Вопрос 59. Конструктивные решения большепролетных систем. Нагрузки, действующие на большепролетные конструкции. Компоновка каркасов большепролетных покрытий
Каркасы большепролетных покрытий с балочными и рамными несущими системами имеют компоновочную схему, близкую к каркасам производственных зданий. При больших пролетах и отсутствии подкрановых балок целесообразно увеличивать расстояния между основными несущими конструкциями до 12-18 м. Системы вертикальных и горизонтальных связей имеют те же назначения, что и в производственных зданиях и компонуются аналогично.
Компоновка рамных покрытий бывает поперечная , когда несущие рамы ставят поперек здания, и продольная , характерная для ангаров. При продольной компоновке основная несущая рама ставится в направлении большего размера плана здания и на нее опираются поперечные фермы.
Верхние и нижние пояса несущих рам и поперечных ферм развязываются крестовыми связями, обеспечивающими их устойчивость.
В арочных системах шаг арок принимается 12 м. и более; по аркам укладываются главные прогоны, на которые опираются поперечные ребра, поддерживающие кровельный настил.
При
больших пролетах и высотах основных
несущих систем (рам, арок) применяются
пространственно устойчивые блочные
конструкции путем спаривания соседних
плоских рам или арок (рис.8), а также
применением трехгранных сечений арок.
Арки соединяются в ключе продольными
связями, значение которых для жесткости
сооружения особенно велико при большой
стреле подъема арок, когда повышается
их общая деформативность.
Поперечные связи, расположенные между крайней парой арок, рассчитывают на давление ветра, передаваемого с торцовой стены арочного покрытия.
ВОПРОС 60. Балочные большепролетные конструкции. Их достоинства и недостатки. Конструктивные решения. Нагрузки, действующие на балочные конструкции. Основы расчета и конструирования балочных конструкций.
Балочные конструкции
Балочные большепролетные конструкции применяют в случаях, когда опоры не могут воспринять распорных усилий.
Балочные системы при больших пролетах тяжелее рамных или арочных, но проще в изготовлении и монтаже.
Балочные системы применяют преимущественно в общественных зданиях – театрах, концертных залах, спортивных сооружениях.
Основными несущими элементами балочных систем применяемых при пролетах 50-70 м и более являются фермы; сплошные балки при больших пролетах невыгодны по затрате металла.
Основными достоинствами балочных конструкций является четкость работы, отсутствие распорных усилий и нечувствительность к осадкам опор. Главный недостаток – сравнительно большой расход стали и большая высота, вызванные большими пролетными моментами и требованиями жесткости.
Рис. 1, 2, 3
Из этих условий балочные большепролетные конструкции применяют обычно при пролетах до 90м. Несущие фермы больших пролетов могут иметь различное очертание поясов и системы решеток (рис. 1, 2, 3).Сечения стержней большепролетных ферм с усилиями в стержнях свыше 4000-5000 кН обычно принимают составными из сварных двутавров или прокатных профилей.
Большая высота ферм не позволяет перевозить их по железной дороге в виде собранных отправочных элементов, поэтому они поступают на монтаж россыпью и укрупняются на месте.
Элементы соединяют сваркой или высокопрочными болтами. Применять болты повышенной точности и заклепки не следует из-за большой трудоемкости.
Рассчитывают большепролетные фермы и подбирают их сечения аналогично легким фермам промышленных зданий.
Вследствие больших опорных реакций возникает необходимость передачи их строго по оси узла фермы, в противном случае могут возникнуть значительные дополнительные напряжения.
При пролетах 60-90м становится существенным взаимное смещение опор из-за прогиба фермы и ее температурных деформаций. В этом случае одна из опор может быть катковой (рис.6), допускающей свободные горизонтальные перемещения.
Если фермы устанавливаются на высокие гибкие колонны, то даже при пролетах до 90м обе опоры могут быть неподвижными из-за податливости верхних частей колонн.
Большепролетные балочные системы могут состоять из трехгранных ферм с предварительным напряжением, удобных в изготовлении, транспортировке и монтаже (рис.7).
Включение в совместную работу на сжатие ж/б плиты, уложенной по верхним поясам фермы, использование трубчатых стержней и предварительного напряжения делают такие фермы экономичными по затрате металла.
Стальные листы включаются в расчетные сечения верхнего и нижнего поясов ферм.
Чтобы тонкий лист мог работать на сжатие, в нем создается предварительное растягивающее напряжение по величине большей сжимающего напряжения от нагрузки.
ВОПРОС 61. Рамные большепролетные конструкции. Их достоинства и недостатки. Конструктивные решения. Нагрузки, действующие на рамные конструкции. Основы расчета и конструирования рамных конструкций.
