Загальна характеристика

Сучасні великопролітні покриття застосовуються в будівлях громадського, спеціального та виробничого призначення. Прольоти таких будівель досягають 50…100м, а в окремих випадках 200м і більше.

Чим обумовлена необхідність використання великих прольотів?

В будівлях громадського призначення застосування великих прольотів зумовлене експлуатаційними та архітектурними вимогами. Це театри, концертні та спортивні зали, криті стадіони, виставочні павільйони, ринки, вокзали, цирки тощо.

В будівлях спеціального призначення великі прольоти необхідні для створення сприятливих умов розміщення та евакуації рухомого транспорту і обладнання. Це ангари, гаражі, тролейбусні парки, електровозні та локомотивні депо тощо.

У виробничих будівлях великі прольоти необхідні для додержання вимог технології складання або ремонту великогабаритних механізмів. Це складальні цехи літакобудівних, суднобудівних, машинобудівних заводів тощо.

За конструктивними ознаками великопролітні покриття поділяються на плоскі та просторові. Плоскі конструкції – це балочні, рамні та арочні конструкції. Просторові – це стержневі плити (перехресно-балочні системи і структури), оболонки, куполи та висячі конструкції. В плані ці покриття мають в більшості прямокутну форму, а також круглу або овальну.

Для великопролітних будівель, як правило, не розробляються типові проекти конструкцій, оскільки вони не є об’єктами масового будівництва, і їх архітектурно-конструктивні рішення індивідуальні.

Основним навантаженням для великопролітного покриття є власна вага. Тому головна задача при проектуванні полягає у зменшенні власної ваги покриття. В таких конструкціях доцільно застосовувати сталі підвищеної міцності, алюмінієві сплави, попередньо-напружені елементи, профнастил, армоцементні, армопінобетонні і армосилікатні плити, стальні та алюмінієві покрівельні плити.

15.2. Великопролітні покриття з плоскими несучими конструкціями

15.2.1. Балочні конструкції покриття

Балочні конструкції застосовують в тих випадках, коли опори не можуть сприймати розпірних зусиль, тобто при опиранні на стіни, кам’яні, залізобетонні колони тощо. Відсутність розпору покриття спрощує конструкцію будівлі. А це є перевагою балочних конструкцій. Балочні конструкції за масою важчі рамних та арочних, але простіші у виготовленні і монтажі. Прольоти балочних конструкцій 50…150м.

Основними елементами балочних покриттів є плоскі або тригранні ферми. Плоскі ферми з’єднуються між собою горизонтальними вертикальними в’язями та прогонами, які забезпечують просторову жорсткість покриття та стійкість окремих елементів ферми.

Рис. 15.1.Балочні покриття: 1- плоскі ферми; 2-тригранні ферми; 3-плити покриття; 4- в’язі покриття; В-крок покриття

У великопролітних покриттях застосовуються наступні плоскі ферми (рис. 15.2): 1) з паралельними поясами; 2) трапецеподібні (односхилі або двосхилі); 3) сегментні; 4) параболічні; 5)трикутні; 6) полігональні.

З точки зору зменшення власної ваги найбільш раціональними є полігональні, сегментні та параболічні ферми, контур поясів яких нагадує епюру згинаючих моментів.

Збільшити проліт до 150м можна за рахунок попереднього напруження ферм з використанням затяжки, тобто створити зворотній до напрямку дії зовнішнього навантаження вигин ферм і таким чином зменшити зусилля в елементах (рис. 15.3).

Схеми решіток ферм можуть бути різними: трикутна, розкісна, ромбічна, напіврозкісна, хрестова, шпренгельна.

1)

2)

3)

4)

Рис. 15.2. Системи плоских ферм великопролітних покриттів

Рис.15.3. Використання затяжок для попереднього напруження ферм

Оскільки висота великопролітних ферм обумовлюється, в основному, вимогами жорсткості, то при дуже великих прольотах раціональними є хрестова і ромбічна решітки, які характеризуються великою жорсткістю.

Велика будівельна висота для забезпечення жорсткості, яка зменшує корисний об’єм будівлі та ускладнює транспортування, – це основний недолік балочних конструкцій.

Висота ферм приймається:

- з паралельними поясами h=(1/8…1/16) l;

- трапецеподібних h=(1/7…1/11) l;

- сегментних h=(1/8…1/12) l.

При проектуванні важких ферм великих прольотів використовуються ті ж основні принципи, що і при проектуванні легких ферм. Основна відмінність полягає в тому, що при великих довжинах і зусиллях стержнів необхідні розвинуті перерізи.

У важких фермах, якими є великопролітні ферми, застосовуються переважно Н- і П- подібні поперечні перерізи, оскільки вони дають змогу проектувати прості з’єднання стержнів у вузлах. Основні перерізи важких ферм наведені на рис. 15.4.

Рис. 15.4. Основні типи перерізів важких ферм

Конструкція проміжних вузлів важких ферм наведена на рис.15.5.

