Последовательность и особенности проектирования структурных плит

Проектирование структурных плит включает следующий ряд вопро­сов, которые инженеру необходимо решить для выбора обоснованного рагдионального решения:

• выбор схемы структурной плиты и выбор условий ее опирания;

• определение генеральных размеров конструкции;

• составление расчетной схемы и статический расчет плиты;

• конструктивный расчет плиты с подбором сечений, проверкой прочности и устойчивости стержней, а также расчетом прочности узлов.

Структурными плитами перекрывают обычно пролеты 18.. .30 м. При выборе схемы плиты приходится учитывать ее назначение, величину пе­рекрываемого пролета, опорных конструкций, конструкции кровли, ус­ловия размещения и характеристики технологического оборудования, возможности изготовления (на специализированных или универсальных заводах металлоконструкций).

- Выбор схемы структурной плиты прежде всего существенно зависит от условий ее опирания. Различают три наиболее часто встречающиеся схемы опирания структурных плит: контурное — при размещении опор по всему контуру (рис. 7.21, а); внутриконтурное — со смещением опор внутрь и образованием консолей (рис. 7.21, б); смешанное опирание, ко­гда опоры располагают не только по контуру, но и внутри него (рис. 7.21, в). Для симметричных по структуре плит, как правило, применяют и сим­метричное расположение опор. Но не исключены и другие схемы разме­щения опор, например смешанное опирание с несимметричным размеще­нием дополнительных опор внутри контура. При относительно больших пролетах структурных плит иногда используют схемы опирания с под­веской на ванты в нескольких внутриконтурных точках (см. рис 7.17). Ванты при этом крепят к пилонам, пропущенным сквозь структурную плиту, либо к тросам-подборам. Это создает некоторые проблемы в оформлении узлов пересечения вант с кровлей, но зато позволяет пере­крывать структурами пролеты 60 м и более.

Металлоемкость структурных плит в значительной мере зависит от условий их опирания. Опоры на контуре целесообразно ставить не реже, чем на расстояний, равном 1/4 пролета. При опирании квадратной плиты только в угловых точках расход металла увеличивается примерно в 2 раза, а прогиб в середине пролета возрастает в 3 раза. Для плит пролетом 18 м вполне допустимо контурное опирание на стойки, размещенные с шагом 6 м. Обычно применяемый вылет консолей плиты составляет ОД... 0,3 пролета, оптимальный вылет консолей квадратной плиты близок к 1/4 пролета.

Кроме описанных выше разрезных и консольных плит применяют н неразрезные структурные плить1. Неразрезность плит позволяет снизать расход металла на 15.. .20% и повысить их жесткость. Но следует иметь ввиду, что неразрезные плиты более чувствительны к различной осадке опор, чем разрезные.

Генеральными размерами структурных плит называют общую шири­ну Д пролет (длину) / и высоту (толщину плиты) h . Важной характеристи­кой является также размер ячейки поясных сеток (стороны основания кристалла) а. Наиболее распространены квадратные плиты с ортогональ­ными ячейками, поясных сеток, и это вполне оправдано тем, что ггро-странственный эффект проявляется полнее всего при отношении l / B = L Весьмаэффективны структурные плиты на гексагональном плане при ис­пользовании треугольных и шестиугольных сеток поясов. При отноше­нии № > 2 прямоугольная плита по своей работе близка к работе линей­ной протяженной конструкдии. Конструкции с таким соотношением сто-

330

рон обычно называют пространственными блоками (например, простран­ственный блок покрытия), хотя по конструктивному решению они могут быть выполнены совершенно аналогично структурным плитам.

Высоту (толщину) структурной плиты выбирают с учетом технологи­ческих требований и по экономическим соображениям. Если нет особых технологических ограничений, связанных с размещением систем обору­дования в пределах покрытия и т. п., то может быть выбрана оптимальная высота по критерию минимальных -приведенных затрат, минимальной стоимости или минимума затрат металла. Первый из критериев наиболее предпочтителен, так как он позволяет учесть эксплуатационные затраты.