Рамные конструкции
Рамы, перекрывающие большие пролеты, могут быть двухшарнирные и бесшарнирные .
Бесшарнирные рамы более жестки, экономичнее по расходу металла и удобнее в монтаже; однако они требуют более массивные фундаменты с плотными основаниями для них и более чувствительны к температурным воздействиям и неравномерным осадкам опор.
Рамные конструкции по сравнению с балочными более экономичны по затрате металла и более жестки, благодаря чему высота ригеля рамы имеет меньшую высоту, чем высота балочных ферм.
В большепролетных покрытиях применяются как сплошные, так и сквозные рамы.
Сплошные рамы применяются редко при небольших пролетах (50-60 м), их преимущества: меньшая трудоемкость, транспортабельность и возможность уменьшения высоты помещения.
Наиболее часто применяются рамы с шарнирным опиранием. Высоту ригеля рам рекомендуется принимать равной: при сквозных фермах 1/12-1/18 пролета, при сплошных ригелях 1/20 – 1/30 пролета.
Рамы рассчитывают методами строительной механики. В целях упрощения расчета легкие сквозные рамы можно приводить к эквивалентным им сплошным рамам.
Тяжелые сквозные рамы (типа тяжелых ферм) должны рассчитываться как решетчатые системы с учетом деформации всех стержней решетки.
При больших пролетах (более 50 м) и невысоких жестких стойках необходимо производить расчет рам на температурные воздействия.
Ригели и стойки сплошных рам имеют сплошные двутавровые сечения; их несущая способность проверяется по формулам для внецентренно сжатых стержней.
В целях упрощения расчета решетчатых рам их распор допускается определять как для сплошной рамы.
приближенным расчетом устанавливают предварительные сечения поясов рамы;
определяют моменты инерции сечений ригеля и стоек по приближенным формулам;
рассчитывают раму методами строительной механики; расчетную схему рамы следует принимать по геометрическим осям;
определив опорные реакции, находят расчетные усилия во всех стержнях, по которым окончательно подбирают их сечения.
Типы сечений, конструкция узлов и соединения рамных ферм такие же, как и для тяжелых ферм балочных конструкций.
Другим искусственным приемом разгрузки ригеля является смещение в двухшарнирной раме опорных шарниров с оси стойки внутрь. В этом случае вертикальные опорные реакции создают дополнительные моменты, разгружающие ригель.
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.
Конструктивные решения металлических покрытий большепролетных зданий могут быть балочными, арочными, пространственными, висячими Байтовыми, мембранными и др. Учитывая, что в таких конструкциях основной нагрузкой является собственный вес, следует стремиться к его уменьшению, что достигается применением сталей повышенной прочности и алюминиевых сплавов.
Балочные системы (как правило, фермы) включаются в состав поперечных рам, что улучшает статическую схему работы. При пролетах более 60-80 м целесообразно использовать арочные покрытия (рис. 1). Такие покрытия при больших пролетах целесообразно проектировать предварительно-напряженными. В арочном покрытии, представленном на рис. 2, верхний пояс предусмотрен жестким, а нижний пояс и решетка арки выполнены из тросов. После монтажа арки осуществляют принудительное смещение опорных узлов наружу, что вызывает предварительное растяжение в нижнем поясе и раскосах арки.
Рисунок 1. 1 - арка; 2 - затяжка; 3 - неподвижная шарнирная опора; 4 - подвижная шарнирная опора
Рисунок 2. 1 - трос; 2 - жесткий пояс
Пространственные решетчатые конструкции покрытий могут быть плоскими двухслойными (двухсетчатыми) и криволинейными однослойными (односетчатыми) или двухслойными. В двухсетчатых конструкциях две параллельные сетчатые поверхности соединяются между собой решетчатыми связями.
Сетчатые системы регулярного строения называются структурными и применяются, как правило, в виде плоских покрытий. Они представляют собой различные системы перекрестных ферм (рис. 3). Структурные плоские перекрытия благодаря большой пространственной жесткости имеют небольшую высоту (1/16-1/20 пролета), ими можно перекрывать большие пролеты. Устройством консольных свесов за линией опор достигается уменьшение изгибающих моментов и веса покрытия.
Рисунок 3. 1,2 - верхняя и нижняя поясные сетки; 3 - раскосы; 4 - тетраэдр; 5 - октаэдр; 6 - опорная капитель
Криволинейные пространственные покрытия имеют, как правило, цилиндрическую или купольную поверхность.
Цилиндрические покрытия могут быть односетчатыми или двухсетчатыми (криволинейные структуры). Они в поперечном направлении работают как свод, распор которого воспринимается стенами или затяжками.
