и 6,63 м в середине пролета и соответственно 2,40 и 2,54 м - на опорах. Пояса главных ферм имеют коробчатое сечение шириной более 600 мм, раскосы - составные, двутаврового сечения. Двухконсольные, сварные второстепенные фермы пролетом 80,4 м опираются на главные фермы с шагом 12 м. Верхний пояс этих ферм имеет сечение в виде тавра, нижний - в виде двутавра с широкими полками. Для обеспечения свободных вертикальных деформаций на расстоянии 11 м от краев крыши устроены сквозные шарниры как в ограждающей конструкции покрытия, так и в фермах и в подвесном потолке. Концы ферм длиной 11 м опираются на легкие качающиеся стойки, расположенные на трибунах. Крестовые ветровые горизонтальные связи расположены между главными и между крайними второстепенными фермами, а также вдоль продольных стен на расстоянии 3,5 м от края покрытия. Прогоны и обрешетка изготовлены из двутавров. Здание покрыто плитами из прессованной соломы толщиной 48 мм, по которым уложен гидроизоляционный ковер из четырех слоев горячего битума на стекловолокне.

Фермы могут иметь различное очертание как верхнего, так и нижнего пояса. Наиболее распространены фермы треугольные и полигональные, а также горизонтальные с параллельными поясами (рис. 1, г, д, ж).