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.

Архитектурный облик большепролетных зданий в значительной степени определяется их ролью в композиции фрагмента окружающей городской застройки, функциональными особенностями зданий и примененными конструкциями покрытий.

Общественные функции зданий зального типа требуют выделять перед ними значительные свободные пространства различного назначения для: перемещения больших потоков зрителей перед началом или по окончании зрелищ (перед зрелищными или демонстрационными спортивными сооружениями); размещения открытой части экспозиции (перед выставочными павильонами): сезонной торговли (перед крытыми рынками) и т. д. Перед любыми из этих зданий отводят также территории для паркования индивидуальных автомашин. Таким образом, независимо от назначения здания его размещение в застройке дает возможность целостно воспринимать объем сооружения с удаленных точек зрения. Это обстоятельство определяет общие композиционные требования к архитектуре зданий: целостность и монументальность их облика и преимущественно крупный масштаб основных членений объема.

Такую особенность градостроительной роли общественных зданий зального типа часто учитывают в композиции их облика. Вспомогательные и обслуживающие помещения, которые могут быть размещены в отдельных объемах, приблокированных к основному (как, например, во Дворце спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге), по большей части не блокируют, а вписывают в основной объем здания. Для этого вспомогательные и обслуживающие помещения спортивных зданий располагают в нижних этажах или в подтрибунном пространстве, в зданиях крытых рынков и выставочных павильонов - в цокольном и подвальном этажах и т. п.

Характерными примерами реализации подобного объемно-планировочного принципа компоновки здания служат такие внешне различные объекты, как универсальный Олимпийский зал «Дружба» в Лужниках в Москве и здание спортивного центра префектуры Такамацу в Ниигате (Япония).

Зал «Дружба» имеет основной демонстрационный зал вместимостью 1,5-4 тыс. зрителей (при трансформации) с ареной 42X42 м, рассчитанной на 12 видов спорта при оптимальной видимости всех соревнований (предельное удаление 68 м). Зал покрыт пологой сферической оболочкой, опертой на 28 наклонных опор из сборно-монолитных складчатых оболочек двоякой кривизны. Наклонное расположение опор позволило увеличить габариты первого этажа и за счет этого разместить в нем четыре тренировочных зала и четыре спортивные площадки, вписанные в единый центрально-симметричный объем с ярко выраженной тектоничностью архитектурной формы ( ).

Из обоих примеров видно влияние конструктивной формы покрытия на архитектурную форму. И это не случайно, так как конструкция покрытия составляет от 60 до 100% наружных ограждений зданий.

Из числа функциональных параметров на выбор формы покрытия наибольшее влияние оказывают принятые план, вместимость, характер размещения зрительских мест (в спортивных и зрелищных зданиях) и величины пролетов покрытий ( ). В мировой практике для выставочных, многофункциональных зрительных и спортивных залов используют ограниченное число форм планов: прямоугольник, трапецию, овал, круг, многоугольник.

Однако форма плана зала и величины его пролетов не предопределяют однозначно форму покрытия. Большое влияние на ее выбор оказывают не только план, но и обусловленная функциональными особенностями форма здания. Как известно, в демонстрационных спортивных залах вместимость и расположение трибун определяют асимметричную или центрально-симметричную композицию здания, с которой должен быть согласован выбор формы покрытия. С асимметричной формой здания хорошо гармонируют висячие покрытия, с осесимметричной - как сводчатые, так и висячие. Для центричных в плане зданий применимы центричные же конструкции покрытий ( , ).

Окончательный выбор формы покрытия помимо функциональных определяется конструктивными, технологическими, технико-экономическими и архитектурно-художественными требованиями. Согласно последним, конструкция уникального большепролетного здания должна способствовать созданию выразительной тектоничной, индивидуальной, масштабной архитектурной формы. Внедрение пространственных висячих конструкций и конструкций из жестких оболочек дало беспрецедентные и многовариантные архитектурные возможности. Комбинируя различные типы, число, размеры элементарных оболочек, архитектор с помощью конструктора может добиться требуемого масштабного членения формы и индивидуализации ее облика, оригинально разместить проемы верхнего света в покрытии.