Купольные покрытия могут иметь ребристую (или ребристо-кольцевую) конструктивную схему (рис. 4а) или сетчатую (рис. 4б). В ребристых куполах радиально расположенные ребра соединены между собой кольцевыми прогонами. Если последние составляют с ребрами единую жесткую пространственную систему, то тогда кольцевые прогоны работают не только на местный изгиб, но в составе купольной системы воспринимают также кольцевые сжимающие или растягивающие усилия. В сетчатых куполах в состав конструкции кроме ребер и кольцевых элементов входят раскосы, что создает условия, при которых стержни работают только на осевые усилия.
Рисунок 4. а - ребристое; б - сетчатое
Висячие покрытия состоят из опорного контура и основных несущих элементов в виде вант или тонких стальных листов, работающих на растяжение. Поскольку основные элементы покрытия работают на растяжение, их несущая способность определяется прочностью (а не устойчивостью), что позволяет эффективно использовать высокопрочные канаты или листовую сталь. Такие покрытия весьма экономичны, однако повышенная деформативность ограничивает их применение для покрытий производственных зданий. Кроме того, учитывая большую распорность таких систем, форму в плане целесообразно принимать круглой, овальной или многоугольной, что облегчает восприятие распора. В связи с этим они применяются, в основном, для покрытий спортивных зданий, крытых рынков, выставочных павильонов, складов, гаражей и других зданий больших пролетов.
В состав вантовых висячих покрытий входят гибкие ванты (стальные канаты или арматурные стержни), располагаемые в радиальном направлении (рис. 5а), в ортогональных направлениях (рис. 5б) или параллельно друг другу в одном направлении (рис. 6). Криволинейные замкнутые опорные контуры работают преимущественно на сжатие, а центральное кольцо - на растяжение. В этих случаях на поддерживающие покрытие конструкции (стены, колонны, рамы) передаются только вертикальные силы. В отличие от этого при незамкнутых контурах распор передается на несущие конструкции здания, что требует устройства анкерных фундаментов, работающих на выдергивание, или стен с контрфорсами и т. п. На систему вант укладываются плиты из легкого железобетона или металлические с полимерным утеплителем, трехслойные и др.
Рисунок 5. а - радиальное расположение вант; б - ортогональное; 1 - ванты; 2 - опорный контур; 3 - центральное кольцо
Рисунок 6. 1,2 - ванты соответственно в середине и в торце; 3 - опорный контур; 4 - железобетонные плиты; 5 - анкерный фундамент
Системы висячих вантовых покрытий отличаются большим разнообразием. Нередко применяют шатровую вантовую систему, при которой центральное кольцо покоится на колонне и поднимается на более высокую отметку, чем опорное контурное.
Примером такой системы может служить покрытие автобусного парка в Киеве диаметром 161м. Описанные выше системы являются однопоясными. Кроме них применяются также двухпоясные системы (особенно при больших ветровых нагрузках), в которых стабилизация покрытия осуществляется с помощью контура обратной кривизны. В таких системах несущие ванты имеют выгиб вниз, а стабилизирующие - вверх. Стабилизирующие ванты с установленным на них настилом могут быть расположены над несущими, что вызывает сжатие распорок (рис. 7а). При расположении стабилизирующих тросов под несущими вантами связи между ними будут растянутыми (рис. 7б). Возможен и третий вариант, при котором несущие и стабилизирующие тросы пересекаются, а стойки сжаты в средней части покрытия и растянуты - в крайних (рис. 7б).
Рисунок 7. 1 - стабилизирующие ванты; 2 - стойки; 3 - несущие ванты
Большое распространение в зарубежной и отечественной практике получили также висячие тонколистовые системы - мембранные покрытия.
Они представляют собой пространственную конструкцию из тонкого металлического листа (стального или из алюминиевых сплавов) толщиной в несколько миллиметров, закрепленного по периметру в опорном контуре. Их преимущества состоят в совмещении несущей и ограждающей функций, а также в повышенной индустриальности изготовления. В некоторых случаях вместо сплошной мембраны покрытие образуется из отдельных, не соединяемых друг с другом, тонких стальных лент. Располагаемые в двух взаимоперпендикулярных направлениях ленты могут переплетаться, что предотвращает их расслаивание.
Сплошное мембранное покрытие успешно применено для универсального стадиона на проспекте Мира в Москве, размеры, в плане которого достигают 183x224 м (рис. 8).
Рисунок 8. Конструктивная схема покрытия универсального стадиона на проспекте Мира в Москве (стальная мембрана толщиной 5 мм): а - план; б - продольный разрез; в - поперечный
В состав спортивного комплекса, построенного в г. Бишкеке, входит зал на 3 тысячи зрителей, покрытие которого решено в виде предварительно напряженной мембранно-балочной висячей системы (рис. 9). Каркас здания выполнен из монолитного здания железобетона в виде раскосных ферм, расположенных по периметру размерами в плане 42,5x65,15 м. Покрытие состоит из собственно мембраны толщиной 2 мм, продольных прогонов и поперечных балок - распорок. Утеплитель в виде минераловатных матов подвешен к мембране снизу, потолок выполнен из штампованных алюминиевых элементов.
