Арочные большепролетные конструкции. Их достоинства и недостатки. Нагрузки, действующие на арочные конструкции. Основы расчета и конструирования арочных конструкций

Арки применяются в павильонах, крытых рынках, ангарах, спортивных залах и т.п.

По затрате металла арки оказываются значительно выгоднее, чем балочные и рамные системы. Кроме того арки просты в изготовлении и монтаже.

Двухшарнирные арки (рис.1) могут легко деформироваться вследствие свободного поворота в шарнирах, и, благодаря этому, в них не возникает существенное увеличение напряжений от температурных воздействий и осадок опор.

Трехшарнирные арки (рис.2) не имеют особых преимуществ по сравнению с двухшарнирными, поскольку их статическая определимость при достаточной деформативности арочных конструкций существенного значения не имеет.

Наличие ключевого шарнира усложняет конструкцию арок и устройство кровельного покрытия.

Бесшарнирные арки (рис. 3) имеют наиболее благоприятное распределение изгибающих моментов по пролету и поэтому оказываются самыми легкими; однако они требуют массивных опор и их приходится рассчитывать на температурные воздействия.

При наличии затяжки опоры воспринимают (в основном) вертикальные нагрузки и поэтому получаются более легкими.

Затяжка может одновременно использоваться для устройства подвесного потолка и для создания предварительного напряжения в арках.

Очертание арок выбирается близким к линии давления. При симметричной, равномерно распределенной по хорде арки нагрузке (в пологих арках ) наиболее выгодным является очертание арки по квадратной параболе. Параболу часто заменяют дугой окружности, что в пологих арках не приводит к существенному изменению усилий, но значительно упрощается проектирование и изготовление арок, поскольку при постоянной кривизне дуги достигается наибольшая стандартизация конструктивных элементов и узлов арки.

Для высоких арок с большим собственным весом целесообразно принимать очертание по цепной линии (катеноиду), Однако в высоких арках большие усилия вызывает ветровая нагрузка, которая может действовать с обеих сторон и давать две резко расходящиеся линии давления. В этом случае очертание арки целесообразно принимать по середине между двумя крайними линиями давления.

В многопролетных арках распоры смежных пролетов в значительной мере уравновешиваются, и средние опоры работают на изгиб только от односторонней временной вертикальной и ветровой нагрузок.

Двухшарнирные сплошные арки проектируют чаще всего с параллельными поясами (рис. 4)

Сквозные арки делают или с параллельными поясами или, при большой высоте арки, с переломом наружного пояса, который над опорами имеет вертикальные участки (Рис. 5) Около опор пояса арок сближаются и заканчиваются опорным устройством – шарниром.

Высоту сечения сплошных арок назначают в пределах (1/50÷1/80) пролета, сквозных – в пределах (1/30÷1/60) пролета. Возможность применения в арках небольшой высоты сечения объясняется малой величиной изгибающих моментов.

Сплошные арки проектируются сварными с сечением в виде широкополочного двутавра (как и в сплошных рамах), в пологих арках продольные силы велики, поэтому стенку поперечного сечения арки можно назначать большей толщины, чем в раме.

Сквозные арки проектируются аналогично легким фермам. Пояса их компонуются из двух уголков или из двух легких швеллеров.

При больших усилиях применяются двухстенчатые сечения. Если кривая давления не выходит за пределы высоты сечения, то оба пояса оказываются сжатыми и тогда особое внимание необходимо обратить на обеспечение устойчивости. Сечения элементов, поскольку поперечная сила мала, подбирают по гибкости из уголков или из небольших швеллеров. Криволинейное очертание сплошных арок усложняет их изготовление.

Сквозные арки в целях упрощения изготовления могут иметь ломаное очертание. В арках применяется также предварительное напряжение или регулирование усилий.