Рис. 15.5 Конструкція проміжного вузла важкої ферми: 1-фігурні фасонки для зменшення концентрації напружень

Кожна з двох фасонок приварюється в стик до полиць двотавра.

15.2.2 Рамні конструкції

В покриттях великих прольотів застосовуються двошарнірні та багатошарнірні рами. Перевага рамних конструкцій полягає в тому, що в ригелях рам при жорсткому з’єднанні з колоною зменшуються витрати металу в порівняно з балочними конструкціями за рахунок розвантаження ригеля вузловими опорними моментами (рис.15.6).

Рис. 15.6. Епюри згинаючих моментів за жорсткого та шарнірного приєднання ригеля до колон

У великопролітних покриттях використовуються рами як суцільного, так і наскрізного перерізів.

Рами суцільного перерізу (рис.15.7) використовуються лише при невеликих прольотах (до 60 м).

Рис. 15.7. Рама суцільного перерізу

Переваги: менша трудомісткість виготовлення порівняно з іншими рамами; кращі транспортні можливості; менша висота будівлі.

Висота ригеля приймається h=(1/30…1/40) l.

Ригелі та колони проектуються зварними двотаврового перерізу і розраховуються як позацентрово стиснуті елементи.

Розрахункова схема суцільної рами приймається за геометричними осями колон і ригеля. Розрахунок рами виконується методом сил або методом переміщень, в результаті чого визначаються M, N і Q для всіх характерних перерізів рами.

Наскрізні рами можуть бути наступних систем:

1) наскрізні двошарнірні рами з шарнірами на рівні фундаментів (рис.15.8)

Рис. 15.8.

Мають найбільше розповсюдження. Проліт=60…120 м. Ширина колон b_k приймається рівною довжині панелі ригеля: b_k=5…7м. В такому випадку погона жорсткість колон перевищує жорсткість ригеля, завдяки чому розвантажуючий вплив опорних моментів стає значним. Найбільший ефект розвантаження наскрізної рами досягається за допомогою попереднього напруження ригеля і колон рами. Висота ригеля приймається:

2) наскрізні двошарнірні рами з шарнірами у вузлах з’єднання ригеля з колоною (рис. 15.9).

Рис. 15.9.

Недолік – відсутність опорних моментів ригеля, а, відповідно, більші витрати сталі;

3) наскрізні безшарнірні рами з колонами, защемленими на рівні фундаментів (рис. 15.10).

Рис. 15.10.

Застосовуються при прольотах 120…150м. Висота ригеля приймається:

Поперечні перерізи стержнів всіх наскрізних рам проектуються аналогічно фермам (див. розділ VIII).

Рамні конструкції сприймають вертикальне навантаження від власної ваги, ваги покрівлі та снігу, навантаження від мостових чи підвісних кранів, а також горизонтальне вітрове навантаження, яке прикладається у вигляді зосередженої сили у вузлі з’єднання ригеля з колоною.

Потужні наскрізні рами (типу важких ферм) розраховуються з урахуванням деформацій всіх стержнів решітки.

15.2.3. Арочні конструкції

Основна перевага арочних конструкцій – мала маса порівняно з балочними та рамними конструкціями. Це пояснюється тим, що арка є розпірною системою і переріз працює в основному на стиск та незначний за величиною згин. Недолік полягає в тому, що арочна конструкція більш деформативна порівняно з рамою, оскільки погонна жорсткість арки менша від погонної жорсткості ригеля рами.

До формули: при однакових моментах інерції арки I_a і ригеля рами І_р довжина дуги арки S більша за проліт ригеля L, а отже і_а<і_р (рис.15.11).

Рис. 15.11.

У зв’язку з цим арочні конструкції застосовуються в тих великопролітних покриттях, де немає динамічних або значних горизонтальних сил – у павільйонах, критих ринках, спортивних залах, ангарах тощо.

Ще один недолік полягає в тому, що порівняно з рамою арка займає більший простір, оскільки в арочних покриттях біля опор є зони, які не можуть повністю використовуватись (важкодоступні зони).

За статичною схемою арки бувають (рис. 15.12): 1) тришарнірними; 2) двошарнірними; 3) безшарнірними.

Доцільність того чи іншого типу арок можна визначити за епюрами моментів (рис. 15.13).

В тришарнірній арці найбільший згинаючий момент виникає на відстані четверті прольоту від опор (епюра 1), а тому вона найбільш важка за масою та складна в конструктивному відношенні і дуже рідко застосовується на практиці.

1)

2)

3)

Рис. 15.12.

Рис. 15.13. Епюри моментів в арках: 1- в тришарнірній; 2- в двошарнірній; 3- в безшарнірній

У безшарнірних арках згинаючі моменти в середині прольоту найменші (епюра 3) і значно зростають на невеликих ділянках біля опор. У зв’язку з цим вони найлегші за масою. Їх доцільно застосовувати при наявності міцних скельних ґрунтів, в протилежному випадку витрати матеріалу на фундаменти при великих опорних згинаючих моментах і розпорі значною мірою перекриють економію матеріалу, одержану за рахунок конструкції арки.