Мембранные покрытия использованы и в ряде других большепролетных зданиях. Так, в Санкт-Петербурге универсальный спортивный зал диаметром 160 м перекрыт мембранной оболочной толщиной 6 мм. Подобными оболочками перекрыты также универсальный спортивный зал с размерами в плане 66x72 м на 5 тысяч зрителей в Измайлово (Москва), здание плавательного бассейна «Пионер» с размерами в плане 30x63 м в Харькове и др.
Складчатые своды покрытий - пространственная конструкция, которая может быть выполнена из металла (стали, алюминиевых сплавов), железобетона, пластмасс.
Особенно эффективны такие покрытия из алюминиевых сплавов. Основным конструктивным элементом в последних может служить лист ромбовидной формы (рис. 10), согнутый вдоль большей диагонали. Сопряжения ромбовидных элементов между собой может осуществляться при помощи цилиндрических шарниров или жесткими фланцевыми сочленениями. Для повышения пространственной жесткости покрытия (особенно при шарнирных сопряжениях) необходимо
предусматривать установку продольных затяжек по выступающим узлам складчатого свода.
Рисунок 9. 1 - каркас здания; 2 - мембрано-балочная висячая система
Рисунок 10.
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.
Плоскостные конструкции
а
ЛЕКЦИЯ 7. КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
Каркасы промышленных зданий
Стальной каркас одноэтажных зданий
Стальной каркас одноэтажных зданий состоит из тех же элементов, что и железобетонный (рис.)
Рис. Стальной каркас здания
В стальных колоннах различают две основные части: стержень (ветвь) и базу (башмак) (рис.73) .
Рис. 73. Стальные колонны.
а – постоянного сечения с консолью; б – раздельного типа.
1 – подкрановая часть колонны; 2 – надколонник, 3 – добавочная высота надколонника; 4 – шатровая ветвь; 5 – подкрановая ветвь; 6 – башмак; 7 – подкрановая балка; 8 – подкрановый рельс; 9 – ферма покрытия.
Башмаки служат для передачи нагрузки от колонны на фундамент. Башмаки и нижние части колонн, соприкасающиеся с землей, во избежание коррозии обетонивают. Для опирания стен между фундаментами крайних колонн устанавливают сборные железобетонные фундаментные балки.
Стальные подкрановые балки бывают сплошные и решетчатые. Наибольшее применение получили сплошные подкрановые балки, имеющие двутавровое сечение: несимметричное, применяемые при шаге колонн 6 метров, или симметричное при шаге 12 метров.
Основными несущими конструкциями покрытий в зданиях со стальным каркасом являются стропильные фермы (рис. 74).
Рис. 74. Стальные фермы:
а – с параллельными поясами; б – то же; в – треугольная; г – полигональная;
д – конструкция полигональной фермы.
По очертанию они могут быть с параллельными поясами, треугольные, полигональные.
Фермы с параллельными поясами применяют в зданиях с плоскими крышами, а также в качестве подстропильных.
Треугольные фермы применяют в зданиях с кровлями, требующими больших уклонов, например из асбоцементных листов.
Жесткость стального каркаса и восприятие им ветровых нагрузок и инерционных воздействий от кранов обеспечивается устройством связей. Между колоннами в продольных рядах ставят вертикальные связи – крестовые или портальные. Горизонтальные поперечные связи ставят в плоскостях верхнего и нижнего поясов, а вертикальные – по осям опорных стоек и в одной или нескольких плоскостях посередине пролета.
Деформационные швы
В каркасных зданиях деформационные швы расчленяют на отдельные участки каркас здания и все опирающиеся на него конструкции. Различают швы поперечные и продольные.
Поперечные температурные швы устраивают на спаренных колоннах, поддерживающих конструкции смежных, разрезанных швом, участков здания. Если шов является одновременно осадочным, то он устраивается и в фундаментах спаренных колонн.
В одноэтажных зданиях ось поперечного деформационного шва совмещают с поперечной разбивочной осью ряда. Так же решают деформационные швы в перекрытиях многоэтажных зданий.
Продольные температурные швы в зданиях с железобетонным каркасом решают на двух продольных рядах колонн, а в зданиях со стальным каркасом – на одном ряде колонн.
Стены промышленных зданий
В зданиях бескаркасных и с неполным каркасом наружные стены являются несущими и выполняются из кирпича, крупных блоков или других камней. В зданиях с полным каркасом стены выполняют из тех же материалов самонесущими по фундаментным балкам или панельными – самонесущими или навесными. Наружные стены располагают с внешней стороны колонн, внутренние стены зданий опирают на фундаментные балки или на ленточные фундаменты.