Так, например, только для покрытия треугольного в плане помещения могут быть применены пологая оболочка на выпуклом контуре, комбинированное покрытие из четырех треугольных в плане оболочек положительной кривизны, из трех - отрицательной и одной - положительной кривизны и т. д. Одним из наиболее оригинальных по конструкции и выразительных по архитектурной форме является покрытие треугольного в плане выставочного здания в Париже комбинированной оболочкой в виде сомкнутого из трех лотков свода пролетом 206 м. Лотки состоят из двух волнистых оболочек, раскрепленных через каждые три волны диафрагмами жесткости. Использование волнистой формы позволило решить не только чисто конструктивную задачу (достигнуть устойчивости тонкой оболочки), но и обеспечило масштабность композиции этого уникального здания, а традиционная для архитектуры камня система сомкнутого свода получила индивидуальную и остро современную тектоническую трактовку. Столь же индивидуальной и современной оказалась композиционная трактовка железобетонного крестового свода покрытия над квадратным планом здания крытого Олимпийского катка в Гренобле.

Естественно, однако, что в наибольшей степени современный характер архитектуре большепролетных покрытий железобетонными жесткими оболочками придают присущие только им комбинации геометрических форм в виде волнистых куполов и сводов, элементарных или комбинированных фрагментов оболочек с поверхностями отрицательной кривизны или комбинации из оболочек произвольной геометрической формы.

Архитектурно-композиционные возможности висячих систем покрытий непосредственно связаны с их конструктивной формой, возможностями ее индивидуализации и тектоничного выявления в объемной форме здания. В этом отношении наибольшими возможностями обладают висячие покрытия шатрового типа, покрытия на пространственном контуре, а также различные варианты комбинированных висячих систем. В чрезвычайном разнообразии внешнего облика зданий, которое обеспечивает применение висячих покрытий на замкнутом пространственном контуре, можно убедиться, сопоставив такие олимпийские объекты Москвы, как крытый велотрек и спортивный зал в Измайлове. К сожалению, мало способствует индивидуальности внешнего облика здания применение ряда технически наиболее эффективных висячих конструкций, например одно- или двухпоясных систем с горизонтальным кольцевым опорным контуром над круглыми или эллиптическими в плане зданиями. Несущая конструкция с малой стрелой провиса не выявляется во внешней форме здания, а в интерьере обычно бывает скрыта подвесными потолками или осветительными установками. Здания с покрытиями такого типа обычно имеют композицию в виде круглого периптера, антаблемент которого - кольцо опорного контура, а колонны - поддерживающие его стойки (Дворец спорта «Юбилейный» и Олимпийский зал в Санкт-Петербурге, Олимпийский дворец спорта на проспекте Мира в Москве и др.).

Наряду с несущими конструкциями покрытий в композиции зальных общественных зданий значительную роль играют наружные, как правило, ненесущие стены. Образным выражением их ненесущей функции может служить выполнение их с незначительным отклонением от вертикали, придающее зданию характерный силуэт (сужающийся или расширяющийся книзу).

Значительную часть поверхности наружных стен зальных зданий занимают светопрозрачные витражные конструкции. Их композиционные свойства и членения обогащаются при сочетании в конструкции двух-трех светопрозрачных материалов, например профильного и листового стекла.

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.

Федеральное агентство по образованию

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Архитектурно-строительный факультет

И.В. Федорцев, Е.А. Султанова

Технология возведения

конструкций покрытия

большепролетных зданий

(учебное пособие)

Утверждено решением Ученого Совета УГНТУ в качестве

учебного пособия (протокол от _________№ _______)

Рецензенты:

____________________________________________________________________________________________________________________

Федорцев И.В., Султанова Е.А.

Технология возведения конструкций покрытия большепролетных зданий: Учебное пособие / И.В.Федорцев, Е.А. Султанова. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – с. ______

ISBN – 5 – 9492 – 055 – 1.

Учебное пособие «Технология возведения конструкций покрытия большепролетных зданий» разработано в качестве основного учебно-методического руководства для студентов специальности – «Промышленное и гражданское строительство» при изучении специальной дисциплины «Технология возведения зданий и сооружений» (ТВЗС).

Содержит систематизированный материал имеющегося опыта строительства таких большепролетных конструкций как: балочные, рамные, арочные, вантовые, мембранные, структурные плиты, купольные, тентовые и др. Организация и технология монтажных процессов при строительстве этих зданий и сооружений изложена в виде четкого технологического регламента работ, выполняемого в определенной технологической последовательности с достаточной «детализацией» монтажных процессов в виде «технологических карт» и схем механизации работ. Последние могут быть использованы как принципиальные рекомендации для разработки организационно-технологической документации при проектировании проекта производства работ для конкретных объектов.