Так, оптимальная высота для разрезных структурных плит системы «МАрхИ» для средней полосы России и районов Урала и Сибири состав­ляет 1/14... 1 /16 пролета и с ростом пролета она уменьшается. При выборе высоты проверяют также минимально необходимое ее значение по требо­ваниям жесткости. Нормативное требование к жесткости связано с проги­бом плиты в середине пролета, который можно найти лишь после назна­чения всех параметров, в том числе и сечений стержней. Приближенное значение минимально необходимой высоты может быть найдено по фор­муле, аналогичной тем, что используются для отыскания минимальной требуемой высоты балочных конструкций [4]:

Окончательное значение высоты плиты выбирают из области, ограни­ченной указанными выше значениями. Практика гпзоектирования показы­вает, что иногда оптимальная высота (найденная без учета ограничения по жесткости) оказывается меньше минимально необходимой по требовани­ям жесткости и тогда последняя рассматривается как определяющая. В конструктивных решениях, где за основу принят стержень унифи­цированной длины, высота структуры и размер ячейки взаимосвязаны, поскольку все размеры определены конструкцией кристалла и стандарт­ной длиной стержня. Так, в структурных плитах «МАрхИ» при длине стержня, примерно равной 3 м, высота структуры равна 2,12 м.

В тех случаях, когда размер ячейки подлежит выбору, приходится учитывать целый ряд факторов: размеры плит ограждения, транспортные габариты (например, при перевозке пирамид), модульность размеров, кратность пролета размеру ячейки. Наиболее приемлемым размером ячейки поясных сеток для плит пролетом до 36 м является 3 м.

После выбора размеров плиты составляют расчетную схему, уточня­ют нагрузки и выполняют статический расчет, особенности которого рас­смотрены выше. Предполагается, как уже было сказано, шарнирное со­пряжение элементов в узлах и узловое приложение нагрузки. Таким обра­зом, стержни структурной плиты работают на центральное растяжение или сжатие. Небольшие изгибающие моменты, возникающие в стержнях структуры от их частичного защемления в узлах или внецентренности со­единений, как правило, не учитывают. Расчетные длины стержней в структурах обычно одинаковы при проверке устойчивости относительно обеих главных осей сечения, поэтому здесь рациональны равноустойчи-вые круглые или квадратные трубчатые тонкостенные сечения. В струк­турах, заведомо рассчитанных на применение более дешевых птюкатных профилей, выбор их определяется конструкцией узлов.

Проверку прочности и устойчивости стержней выполняют в соответ­ствии с действующими нормами проектирования. Расчетные длины эле­ментов структур приведены в табл. П 6.3. Узлы структурных плит и обо­лочек рассматривают как пространственные шарниры, поэтому расчет­ные длины стержней равны их геометрической длине или близки к ней. В случае непосредственного опирания профилированного кровельного на­стила на пояса структур и прикрепления настила к поясам, расчетная дли­на поясных стержней может быть уменьшена вдвое. Но при этом необхо­димо рассчитать пояс не только на продольные усилия, но и на местный изгиб. В некоторых конструктивных решениях используют кровельные панели, ширина которых меньше расстояния между узлами поясной сет­ки и на пояса передаются местные сосредоточенные нагрузки. Проверка на одновременное воздействие продольных усилий и местного изгиба здесь также необходима.

Кроме проверки устойчивости и прочности стержней вьшоляяют проверку по предельной гибкости,

19. Большепролетные плоские конструкции, особенности конструкции, узловых соединений и расчета .

Общие положения

Большепролетными покрытиями зданий принято считать покрытия, пролет кото­рых превышает 42 м. Большие пролеты имеют здания общественного назначения, где скапливается большое количество людей, например стадионы, спортивные залы и ма­нежи, концертные и театральные залы, выставочные павильоны, крытые рынки, вок­залы, и здания промышленного назначения, где основной технологический объект

имеет крупные габариты или для его эксплуатации требуется большое свободное про­странство, например судостроительные эллинги, авиасборочные цеха, эксперимен­тально-лабораторные корпуса, ангары, гаражи, троллейбусные парки.