В каркасных зданиях при значительной протяженности и высоте стен для обеспечения устойчивости между элементами основного каркаса вводят дополнительные стойки, иногда ригели, образующие вспомогательный каркас, называемый фахверком .
При наружном водостоке с покрытий продольные стены промышленных зданий выполняют с карнизами, а торцовые – с парапетными стенками. При внутреннем водоотводе парапеты возводят по всему периметру здания.
Стены из крупных панелей
Железобетонные ребристые панели предназначаются для неотапливаемых зданий и зданий с большими производственными тепловыделениями. Толщина стенки 30 миллиметров.
Панели для отапливаемых зданий применяют железобетонные утепленные или из легких ячеистых бетонов. Железобетонные утепленные панели имеют толщину 280 и 300 миллиметров.
Панели разделяются на рядовые (для глухих стен), панели-перемычки (для установки сверху и снизу оконных проемов) и парапетные.
На рис. 79 показан фрагмент стены каркасного панельного здания с ленточным остеклением.
Рис. 79. Фрагмент стены из крупных панелей
Заполнение оконных проемов панельных зданий производится преимущественно в виде ленточного остекления. Высота проемов принимается кратной 1,2 метров, ширина – равной шагу пристенных колонн.
При отдельных оконных проемах меньшей ширины применяются простеночные панели с размерами 0,75, 1,5, 3,0 метра в соответствии с размерами стандартных переплетов.
Окна, двери, ворота, фонари
Фонари
Для обеспечения освещения удаленных от окон рабочих мест и для аэрации (вентиляции) помещений в промышленных зданиях устраивают фонари.
Фонари бывают световые, аэрационные и смешанного типа:
Световые с глухими остекленными переплетами, служащие только для освещения помещений;
Светоаэрационные с открывающимися остекленными створками, служащие для освещения и проветривания помещений;
Аэрационные без остекления, применяемые только для целей аэрации.
Фонари могут быть различного профиля с вертикальным, наклонным или горизонтальным остеклением.
По профилю фонари бывают прямоугольные с вертикальным остеклением, трапециедальные и треугольные с наклонным остеклением, зубчатые с односторонним вертикальным остеклением. В промышленном строительстве обычно применяют прямоугольные фонари. (рис. 83).
Рис. 83. Основные схемы световых и светоаэрационных фонарей:
а – прямоугольный; б – трапециевидный; в – зубчатый; г – треугольный.
По расположению относительно оси здания различают фонари продольные и поперечные. Наибольшее распространение получили продольные фонари.
Отвод воды с фонарей бывает наружный и внутренний. Наружный применяют при фонарях шириной 6 метров или при отсутствии в здании внутреннего водоотвода.
Конструкция фонарей является каркасной и состоит из ряда поперечных рам, опирающихся на верхние пояса ферм или балок покрытия, и системы продольных связей. Конструктивные схемы фонарей и их параметры унифицированы. Для пролетов 12, 15, и 18 метров применяют фонари шириной 6 метров, для пролетов 24, 30 и 36 метров – шириной 12 метров. Ограждение фонаря состоит из покрытия, боковых и торцовых стенок.
Фонарные переплеты изготавливают стальными длиной 6000 миллиметров и высотой 1250, 1500 и 1750 миллиметров. Переплеты остекляют армированным или оконным стеклом.
Аэрацией называют естественный, управляемый и регулируемый воздухообмен.
Действие аэрации основывается:
На тепловом подпоре, возникающем вследствие разности температур внутреннего и наружного воздуха;
На высотном перепаде (разности центров вытяжных и приточных отверстий);
На действии ветра, который обдувая здание, создает на подветренной стороне разрежение воздуха (рис. 84).
Рис. 84. Схемы аэрации зданий:
а – действие аэрации при отсутствии ветра; б – то же, при действии ветра.
Недостатком светоаэрационных фонарей является необходимость закрывать переплеты с наветренной стороны, так как может происходить задувание ветром загрязненного воздуха обратно в рабочую зону.
Двери и ворота
Двери промышленных зданий по конструкции не отличаются от щитовых дверей гражданских зданий.
Ворота предназначаются для ввода внутрь здания транспортных средств и пропуска больших масс людей.
Размеры ворот определяются в соответствии с размерами перевозимого оборудования. Они должны превышать габариты подвижного состава в груженом состоянии по ширине на 0,5-1,0 метра, а по высоте – на 0,2 – 0,5 метра.
По способу открывания ворота бывают распашные, раздвижные, подъемные, шторные и т.д.
