Материал: Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий

Железобетонные фермы изготавливаются: цельными - длиной до 30 м; составными - с предварительным напряжением арматуры, при длине более 30 м. Отношение высоты фермы к пролету 1/6-1/9.

Нижний пояс выполняется обычно горизонтальным, верхний пояс может иметь горизонтальное, треугольное, сегментное или полигональное очертания. Наибольшее распространение получили железобетонные полигональные (двухскатные) фермы, изображенные на рис. 2, ж. Максимальная длина запроектированных железобетонных ферм составляет около 100 м при шаге 12 м.

Недостатком железобетонных ферм является большая конструктивная высота. Для уменьшения собственной массы ферм необходимо применять высокопрочные бетоны и внедрять легкие плиты покрытия из эффективных материалов.

Деревянные фермы - могут быть представлены в виде бревенчатых или брусчатых висячих стропил. Деревянные фермы применяют для пролетов более 18 м и при условии выполнения профилактических мероприятий по пожарной безопасности. Верхний (сжатый) пояс и раскосы деревянных ферм изготавливают из брусьев квадратного или прямоугольного сечения со стороной, равной 1/50-1/80 от пролета, нижний (растянутый) пояс и подвески выполняют как из брусьев, так и из стальных тяжей с винтовыми нарезками на концах для натяжения их с помощью гаек с подкладными шайбами.

Устойчивость деревянных ферм обеспечивают деревянные раскосы и связи, установленные по краям и в середине фермы перпендикулярно их плоскости, а также кровельные настилы, образующие жесткий диск покрытия. В практике отечественного строительства применяют фермы пролетом 15, 18, 21 и 24 м, верхний пояс которых выполняется из неразрезного пакета досок шириной 170 мм на клею ФР-12. Раскосы выполняются из брусков такой же ширины, нижний пояс из прокатных уголков, а подвеск - из круглой стали (рис 3, в).

Металлодеревянные фермы - были разработаны ЦНИИЭП учебных зданий, ЦНИИЭП зрелищных зданий и спортивных сооружений и ЦНИИСК Госстроя СССР в 1973 г. Эти фермы устанавливаются через 3 и 6 м и могут быть использованы для кровельных покрытий в двух вариантах:

а) с теплым эксплуатируемым подвесным потолком и холодными кровельными панелями;

б) без подвесного потолка и теплыми кровельными панелями.

.3 Рамы

Рамы являются плоскостными распорными конструкциями. В отличие от безраспорной балочно-стоечной конструкции, ригель и стойка в рамной конструкции имеют жесткое соединение, которое является причиной появления в стойке изгибающих моментов от воздействия нагрузок на ригель рамы.

Рамные конструкции выполняют с жесткой заделкой опор в фундамент, если отсутствует опасность появления неравномерных осадок основания. Особая чувствительность рамных и арочных конструкций к неравномерным осадкам приводит к необходимости устройства шарнирных рам (двухшарнирных и трехшарнирных). Схемы арок на рис. 4, а, б, в, г.

Учитывая то, что рамы не имеют достаточной жесткости в своей плоскости, при устройстве покрытия необходимо обеспечить продольную жесткость всего покрытия путем замоноличивания элементов покрытия или установки рам диафрагм нормально к плоскости, или связей жесткости.

Рамы могут изготавливаться из металла, железобетона или дерева.

Металлические рамы могут выполняться как сплошного, так и решетчатого сечения. Решетчатое сечение характерно для рам с большими пролетами, так как оно более экономично благодаря небольшой собственной массе и способности одинаково хорошо воспринимать как сжимающие, так и растягивающие усилия. Высота сечения ригелей решетчатых рам принимается в пределах 1/20-1/25 пролета, а рам сплошного сечения 1/25-/30 пролета. Для уменьшения высоты сечения ригеля как сплошного, так и решетчатого металлических рам применяются разгружающие консоли, иногда снабженные специальными оттяжками (рис. 4, г).