Определенный интерес представляет изложенный в «Пособии» опыт монтажа арочного покрытия ледового дворца в г. Уфе, метод возведения которого был впервые в практике строительства подобных большепролетных зданий реализован строительно-монтажными подразделениями Башкортостана по проекту и силами ОАО «Востокнефтезаводмонтаж». Пособие содержит по каждому типу конструкций выводы и контрольные вопросы, позволяющие пользователю осуществлять самостоятельную оценку усвоения изложенного в нем материала.

Предназначено для студентов строительных специальностей УГНТУ при изучении курсов ТВЗС, ТВБзд и ТСМР, слушателей ИПК УГНТУ и строительных организаций и подразделений, так или иначе, связанных с вопросами возведения большепролетных зданий и сооружений.

И.В. Федорцев, Е.А. Султанова

ISBN – 5 – 9492 – 055 – 1 УДК 697.3

ВВЕДЕНИЕ

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

Системы, перекрывающие большие пролеты, проектируются чаще всего однопролетными, что вытекает из основного фундаментального требования – отсутствие промежуточных опор.

В промышленном строительстве это, как правило, сборочные цеха судостроительных, авиационных, машиностроительных заводов. В гражданском – выставочные залы, павильоны, концертные залы и спортивные сооружения. Опыт проектирования и строительства большепролетных покрытий показывает, что наиболее сложной задачей их возведения является монтаж конструкций покрытия.

Несущие конструкции покрытий больших пролетов по статической схеме подразделяются на балочные, рамные, арочные, структурные, купольные, складчатые, висячие, комбинированные и сетчатые. Все они выполняются, главным образом, из стали и алюминия, железобетона, дерева, пластмасс и воздухонепроницаемых тканей. Возможности и область применения пространственных конструкций обусловлены их конструктивной схемой и величиной пролета.

При выборе типа здания и сооружения важным, зачастую решающим фактором, является метод их возведения. Это обусловлено тем, что существующие средства механизации и традиционные методы монтажа не всегда пригодны для большепролетных конструкций. Поэтому затраты на строительство таких зданий в значительной мере превышают затраты на возведение типовых традиционных конструкций. Теория и практика строительства большепролетных сооружений у нас в стране и за рубежом показали, что наибольший резерв повышения эффективности такого строительства в современных условиях заключен в совершенствовании организационно-технологических аспектов строительства, монтажной технологичности и архитектурно-конструктивных решений. Под монтажной технологичностью понимается свойство конструкции, определяющее соответствие ее требованиям технологии монтажных работ и позволяющее наиболее просто, с наименьшими затратами труда, времени и средств производства, осуществить их изготовление, транспортировку и монтаж при соблюдении требований безопасности и качества продукции. Примером такого комплексного инженерно-обоснованного организационно-технологического решения монтажа большепролетного здания в «Пособии» является приведенный опыт возведения юбилейного объекта в Башкортостане – ледового дворца «Уфа-арена». Уникальность монтажа арочного покрытия сооружения заключается в предложенной ОАО «Востокнефтезаводмонтаж» оригинальной организации сборочно-монтажных процессов, выполняемых не на земле, как обычно, а на проектных отметках (20м) с последующим «надвигом» полностью укрупненного блока весом более 500т с помощью системы гидродомкратов. Такой метод монтажа, впервые разработанный ОАО ВНЗМ, обеспечил «оптимальные» сроки возведения юбилейного объекта и, главное, позволил имеющимся у подрядчика комплекта тяжелой строительной техники осуществить сборку и монтаж массивных конструкций непосредственно в проектном положении. Использование альтернативного, в этом случае, как вариант, традиционного метода «надвига» потребовал бы привлечения более мощных монтажных кранов (СКГ-160), что в условиях сложившейся инфраструктуры микрорайона города, где строился ледовый дворец, было практически неосуществимо.

Характеристика большепролетных конструкций как совокупность их конструктивных параметров, материала изготовления и габаритных размеров рассматривается ниже согласно следующего типажа этих конструкций, а именно:

Балочные;

Арочные;

Структурные плиты;

Вантовые системы;

Мембранные покрытия;

Тентовые сооружения;

Шатровые покрытия.