Распашные ворота состоят из двух полотнищ, навешенных посредством петель в воротной раме (рис. 81). Рама может быть деревянной, стальной или железобетонной.
Рис. 81. Распашные ворота:
1 – стойки железобетонной рамы, обрамляющей проем; 2 – ригель.
При отсутствии места для распахивания полотен ворота делают раздвижными. Раздвижные ворота бывают однопольные и двупольные. Полотна их имеют конструкция подобную распашным, но в верхней части снабжены стальными роликами, которые при открывании и закрывании ворот передвигаются по рельсу, прикрепленную к ригелю железобетонной рамы.
Полотна подъемных ворот – цельнометаллические, подвешены на тросах и двигаются по вертикальным направляющим.
Полотнище шторных ворот состоит из горизонтальных элементов, образующих стальную штору, которая при подъеме навертывается на вращающийся барабан, горизонтально расположенный над верхом проема.
Покрытия
В одноэтажных промышленных зданиях покрытия выполняются бесчердачными, состоящими из основных несущих элементов покрытия и ограждения.
В неотапливаемых зданиях и зданиях с избыточными производственными тепловыделениями ограждающие конструкции покрытий выполняются неутепленными, в отапливаемых зданиях – утепленными.
Конструкция холодного покрытия состоит из основания (настила) и кровли. В утепленное покрытие включают пароизоляцию и утеплитель.
Элементы настила подразделяют на мелкоразмерные (длиной 1,5 – 3,0 метра) и крупноразмерные (длиной 6 и 12 метров).
В ограждениях из мелкоразмерных элементов возникает необходимость применения прогонов, которые располагают вдоль здания по балкам или фермам покрытия.
Крупноразмерные настилы укладывают по основным несущим элементам и покрытия в этом случае называют беспрогонными.
Настилы
Беспрогонные железобетонные настилы выполняются из железобетонных предварительно напряженных ребристых плит шириной 1,5 и 3,0 метра и длиной, равной шагу балок или ферм.
В неутепленных покрытиях по верху плит устраивается цементная стяжка, по которой наклеивают рулонную кровлю.
В утепленных покрытиях в качестве утеплителя применяются малотеплопроводные материалы и устраивается дополнительная пароизоляция. Пароизоляция особенно необходима в покрытиях над помещениями с повышенной влажностью воздуха.
Мелкоразмерные плиты могут быть железобетонными, армоцементными или из армированных легких и ячеистых бетонов.
Рулонные кровли выполняются рубероидными. По верхнему слою рулонных кровель устраивается защитный слой гравия, втопленный в битумную мастику.
Также применяются настилы из листовых материалов.
Одним из таких настилов является стальной оцинкованный профилированный настил, укладываемый на прогонах (при шаге ферм 6 метров) или по решетчатым прогонам (при шаге 12 метров).
Скатные холодные покрытия часто выполняются из асбоцементных волнистых листов усиленного профиля толщиной 8 миллиметров.
Кроме того, применяются листы из волнистого стеклопластика и других синтетических материалов.
Водоотвод с покрытий
Водоотвод продлевает срок эксплуатации здания, предохраняя его от преждевременного старения и разрушения.
Водоотвод с покрытий промышленных зданий может быть наружным и внутренним.
В одноэтажных зданиях наружный водоотвод устраивают неорганизованным, а в многоэтажных – с применением водосточных труб.
Система внутреннего водоотвода состоит из водоприемных воронок и сети расположенных внутри здания труб, отводящих воду в ливневую канализацию (рис. 82).
Рис. 82. Внутренний водоотвод:
а – водоприемная воронка; б – чугунный поддон;
1 – корпус воронки; 2 – крышка; 3 – патрубок; 4 – воротник патрубка; 5 – чугунный поддон; 6 – отверстие для патрубка; 7 – мешковина, пропитанная битумом; 8 – рулонная кровля; 9 – заполнение расплавленным битумом; 10 – железобетонная плита покрытия.
Внутренний водоотвод устраивают:
В многопролетных зданиях с многоскатными крышами;
В зданиях, имеющих большую высоту или значительные перепады высот отдельных пролетов;
в зданиях с большими производственными тепловыделениями, вызывающими подтаивание снега на покрытии.
Полы
Полы в промышленных зданиях выбирают с учетом характера производственных воздействий на них и предъявляемых к ним эксплуатационных требований.
Такими требованиями могут быть: жаростойкость, химическая стойкость, водо- и газонепроницаемость, диэлектричность, неискримость при ударах, повышенная механическая прочность и другие.
Подобрать полы, удовлетворяющие всем необходимым требованиям, иногда бывает невозможно. В таких случаях в пределах одного помещения приходится применять полы различного типа.