Рис. 4

Рамы: а - безшарнирная; б - двухшарнирная; в - трехшарнирная; г - двухшарнирная;

Арки:

д - бесшарнирная; е - двух шарнирная; ж - трехшарнирная; и - двухшарнирная с разгружающими консолями; к - двухшарнирная с затяжкой, воспринимающей распор; h - высота рамы; I - стрела подъема арки; l - пролет; r1 и r2 - радиусы кривизны нижней и верхней грани арки; 0,01 и 02 центры кривизны; - шарниры; s - затяжка; d - вертикальные нагрузки на консоли.

Металлические рамы активно применяются в строительстве (рис. 5, 1,а, б, в, г, д; рис. 6, а, в).

Рис. 5

Стальные, железобетонные и деревянные рамы

Железобетонные рамы - могут быть бесшарнирными, двухшарнирными, реже трехшарнирными.

При пролетах рам до 30-40 м их выполняют сплошными, двутаврового сечения с ребрами жесткости, при больших пролетах - решетчатыми. Высота ригеля сплошного сечения составляет около 1/20-1/25 пролета рамы, решетчатого сечения 1/12-1/15 пролета. Рамы могут быть однопролетными и многопролетными, монолитными и сборными. При сборном решении соединение отдельных элементов рамы целесообразно выполнить в местах минимальных изгибающих моментов. На рис. 5, 2, и, к, и рис.е 6, в приведены примеры из практики строительства зданий с использованием железобетонных рам.

Рис. 7 Каркас складского здания с деревянными клеефанерными рамами

.4 Арки

Арки, как и рамы, являются плоскостными распорными конструкциями. Они еще более чувствительны к неравномерным осадкам, чем рамы и выполняются как бесшарнирными, так и двухшарнирными и трехшарнирными (рис. 4, д, е, ж, и, к) Устойчивость покрытия обеспечивается жесткими элементами ограждающей части покрытия. Для пролетов 24-36 м возможно применение трехшарнирных арок из двух сегментных ферм (рис. 8, а). Во избежание провисания затяжки устанавливают подвески.

Рис. 8

а - трехшарнирная деревянная арка из многоугольных ферм;

б - решетчатая деревянная арка

Металлические арки выполняются сплошного и решетчатого сечения. Высота ригеля сплошного сечения арок применяется в пределах 1/50-1/80 , решетчатого 1/30-1/60 пролета. Отношение стрелы подъема к пролету у всех арок находится в пределах 1/2-1/ 4 при параболическом очертании кривой и 1/4-1/8 при круговой кривой. На рис. 8, а, рис. 9, рис. 1, рис. 10, а, б, в, представлены примеры из практики строительства.

Железобетонные арки, как и металлические, могут иметь сплошное и решетчатое сечение ригеля.

Конструктивная высота сечения ригеля сплошных арок составляет 1/30-1/40 пролета, решетчатых арок 1/25-1/30 пролета.

Сборные арки больших пролетов выполняются составными, из двух полуарок, бетонируемых на рис.е в горизонтальном положении, а затем поднимаемых в проектное положение (пример на рис. 9, 2, а, б, в).

Деревянные арки выполняются из гвоздевых и клееных элементов. Отношение стрелы подъема к пролету у гвоздевых арок составляет 1/15-1/20, у клееных - 1/20-1/25 (рис. 8, а, б, рис. 10, в, г).

Рис. 9

а - арка с затяжкой на колоннах; б - опирание арки на рамы; или контрфорсы; в - опирание арки на фундаменты

Рис. 10

4. Пространственные большепролетные конструкции покрытий

Большепролетные конструктивные системы разных эпох объединяет ряд существенных признаков, что дает возможность рассматривать их как технический прогресс в строительстве. С ними связана мечта строителей и архитекторов, покорить пространство, перекрыть максимально большую площадь. Объединяющим исторически сложившихся и современных криволинейных конструкций является поиск целесообразный формы, стремление к максимальному снижению их веса, поиск оптимальных условий распределения нагрузок, что приводит к открытию новых материалов и потенциальных возможностей.