У двошарнірних арках згинаючі моменти (епюра 2) розподіляються вздовж прольоту майже рівномірно і за величиною вони в незначній мірі перевищують прольотні моменти безшарнірної арки. Двошарнірні арки є найбільш економічні за витратою металу, найбільш прості у виготовленні та монтажі, що сприяє найбільш широкому їх застосуванню в практиці.

Основними розмірами арок є проліт l та стріла підйому f (висота). Найвигідніше співвідношення розмірів

При співвідношенні розмірів арки називають пологими, а при - крутими.

При збільшенні висоти арок нормальна сила та розмір зменшуються, а згинаючий момент значно зростає, і навпаки, зменшення висоти підйому арки зумовлює зростання нормальної сили та розпору і зменшення згинаючого моменту. Цьому значною мірою сприяє вітрове навантаження.

Вісь арки приймають схожою на лінію тиску, але найвигідніша – по квадратній параболі чи по колу.

За контуром поясів розрізняють наступні арки (рис.15.14): 1) з паралельними поясами (застосовують найчастіше); 2) серпасті; 3) з переламами поясів.

	1)		2)
	3)

Рис. 15.14.

За конструкцією арки поділяються на арки суцільного та наскрізного перерізів.

Арки суцільного перерізу застосовуються при прольотах до 60м (рис.15.15, а). Висота перерізу h приймається . Перерізи виконуються з прокатного чи зварного двотавра, круглої труби, з двох швелерів або двотаврів, з’єднаних планками (рис.15.15, б).

а)

б)

Рис. 15.15. Арка суцільного перерізу (а) та можливі типи перерізів (б): Н-розпір

Арки наскрізного перерізу застосовуються при прольотах більше 60 м (рис.15.16, а). Наскрізні арки мають меншу жорсткість ніж суцільні, а тому висота їх перерізу приймається більшою: . Схема решітки в основному розкісна і деколи трикутна. Пояси виконуються з кутиків, швелерів, труб і двотаврів (рис.15.16, б).

а)

б)

Рис. 15.16. Арка наскрізного перерізу (а) та можливі типи перерізів (б)

Для великих прольотів з великими зусиллями наскрізні арки проектуються просторовими у вигляді трикутного або чотирикутного поперечного перерізу (рис.15.17).

Рис. 15.17. Трикутний та чотирикутний перерізи просторових наскрізних арок

Вздовж будівлі суцільні чи наскрізні арки розміщуються з кроком м. Між арками розташовуються наскрізні ферми-прогони з кроком 4…7 м, на які вкладаються плити покриття (рис.15.18).

Рис. 15.18. Розміщення арок та ферм-прогонів вздовж будівлі:

1-арки; 2 - ферми-прогони; 3- плити покриття

Навантаження на арки складається з постійного (власної ваги конструкції та покрівлі) та змінних навантажень (снігового і вітрового, схеми яких залежать від відношення . Внутрішні зусилля в перерізах арки М, N, Q визначаються за відомими методами будівельної механіки.

Арки є розпірними системами. Найбільш поширені двошарнірні арки є один раз статично невизначеними, за лишню невідому в яких приймають розпір Н. З достатньою точністю цей розпір від дії рівномірно розподіленого навантаження можна визначити за формулою

Значення M, N, Q в перерізах арки на відстані х від опори визначаються за формулами (рис.15.19):

;

;

,

де Н – розпір від постійного або тимчасового навантаження;

М_б, Q_б - момент і поперечна сила при розгляді арки як балки прольотом l;

y - ордината осі даного перерізу;

α - кут між дотичною до осі арки і горизонталлю.

Рис. 15.19. До визначення зусиль в перерізах арки

За цими зусиллями розраховуються суцільні арки як позацентрово стиснуті елементи. Найбільш несприятливі комбінації М і N знаходяться на відстані (1/4) l від опор в тришарнірних арках, на відстані(1/3) l - в двошарнірних арках і на опорах – в безшарнірних арках.

В наскрізних арках окремі стержні поясів та решітки при вузловому навантаженні працюють на центральний стиск або розтяг. Зусилля в стержнях визначаються, виходячи з того, що М_х та N_х сприймаються поясами арки (розкладаються між поясами), а Q_х сприймається решіткою (рис.15.20).

Рис. 15.20. До визначення зусиль в стержнях наскрізної арки

Зусилля у верхньому поясі .

Зусилля в нижньому поясі .

Зусилля в решітці N_р визначається з умови, що сума проекцій N_р і Q_x на вертикаль рівна нулю (див. рис.15.20).

звідси

де α - кут між лінією дії Q_x (перпендикуляром до осі арки) і вертикаллю; β - кут між віссю стержня решітки і вертикаллю.

За аналогічним принципом визначаються зусилля в інших типах решітки.

Стійкість арки з її площини забезпечується постановкою вертикальних в’язів, які повинні розміщуватись на відстані одна від одної, що не перевищує 16…20 ширин поясу арки.

15.3. Великопролітні просторові конструкції покриття