Одним из приемов рационального распределения усилий является принудительное смещение опорных узлов наружу после установки арки на опоры. При этом в нижнем поясе и раскосах арки возникает растягивающие напряжения, которые могут быть достаточными для погашения сжимающих напряжений от внешней нагрузки. В этом случае нижний пояс и решетка арки могут быть выполнены из стальных канатов, а верхний пояс – жестким.

Наиболее сложными конструктивными узлами в арках, так же как и в рамах, являются опорные и ключевые шарниры.

Опорные шарниры могут быть трех типов: плиточные, пятниковые и балансирные.

Плиточные шарнирыимеют наиболее простую конструкцию. Применяются они при сравнительно небольших опорных давлениях и преимущественно при вертикальном положении примыкающей к шарниру части арки.

Пятниковые шарниры имеют специальное опорное гнездо – пятник, в который вставляется закругленная опорная часть арки. Пятник делают литым или сварным из листовой стали.

Балансирные шарниры применяют в тяжелых арках. Конструкция шарнира состоит из верхнего и нижнего балансиров, в гнезда которых укладывают плотно пригнанную цилиндрическую цапфу. Арку крепят к верхнему балансиру через плиту, которую приваривают к контуру опорного сечения арки и притягивают болтами к балансиру. Торцы опорных сечений арки обычно фрезеруют.

Для восприятия отрицательных реакций от действия ветра может появиться необходимость крепления легких и высоких арок к опорам анкерными болтами. Анкерные болты следует располагать по оси арки, чтобы они не мешали свободному повороту конструкции в опорных шарнирах, закрепляют анкеры в консолях, приваренных к стенке арки (см. плиточный шарнир).

В ключе арки также могут быть применены плиточные или балансирные шарниры (рис.7а, б), которые проектируются аналогично опорным. В ключе легких арок могут применяться листовые (рис.7в) или болтовые (рис.7г) шарниры.

Арочные конструкции рассчитывают на вертикальные (собственный вес, снег) и ветровые нагрузки. Температурные воздействия для арок обычно несущественны. Вертикальные нагрузки относят к основным сочетаниям нагрузок, ветровые и температурные воздействия – к дополнительным, величина которых при определении расчетного усилия принимается с коэффициентом сочетания n_c = 0,9.

Существенной нагрузкой для арочных конструкций является давление ветра. Ветровая нагрузка для арочных покрытий, не имеющих стен, принимается по упрощенной схеме.

Расчетный коэффициент обтекания имеет положительное значение только в первой четверти дуги арки с наветренной стороны; в средней части дуги коэффициент обтекания имеет max по абсолютной величине отрицательное значение (отсос) и в последней четверти величина его резко падает, сохраняя отрицательное значение.

Ветровое давление считается приложенным нормально к поверхности арочного покрытия. Отрицательные ветровые усилия в высоких арках при малом собственном весе арки могут вызвать отрицательные опорные реакции.

На величину ветрового давления существенное влияние оказывают открытые проемы. При открытых торцах арочных покрытий ветер направленный параллельно торцам, обтекает сооружение с двух сторон, и внутри образуется вакуум, увеличивающий положительное давление на арки и уменьшающий отсос.

Для покрытий, торцы которых могут быть открытыми (навесы, вокзальные перекрытия и т.п.) необходимо учитывать возможные комбинации трех видов ветровых нагрузок:

1) бокового или торцового давления ветра на сооружение;

2) вакуума, создаваемого вследствие отсоса воздуха из-под арочного покрытия;

3) действия ветра внутри сооружения, который попадает под покрытие через широкие проемы и создает отрицательное давление.

Последние два вида нагрузок не нормированы и устанавливаются специальными техническими условиями для данного сооружения или на основе аэродинамических испытаний на моделях.

Конструкции арочных покрытий при расчете расчленяют на отдельные элементы (арки, прогоны и т.п.) и рассчитывают методами строительной механики (определяют M, Q, N).

Сечения стержней сквозных арок подбирают так же, как сечения стержней ферм. Арка как криволинейный сжатый брус требует проверки устойчивости.