Конструкция пола состоит из покрытия (одежды) и подстилающего слоя (подготовки). Кроме того, в конструкцию пола могут входить прослойки различного назначения. Подстилающий слой воспринимает через покрытие передаваемую на полы нагрузку и распределяет ее на основание.
Подстилающие слои бывают жесткие (бетонные, железобетонные, асфальтобетонные) и нежесткие (песчаные, гравийные, щебеночные).
При устройстве полов по междуэтажным перекрытиям основанием служат плиты перекрытий, а подстилающий слой или отсутствует вовсе, или его роль выполняют тепло- и звукоизоляционные слои.
Грунтовые полы применяют в складах и горячих цехах, где они могут подвергаться ударам от падения тяжелых предметов или соприкасаться с раскаленными деталями.
Каменные полы применяют в складах, где возможны значительные ударные нагрузки, или в зонах действия транспорта на гусеничном ходу. Полы эти прочные, но холодные и жесткие. Покрытием таких полов служат обычно брусчатка (рис. 85).
Рис. 85. Каменные полы:
а – булыжные; б – из крупной брусчатки; в – из мелкой брусчатки;
1 – булыжный камень; 2 – песок; 3 – брусчатка; 4 – битумная мастика; 5 – бетон.
Бетонные и цементные полы применяют в помещениях, где пол может подвергаться постоянному увлажнению или действию минеральных масел (рис. 86).
Рис. 86. Бетонные и цементные полы:
1 – бетонная или цементная одежда; 2 – бетонный подстилающий слой.
Асфальтовые и асфальтобетонные полы обладают достаточной прочностью, водостойкостью, водонепроницаемостью, эластичностью, легко ремонтируются (рис. 87). К недостатками асфальтовых полов относят их способность размягчаться при повышении температуры, вследствие чего их не устраивают в горячих цехах. Под действием длительных сосредоточенных нагрузок в них образуются вмятины.
Рис. 87. Асфальтовые и асфальтобетонные полы:
1 – асфальтовая или асфальтобетонная одежда; 2 – бетонный подстилающий слой.
К керамическим полам относятся клинкерные, кирпичные и плиточные полы (рис. 88). Такие полы хорошо сопротивляются действию высокой температуры, стойки против кислот, щелочей и минеральных масел. Их применяют в помещениях, требующих большой чистоты, при отсутствии ударных нагрузок.
Рис. 88. Полы из керамических плиток:
1 – керамическая плитка; 2 – цементный раствор; 3 – бетон.
Металлические полы применяют лишь на отдельных участках, где к полам прикасаются раскаленные предметы и в то же время нужна ровная твердая поверхность и в цехах при сильных ударных нагрузках (рис. 89).
Рис. 89. Металлические полы:
1 – чугунные плитки; 2 – песок; 3 – грунтовое основание.
Так же в промышленных зданиях могут применяться полы дощатые и из синтетических материалов . Применяются такие полы в лабораториях, инженерных корпусах, административных помещениях.
В полах с жестким подстилающим слоем во избежание появления трещин устраивают деформационные швы. Их располагают по линиям деформационных швов здания и в местах сопряжения полов разного типа.
Для прокладки инженерных коммуникаций в полах устраивают каналы.
Примыкание полов к стенам, колоннам и фундаментам станков делают с зазорами для свободной осадки.
В мокрых помещениях для стока жидкостей полам придают рельеф с уклонами по направлению к чугунным или бетонным водоприемникам, которые называются трапами. Трапы соединяют с канализацией. Вдоль стен и колонн необходимо устройство плинтусов и галтелей.
Лестницы
Лестницы промышленных зданий подразделяются на следующие виды:
- основные, применяемые в многоэтажных зданиях для постоянного сообщения между этажами и для эвакуации;
- служебные, ведущие на рабочие площадки и антресоли;
- пожарные наружные , обязательные при высоте здания более 10 метров и предназначенные для подъема на крышу бойцов пожарных команд (рис. 90).
Рис. 90. Пожарная лестница
- аварийные наружные , устраиваемые для эвакуации людей при недостаточном количестве основных лестниц (рис. 91);
Рис. 91. Аварийная лестница
Противопожарные преграды
Классификация зданий и помещений по взрывопожарной и пожарной опасности применяется для установления требования пожарной безопасности, направленных на предотвращение возможности возникновения пожара и обеспечения противопожарной защиты людей и имущества в случае возникновения пожара. По взрывопожарной и пожарной опасности помещения подразделяются на категории А, Б, В1-В4, Г и Д, а здания на категории А, Б, В, Г и Д.
Категории помещений и зданий определяются, исходя из вида находящихся в помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, а также, исходя из объемно-планировочных решений помещений и характеристик проводимых в них технологических процессов.