Приведенный перечень зданий свидетельствует о том, что требования к несущим конструкциям большепролетных покрытий должны существенно зависеть от назначе­ния здания. Например, для общественных зданий, располагаемых обычно в централь­ной насти города, доминируют архитектурно-композиционные требования. Подобные

здания, являясь крупными градостроительными объектами, определяют архитектур­ный облик городского района или целого города. Специфичны и требования к интерь­еру этих зданий, обеспечивающему необходимый комфорт, а также рациональность и безопасность эксплуатации.

В большепролетных зданиях промышленного назначения основные требонания к несущим конструкциям определяются технологией производства и экономическими

соображениями.

Общее свойство большепролетных зданий заключается в их уникальности. Они не являются объектами массового строительства, что допускает применение для них ин­дивидуальных архитектурных и конструктивных решений. Однако и для этого класса сооружений целесообразно использовать унифицированные стандартные элементы и модульную систему, если это не противоречит основным требованиям к ним.

Разнообразие функционального назначения большепролетных зданий обусловило применение в их несущих каркасах практически всех видов конструктивных систем: балочных, рамных, арочных, преднапряженных, комбинированных и пр. Выбор кон­структивного решения в каждом конкретном случае делается на основе вариантного проектирования, сравнения технико-экономических показателей, оценки архитектур­но-композиционных достоинств вариантов в целях выбора оптимального решения.

Для значительной части большепролетных покрытий основной нагрузкой является

собственная масса несущих и ограждающих конструкций. Применение высокопрочных и легких конструкционных материалов дает большую экономию в силу эффекта обрат­ной связи. Снижение собственной массы конструкции уменьшает усилия в ее элемен- тах и, как следствие, материалоемкость, что, в свою очередь, снижает нагрузку от ее веса и дополнительно уменьшает материалоемкость.

Весьма эффективно использование сталей повышенной и высокой прочности, алю­миниевых сплавов, применение предварительного напряжения, использование конст­руктивных систем с максимальным числом растянутых элементов, мембранных покры­тий и т.п. Для ограждающих конструкций рационально применение профилированных

настилов из сталей и алюминиевых сплавов, пенопластов, стеклопоров, минеральной ваты и других легких утеплителей.

В разделе II данного учебника в качестве фундаментального принципа конструктив­ного анализа каркаса одноэтажного промышленного здания принято представление его в виде ряда плоских рам, соединенных между собой продольными элементами и системой связей. Если аналогичным образом компонуется каркас большепролетного здания, то он называется каркасом с плоскими несущими конструкциями. При этом ос­новные плоские элементы могут быть балочного, рамного, арочного, висячего типа и т.п. Они могут располагаться в ряд либо радиально в зависимости от формы здания в плане. Если элементы каркаса различного направления равнозначны в обеспечении его несущей способности или континуальны по различным направлениям, то они называ­ются прсктранственными несущими конструкциями', к ним относятся структурные пли­ты, сетчатые своды-оболочки и купола, мембраны и др.

Балочные конструкции

В балочных несущих конструкциях большепролетных покрытий основные элементы работают на изгиб (балки, фермы) и имеют простые шарнирные опоры. Они не созда­ют распора и практически не чувствительны к температурным изменениям. Монтаж опорных и монтаж пролетных конструкций помимо соблюдения естественной после­довательности могут быть не связаны между собой, что создает определенные удобства в организации и технологии производства работ, в частности при реконструкции зда­ний (конвейерный метод монтажа надвижкой).

Отсутствие опорных моментов, которые в рамных системах приводят к разгрузке ригеля в пролете, в балочных конструкциях обусловливает повышенный расход метал­ла, что является главным недостатком этих систем. Однако применение современных приемов, повышающих эффективность изгибаемых элементов (использование предва­рительного напряжения, применение сталей повышенной прочности, грунтосварных тонкостенных профилей, включение ограждающих конструкций в работу основных несущих элементов и т.п.), часто делает их конкурентоспособными по отношению к другим конструктивным формам при пролетах до 70—80 м.

Чаще всего балочные системы применяют в тех случаях, когда горизонтальные на­грузки, действующие на здание (например, ветровые) можно передать на вспомогатель­ные конструкции. В зданиях спортивного назначения с этой целью могут быть использо­ваны конструкции трибун, а при расширении производственных зданий или ангаров — существующие рядом здания, технологические этажерки, бытовые пристройки и т.д.