Пространственные большепролетные конструкции покрытия включают в себя плоские складчатые покрытия, своды, оболочки, купола, перекрестно-ребристые покрытия, стержневые конструкции, пневматические и тентовые конструкции.

Плоские складчатые покрытия, оболочки, перекрестно-ребристые покрытия и стрежневые конструкции выполняются из жестких материалов (железобетон, металлические профили, дерево и др.) За счет совместной работы конструкций пространственные жесткие покрытия имеют небольшую массу, что снижает расходы как на устройство покрытия, так и на устройство опор и фундаментов.

Висячие (вантовые), пневматические и тентовые покрытия выполняются из нежестких материалов(металлические тросы, металлические рисовые мембраны, мембраны из синтетических пленок и тканей). Они в значительно большей степени, чем пространственные жесткие конструкции, обеспечивают снижение объемной массы конструкций, позволяют быстро возводить сооружения.

Пространственные конструкции дают возможность создавать самые разнообразные формы зданий и сооружений. Однако возведение пространственных конструкций требует более сложной организации строительного производства и высокого качества всех строительных работ.

Конечно, рекомендации по применению тех или иных конструкций покрытия для каждого конкретного случая дать нельзя. Покрытие как сложное подсистемное образование, находится в структуре сооружения в тесной связи со всеми его другими элементами, с внешними и внутренними воздействиями среды, с экономическими, техническими, художественными и эстетически-стилевыми условиями его формирования. Но некоторый опыт применения пространственных конструкций и результаты, которые он дал, могут помочь в понимании места той или иной конструктивной и технологической организации общественных зданий. Уже известные в мировой строительной практике системы конструкций пространственного типа позволяют перекрывать здания и сооружения практически с любой конфигурацией плана.

.1 Складки

Складкой называют пространственное покрытие, образованное плоскими взаимно пересекающимися элементами. Складки состоят из ряда повторяющихся в определенном порядке элементов, опирающихся по краям и в пролете на диафрагмы жесткости.

Складки бывают пилообразные, трапецеидальные, из однотипных треугольных плоскостей, шатровые (четырехугольные и многогранные) и другие (рис. 11, а, б, в, г).

Рис. 11

Складчатые конструкции, применяемые в цилиндрических оболочках и куполах, рассматриваются в соответствующих разделах.

Складки могут быть выпущены за пределы крайних опор, образуя консольные свесы. Толщину плоского элемента складки принимают около 1/200 пролета, высоту элемента не менее 1/10, а ширину грани - не менее 1/5 пролета. Складками обычно покрывают пролеты до 50-60 м, а шатрами до 24 м.

Складчатые конструкции имеют целый ряд положительных качеств:

простота формы и соответственно простота их изготовления;

большие возможности заводского сборного изготовления;

экономия высоты помещения и др.

Интересным примером применения плоской складчатой конструкции пилообразного профиля является покрытие лаборатории института бетона в Детройте (США) размером 29,1 × 11,4 (рис 11, д) проект архитекторов Ямасаки и Лейнвебера, инженеров Аммана и Уитни. Покрытие опирается на два продольных ряда опор, образующих средний коридор и имеет консольные выносы в обе стороны от опор длиной 5,8 м. Покрытие представляет комбинацию складок, направленных в противоположные стороны. Толщина складок 9,5 см.

В 1972 г. в Москве при реконструкции Курского вокзала была применена трапецеидальная складчатая конструкция, позволившая перекрыть зал ожидания размером 33 × 200 м (рис. 11, е).

.2 Своды

Наиболее древняя и широко распространенная система криволинейного покрытия - сводчатое покрытие. Свод - конструктивная система, на основе которой был создан ряд архитектурных форм прошлого (вплоть до ХХ в.), позволивших решать проблему перекрытия разнообразных зальных помещений с различным функциональным назначением.