Противопожарные преграды устраивают с целью предотвратить распространение по зданию огня в случае возникновения пожара. Горизонтальными преградами в многоэтажных зданиях служат несгораемые перекрытия. Вертикальными преградами являются противопожарные стены (брандмауэры).
Брандмауэр предназначается для предотвращения распространения пожара из одного помещения или здания в смежное помещение или здание. Брандмауэры выполняются из несгораемых материалов – камня, бетона или железобетона, и должны иметь предел огнестойкости не менее четырех час. Брандмауэры должны опираться на фундаменты. Брандмауэры делаются на всю высоту здания, разделяя сгораемые и трудносгораемые покрытия, перекрытия, фонари и другие конструкции и должны возвышаться над сгораемыми кровлями не менее чем на 60 сантиметров, а над несгораемыми кровлями на 30 сантиметров. Двери, ворота, окна, крышки люков и другие заполнения проемов в брандмауэрах должны быть несгораемыми с пределом огнестойкости не менее 1,5 часа. Брандмауэры рассчитываются на устойчивость в случае одностороннего обрушения при пожаре перекрытий, покрытий и других конструкций (рис. 92).
Рис. 92. Брандмауэры:
а – в здании с несгораемыми наружными стенами; б – в здании со сгораемыми или трудносгораемыми наружными стенами; 1 – гребень брандмауэра; 2 – торцовый брандмауэр.
Контрольные вопросы
1. Назовите конструктивные схемы промышленных зданий.
2. Назовите основные типы каркасов промышленных зданий.
3. Какие существуют виды стен промышленных зданий?
ЛЕКЦИЯ 8 . КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Теплицы и парники
Теплицы и парники представляют собой застекленные сооружения, в которых искусственно создаются нужные климатические и почвенные условия, позволяющие выращивать ранние овощи, рассаду и цветы.
Здания теплиц строят преимущественно из сборных железобетонных остекленных панелей, скрепленных между собой сваркой закладных деталей.
Конструкция парника состоит из сборных железобетонных рам, устанавливаемых в грунт по длине парника и сборных железобетонных парубней (продольный лежень парника), укладываемых на консоли рам. Съемные остекленные парниковые рамы выполняются деревянными (рис. 94).
Рис. 94. Парник из сборных железобетонных элементов:
1 – железобетонные рамы; 2 – железобетонный парубень северный; 3 – то же, южный;
4 – песок; 5 – питательный слой грунта; 6 – отопительные трубы в слое песка;
7 – остекленная деревянная рама.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маклакова Т. Г., Нанасова С. М. Конструкции гражданских зданий: Учебник. – М.: Издательство АСВ, 2010. – 296 с.
2. Будасов Б. В. , Георгиевский О. В., Каминский В. П. Строительное черчение. Учеб. для вузов / Под общ. ред. О. В. Георгиевского. – М.: Стройиздат, 2002. – 456 с.
3. Ломакин В. А. Основы строительного дела. – М.: Высшая школа, 1976. – 285 с.
4. Красенский В.Е., Федоровский Л.Е. Гражданские, промышленные и сельскохозяйственные здания. – М.: Стройиздат, 1972, – 367 с.
5. Короев Ю. И Черчение для строителей: Учеб. для проф. Учеб. заведений. – 6-е изд., стер. – М.: Высш. шк., Изд. Центр «Академия», 2000ю – 256 с.
6. Чичерин И. И. Общестроительные работы: учебник для нач. проф. Образования. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 416 с.
ЛЕКЦИЯ 6. КОНСТРУКЦИИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
В зависимости от конструктивной схемы и статической работы несущие конструкции покрытий можно разделить на плоскостные (работающие в одной плоскости) и пространственные.
Плоскостные конструкции
К этой группе несущих конструкций относятся балки, фермы, рамы и арки. Они могут выполняться из сборного и монолитного железобетона, а также металлическими или деревянными.
Балки и фермы совместно с колоннами образуют систему поперечных рам, продольная связь между которыми осуществляется плитами покрытия и ветровыми связями.
Наряду со сборными рамами в ряде зданий уникального характера при повышенных нагрузках и больших пролетах применяют монолитные железобетонные или металлические рамы (рис. 48).
Рис. 48. Большепролетные конструкции:
а - рама железобетонная монолитная двухшарнирная.
Для перекрытия пролетов свыше 40 метров целесообразно использовать арочные конструкции. Арки конструктивно можно разделить на двухшарнирные (имеющие шарниры на опорах), трехшарнирные (с шарнирами на опорах и в середине пролета) и бесшарнирные.
Арка работает в основном на сжатие и передает на опоры не только вертикальную нагрузку, но и горизонтальное давление (распор).
По сравнению с балками, фермами и рамами арки имеют меньший вес и экономичнее по расходу материалов. Арки применяются в конструкциях в сочетании со сводами и оболочками.