Рамные конструкции

18.3 Л. Типы рам и компоновка каркасов, В перекрытиях зданий больших пролетов

обычно применяют двухшарнирные и бесшарнирные рамы (рис 18.5). По сравнению с балочными системами рамные более экономичны по расходу металла и обладают боль­шей жесткостью. Это объясняется уменьшением изгибающего момента в средней части ригеля из-за разгружающего действия опорных моментов. При этом увеличение момен­та в стойках рамы не приводит к их существенному утяжелению из-за относительно небольшой высоты.

Бесшарнирные рамы более экономичны и жестки, чем двухшарнирные, однако тре­буют массивных и дорогах фундаментов для восприятии опорных моментов, а также обладают большей чувствительностью к изменениям температуры и осадке опор из-за более высокой степени статической неопределимости.

Для облегчения фундаментов двухшарнирной рамы распор ее можно воспринять с помощью затяжки, уложенной ниже нулевой отметки в специальный короб. С помо­щью предварительного напряжения затяжки можно осуществить дополнительную раз­грузку ригеля в пролете. Если по каким-либо причинам устройство затяжки невозмож­но или нерационально, то дополнительный разфужаюший момент можно получить, например, путем подвески стенового ограждения к стойке рамы (рис. 18.6, а), создания опорной консоли (рис. 18.6, б) или горизонтального смещения стоек рамы внутрь про­лета (рис. 18.6, е). В последнем случае для облегчения перемещения опорная плита имеет наклонную поверхность.

Рамы большепролетных зданий могут быть либо сплошного, как правило двутавро­вого или коробчатого сечения, либо сквозные. При сплошном сечении рамы более технологичны в изготовлении и более надежны в эксплуатации, особенно при низких температурах, и обладают меньшими габаритами сечения, что улучшает их транспорта­бельность, а также эксплуатационные качества (повышение коррозионной стойкости, уменьшение высоты отапливаемого помещения).

онтажа и их эксплуатации.

18.3.2» Особенности расчета и конструирования. В силу уникальности большепролет­ных зданий выбор окончательного архитектурно-конструктивного решения делается на

основе вариантного проектирования. На этом этапе допускается принимать упрощен­ные расчетные схемы конструкций и использовать приближенные методы расчета. Важ­но при этом соблюдать одинаковую степень приближения для обеспечения корректно­сти сопоставления вариантов. Результаты приближенных расчетов служат также осно­вой для назначения некоторых исходных данных в уточненных расчетах окончательного варианта: положения геометрических осей и габаритов конструктивных элементов, со­отношения жесткостей элементов в статически неопределимых конструкциях, величии постоянных нагрузок и т.п.

В упрощенном статическом расчете сквозной рамы допускается предстаатать ригель и стойки в виде стержней с эквивалентной жесткостью. В уточненном расчете сквозную раму рационально рассчитывать как стержневую систему с максимально точным учетом усло­вий сопряжения элементов между собой. При этом следует использовать современную вы­числительную технику для реализации наиболее точных методов строительной механики.

При подсчете нагрузок на раму собственная масса конструкций, крановые и другие технологические нагрузки определяются аналогично изложенному в разделе II. Нагруз­ки от ветра и снега существенно зависят от конфигурации здания и его габаритных

размеров, которые нередко для большепролетных зданий являются индивидуальными. Для упрощенных расчетов можно использовать нормативную или научную литературу по этим нагрузкам у выбирая наиболее близкие аналоги конфигурации зданий.

Для уточненных расчетов часто приходится делать специальные экспериментальные исследования с целью определения этих нагрузок.

Ввиду значительных размеров большепролетных зданий весьма существенными бу­дут усилия и перемещения в каркасе от температурных воздействий. Поэтому, как пра­вило, требуется производить температурный расчет для обеспечения прочности карка­са здания и грамотного проектирования устройств, обеспечивающих температурные перемещения несущих и ограждающих конструкций (деформационные швы, подвиж­ные опоры и т. п.).