1 Классификация большепролетных конструкций

Классификация большепролетных конструкций по типам конструктивных схем покрытия зданий и сооружений приведена в табл. 1, содержащей основные сведения, характеризующие область их применения и диапазон пролетов, перекрываемых этими системами. Краткая аннотация по каждому из типов большепролетных конструкций, дифференцированных по величине пролетов, позволяет систематизировать присущие им преимущества и недостатки и, в конечном итоге, определить возможный «рейтинг» того или иного решения «кровельного» покрытия проектируемого здания.

Балочные покрытия - состоят из главных поперечных пространственных и плоских промежуточных балок конструкций – прогонов. Характеризуются отсутствием распора от конструкции покрытия, что существенно «упрощает» характер работы несущих элементов каркаса и фундаментов. Главный недостаток – большой расход стали и значительная строительная высота самих пролетных конструкций. Поэтому они могут применяться в пролетах до 100 м и, главным образом, в производствах, характеризующихся необходимостью применения тяжелых мостовых кранов.

Рамные покрытия характеризуются по сравнению с балочными меньшей массой, большей жесткостью и меньшей строительной высотой. Могут применяться в зданиях пролетом до 120 м.

Арочные покрытия по статической схеме подразделяются на 2 х, 3 х и бесшарнирные. Они имеют меньшую массу чем балочные и рамные, но более

Возможности применения пространственных конструкций

Таблица 1

сложны в изготовлении и монтаже. Качественная характеристика арок в основном зависит от их высоты и очертания. Оптимальная высота арки – 1/4 …1/6 пролета. Наилучшее очертание, если геометрическая ось совпадает с кривой давления.

Сечения арок делают решетчатыми или сплошными высотой соответственно 1/30 … 1/60 и 1/50 … 1/80 пролета. Арочные покрытия используются при величине пролета до 200 м.

Пространственные покрытия характерны тем, что оси всех несущих элементов не лежат в одной плоскости. Они подразделяются на: купола и оболочки, характеризующиеся как трехмерные несущие конструкции, отличающиеся пространственной работой и состоящие из поверхностей одинарной или двойной кривизны. Под оболочкой понимается структура, форма которой представляет криволинейную поверхность с достаточно малой ее толщиной по сравнению с самой поверхностью. Основное отличие оболочек от сводов состоит в том, что в них возникают и растягивающие и сжимающие усилия.

Ребристые купола состоят из системы плоских ферм, связанных понизу и поверху опорными кольцами. Верхние пояса ферм образуют поверхность вращения (сферическую, параболическую). Такой купол является распорной системой, в которой нижнее кольцо подвергается растяжению, а верхнее – сжатию.

Ребристо-кольцевые купола образуются ребристыми полуарками, опирающимися на нижнее кольцо. Ребра по высоте связывают горизонтальными кольцевыми балками. По несущим ребрам могут быть уложены криволинейные плиты из легкого бетона или стальной настил. Опорное кольцо, как правило, железобетонное и преднапряженное.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями проектируются, главным образом, из металлоконструкций. Введение в систему ребристо-кольцевых элементов диагональных связей позволяет более рационально распределить сжато-растянутые и изгибающие усилия, что обеспечивает малый расход металла и стоимость самого купольного покрытия.

Структурные покрытия применяются для перекрытия больших пролетов промышленного и гражданского назначения. Это пространственно - стержневые системы, отличающиеся тем, что при их формировании появляется возможность применения многократно повторяющихся элементов. Наибольшее распространение получили структуры типа: ЦНИИСК, «Кисловодск», «Берлин», «МАРХИ» и др.

Висячие покрытия (ванты и мембраны ) – основными несущими элементами являются гибкие стальные канаты или тонкостенные листовые металлические конструкции ортогонально растянутые на опорные контуры.

Ванты и мембраны существенно отличаются от традиционных конструкций. К их достоинствам относится: растянутые элементы эффективно используются по всей площади сечения; обеспечивается малая масса несущей конструкции, возведение этих конструкций не требует устройства лесов и подмостей висячих покрытий. Чем больше пролет здания, тем более экономична конструкция покрытия. Однако им присуще и свои недостатки:

Повышенная деформативность покрытия. Для обеспечения жесткости покрытия приходится принимать дополнительные конструктивные решения за счет введения стабилизирующих элементов;

Необходимость устраивать специальную опорную конструкцию в виде опорного контура для восприятия «распора» от вант или мембраны, что увеличивает стоимость покрытия.

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