Цилиндрический и сомкнутый своды - простейшие формы свода, но пространство, образованное этими покрытиями, замкнуто, а форма лишена пластики. Введением распалубок в конструкции ложков этих сводов достигается зрительное ощущение легкости. Внутренняя поверхность сводов, как правило, украшалась богатым декором или имитировалась ложной конструкцией деревянного подвесного потолка.

Крестовый свод образуется вырезкой из пересечения двух цилиндрических сводов. Им перекрывали огромные залы терм и базилик. Большое применение крестовый свод нашел в готической архитектуре.

Крестовый свод - одна из распространенных форм покрытия в русском каменном зодчестве.

Широко применялись такие разновидности сводов, как парусный, свод-купол, балдахин.

.3 Оболочки

Тонкостенные оболочки являются одним из видов пространственных конструкций и используются в строительстве зданий и сооружений с помещениями больших площадей (ангаров, стадионов, рынков и т.п.). Тонкостенная оболочка представляет собой изогнутую поверхность, которая при минимальной толщине и соответственно минимальной массе и расходе материала обладает очень большой несущей способностью, потому что благодаря криволинейной форме действует как пространственная несущая конструкция.

Простой опыт с рисом бумаги показывает, что очень тонкая изогнутая пластинка приобретает благодаря криволинейной форме большую сопротивляемость внешним силам, чем та же пластинка плоской формы.

Жесткие оболочки могут возводиться над зданиями любой конфигурации в плане: прямоугольной, квадратной, круглой, овальной и т.п.

Даже весьма сложные по конфигурации конструкции могут быть разделены на ряд однотипных элементов. На заводах строительных деталей создаются отдельные технологические линии для изготовления отдельных элементов конструкций. Разработанные методы монтажа позволяют возводить оболочки и купола с помощью инвентарных опорных башен или вообще без вспомогательных лесов, что существенно сокращает сроки возведения покрытий и удешевляет монтажные работы.

По конструктивным схемам жесткие оболочки делятся на: оболочки положительной и отрицательной кривизны, зонтичные оболочки, своды и купола.

Оболочки выполняются из железобетона, армоцемента, металла, дерева, пластмасс и других материалов, хорошо воспринимающих сжимающие усилия.

В обычных несущих системах, рассмотренных нами ранее, сопротивление возникающим усилиям сосредотачивается непрерывно по всей их криволинейной поверхности, т.е. так как это свойственно пространственным несущим системам.

Первая железобетонная купол-оболочка была построена в 1925 г. в Йене. Диаметр ее составлял 40м, это равно диаметру купола св. Петра в Риме. Масса этой оболочки оказалась в 30 раз меньше купола собора св. Петра. Это первый пример, который показал перспективные возможности нового конструктивного принципа.

Появление напряженно-армированного железобетона, создание новых методов расчета, измерение и испытание конструкций с помощью моделей наряду со статической и экономической выгодой их применения - все это способствовало быстрому распространению оболочек во всем мире.

Оболочки имеют и еще ряд преимуществ:

в покрытии они выполняют одновременно две функции: несущей конструкции и кровли;

они огнестойки, что во многих случаях ставит их в более выгодное положение даже при равных экономических условиях;

они не имеют себе равных по разнообразию и оригинальности форм в истории архитектуры;

наконец, по сравнению с прежними сводчатыми и купольными конструкциями, во много раз превзошли их по масштабам перекрываемых пролетов.

Если строительство оболочек в железобетоне получило достаточно широкое развитие, то в металле и дереве эти конструкции имеют пока ограниченное применение, так как не найдены еще достаточно простые свойственные металлу и дереву, конструктивные формы оболочек.

Оболочки в металле могут выполняться цельнометаллическими, где оболочка выполняет одновременно функции несущей и ограждающей конструкции в один, два и более слоев. При соответствующей разработке строительство оболочек может свестись к индустриальной сборке крупных панелей.

Однослойные металлические оболочки выполняются из стального или алюминиевого рис.а. Для увеличения жесткости оболочек вводятся поперечные ребра. При частом расположении поперечных ребер, связанных между собой по верхнему и нижнему поясу, можно получить двухслойную оболочку.