Расчеты статически неопределимых систем следует сопровождать подбором сечений элементов с последующей корректировкой жесткостей в статическом расчете. При этом дополнительные ограничения по перемещениям конструкций (второе предельное со­стояние) и предельной гибкости элементов обеспечат сходимость итерационного про­цесса расчета. Известно, что без этих ограничений статически неопределимые системы вырождаются в статически определимые¹.

Арочные конструкции

18.4.1. Типы арок и компоновка арочных покрытий* Арочные покрытия чаще исполь­зуются в зданиях гражданского назначения: павильонах, крытых рынках, спортзалах и .п. Иногда их применяют в ангарах и гаражах, где отсутствует тяжелое крановое обору­дование.

Конструктивную форму арки можно представить как модификацию рамной конст­рукции, при которой ее продольная ось приближается к кривой давления, в результате

чего резко снижается доля изгибающего момента в работе конструкции, что приводит

к экономии металла. Однако при этом усложняется геометрическая форма покрытия, образуются неиспользуемые габариты помещения. Арочные системы становятся суще­ственно экономичнее рамных, начиная с пролетов 80 м и более.

В большепролетных покрытиях чаше всего встречаются однопролетные арки. По ста­тической схеме они могут бытьтрехшарнирными, двухшарнирными и бесшарнирными (рис. 18.13).

Трехшарнирные арки в силу статической определимости не чувствительны к пере­мещениям опор и температурным изменениям. Однако наличие конькового шарнира усложняет конструкцию арки и требует выполнения мероприятий, обеспечивающих герметичность кровли над шарниром, без стеснения взаимного поворота полуарок. Трех­шарнирные арки по сравнению с другими типами наиболее деформативны и имеют

повышенный расход металла.

Бесшарнирные арки обладают в определенном смысле противоположными каче­ствами. Это трижды статически неопределимая система, максимально реагирующая на перемещения опор и изменение температуры и требующая массивных фундаментов для восприятия опорных моментов. С другой стороны, бесшарнирные арки обладают наибольшей жесткостью и наилучшим распределением изгибающих моментов по дли­не, что обеспечивает снижение расхода металла на арку. Однако это не всегда приводит к общей экономии из-за повышенной стоимости фундаментов, особенно при слабых грунтах. Отсутствие конькового шарнира упрощает и делает более надежной конструк­цию кровли.

Очертание оси арок зависит от многих факторов: функционального назначения зда­ния, его габаритных размеров, действующих нагрузок, технологических условий изго­товления и монтажа и т.п. По возможности ось арки следует приближать к кривой дав­ления, зависящей от вида нагрузки. Однако такое решение не является однозначным, так как на практике конструкции испытывают различные виды нагрузок (постоянная, ветровая, снеговая и т.п.).

Для пологих арок (///5 1/10) при преимущественном значении равномерно рас­пределенной нагрузки наиболее выгодным является очертание арки по квадратной па­раболе. Для упрощения изготовления и монтажа параболу часто заменяют дугой окруж­ности, что не оказывает существенного влияния на работу арки.

Конструктивные особенности арок. Арки, так же как балки и рамы, могут быть сплошностенчатыми и сквозными, с параллельными поясами и переменного се­чения по длине (рис. 18.21).

Арки с параллельными поясами (рис. 18.21, а) более технологичны при изготовле­нии, имеют максимальное число типовых элементов и вполне приемлемы с эстетичес­кой точки зрения. Поэтому такой тип арок наиболее распространен. Арки с ломаным верхним поясом (рис. 18.21, б) позволяют устройство вертикальных стеновых витра­жей, однако в местах перелома пояса возникают большие изгибающие моменты, что утяжеляет арку. Серповидная форма (рис. 18.21, в) не отвечает характеру изменения усилий по ее длине и применяется, как правило, из архитектурных соображений.

Сплошностенчатые арки выгодны при малых изгибающих моментах и больших нор­мальных силах. Поперечное сечение таких арок обычно двутавровое либо коробчатое. По сравнению с балочными профилями эти арки имеют утолщенную стенку из-за меньшего влияния изгибающих моментов. Сплошностенчатые арки более технологич­ны в изготовлении по сравнению со сквозными арками, допускают применение авто­матической сварки, обладают меньшей концентрацией напряжений и, следовательно, повышенной выносливостью и хладостойкостью. Они также имеют повышенную дол­говечность и требуют меньших расходов по эксплуатации. Высота сечения сплошных арок назначается в пределах ¹ /$ q— ¹/т пролета, сквозных — %)—Veo пролета.

Сквозные арки целесообразно проектировать при относительно небольших нагруз­ках и больших пролетах. Конструкции их аналогичны легким фермам. Пояса арок ком­понуются из уголков, тавров, легких швеллеров. При больших пролетах рационально использовать прокатные или составные двутавры.

Решетка арок относительно слабо нагружена. Элементы ее компонуются либо из уголков, либо из небольших швеллеров.

.3. Особенности расчета арок. Расчет нагрузок. При расчете арок учитываются постоянные (собственная масса арок, прогонов, связей, элементов покрытия) и вре­менные (снег, ветер, технологическое оборудование и др.) нагрузки. При подсчете вер­тикальных нагрузок (собственная масса, снег) следует учитывать переменный угол на-' клона касательной к арке относительно горизонтали а. Тогда нагрузка на погонный метр пролета арки q = qofcosa , где q $ — интенсивность нагрузки на наклонной повер­хности арки.

Для снеговой нагрузки следует также учитывать неравномерность ее распределения на поверхности криволинейного покрытия (СНиП 2.01.07—85* Нагрузки и воздей­ствия [61).

Наибольший интерес представляет ветровая нагрузка на арочное покрытие. В нормах характер ее распределения определяется аэродинамическим коэффициентом с„ знак и величина которого существенно зависят от конфигурации и соотношений размеров здания. При наличии вертикальных стен и пологой арки на всей поверхности покрытия действует отсос (рис. 18.26, а). При отсутствии вертикальных стен с наветренной сторо­ны арки появляется участок с положительным давлением (рис. 18.26, б). С подветрен­ной стороны величина отсоса резко снижается. Ветровая нагрузка на покрытие действу­ет перпендикулярно поверхности покрытия. На рис. 18.26 эпюры ветровых давлений имеют условный характер, позволяющий значительно упростить расчет арки.

В отдельных случаях для особо ответственных арочных покрытий эпюры ветровых нагрузок определяются путем аэродинамических испытаний на моделях.

На величину ветрового давления существенное влияние оказывают открытые про­емы в покрытии и стенах, оставляемые, например, для освещения и вентиляции внут­реннего пространства. Если суммарная их площадь с наветренной стороны превышает площадь проемов с подветренной стороны, то внутри помещения создается избыточ­ное давление, в противном случае возникает вакуум. Вакуум образуется также в случае полностью или частично открытых торцов здания при направлении ветра параллельно торцам. Таким образом, при расчете арочного покрытия необходимо рассмотреть все

возможные варианты ветрового воздействия.

Определение усилий и проверка общей устойчивости. При определении усилий в эле­ментах арочного покрытия (арки, прогоны и т. п.) их обычно рассматривают как стер­жневые элементы и применяют известные методы строительной механики. Уточненные расчеты, как правило, делают с помощью ЭВМ.

Наибольшие усилия в элементах арочного покрытия определяются путем составле­ния расчетных комбинаций усилий от различных нагрузок и воздействий (постоянная нагрузка, ветер, снег, температурные воздействия и т.д.). При этом необходимо ис­пользовать соответствующие коэффициенты сочетаний у (см. подразд. 2.2 и 2.3).

Усилия в поясах сквозных арок N_lt можно определить по упрощенной формуле

Расчет опорных шарниров. Работа элемен­тов плиточных шарниров (см. рис. 18.24, а, 18.25, а) аналогична работе тангенциальных опор балок, рассмотренных в подразд. 7.5 (см. рис. 7.31, cr), поэтому для их расчета можно использовать формулы (7.65)—(7.68).через плотно пригнанные поверхности балансира и цапфы. При этом распределение контактных напряжений весьма неравномерное (см. рис. 18.24, в).

Полагая приближенно, что это распределение происходит по закону косинуса, и ограничивая в запас прочности длину распределения углом я/2, из условия равнове­сия можно получить значение наибольшего контактного напряжения