Загальна характеристика. Розглянуті вище балочні, рамні та арочні системи складаються з окремих плоских несучих конструкцій, які з’єднанні між собою легкими в’язями

Розглянуті вище балочні, рамні та арочні системи складаються з окремих плоских несучих конструкцій, які з’єднанні між собою легкими в’язями. Ці в’язі забезпечують лише загальну жорсткість покриття та стійкість окремих елементів і не призначені для сприймання та перерозподілу навантаження між несучими конструкціями. Зовнішнє навантаження передається на опори лише в одному напрямку – вздовж несучої конструкції. В просторових конструкціях несучі елементи розміщені не в одному, а в декількох напрямках, одночасно виконуючи функції в’язів.

Якщо в плоских конструкціях використовується принцип концентрації матеріалу в основних несучих елементах, то в просторових конструкціях він замінений принципом багатов’язності системи. Внаслідок цього конструктивна форма просторових систем суттєво відрізняється від звичайних плоских. Прикладене до просторових конструкцій навантаження передається на опори не в одному, як в плоских, а в декількох напрямках.

Просторовими можна назвати такі покриття, в яких осі всіх несучих елементів не лежать в одній площині.

Просторові конструкції поділяють на наступні основні групи (рис.15.20): 1) стержневі плити; 2) оболонки (циліндричні оболонки); 3) куполи (оболонки двоякої кривизни); 4) висячі покриття; 5) складки.

	1)		2)		3)

Рис. 15.20. Основні групи просторових покриттів

Загальна перевага просторових конструкцій перед плоскими – як правило, менші витрати металу внаслідок його перерозподілу між усіма елементами (відсутня концентрація матеріалу).

Загальний недолік – підвищення трудомісткості та необхідність спеціальних прийомів виготовлення і монтажу, що є однією з причин обмеженого застосування просторових конструкцій.

15.3.2. Структурні та перехресно-балочні системи покриття

(стержневі плити)

А. Конструктивні рішення.

За принципом утворення стержневі плити поділяють на два типи:

1) перехресно-балочні системи, які утворюються в результаті перетину ферм двох або трьох напрямків (рис. 15.21);

Рис. 15.21. Перехресно-балочні системи

2) структурні конструкції.

Це сітчасті системи регулярної будови, які називаються структурними конструкціями або просто структурами. Завдяки своїм хорошим архітектурно–естетичним властивостям структури знайшли достатньо широке використання у великопролітних покриттях будівель громадського та виробничого призначення.

Конструктивною особливістю структур є багаторазове повторення елементів. У кожній структурі можна виділити свій об’ємний елемент (кристал), що багато разів повторюється і побудова якого обґрунтована законами кристалографії. Це можуть бути (рис.15.22): 1) тетраедри; 2) пентаедри; 3) гептаедри.

	1)		2)		3)

Рис. 15.22. Об’ємні елементи структур

Об’єднуючи ці об’ємні елементи, отримують структуру, яка має регулярну будову (рис.15.23).

Рис.15.23. Регулярна будова структури

В усіх випадках стержні утворюють верхню та нижню поясні сітки, які з’єднані між собою решіткою. Тому структури являють собою двосітчасті системи. Найбільш розповсюдженим і простим геометричним типом структури є структура з поясними сітками, які мають квадратні комірки, тобто складена з пентаедрів (рис. 15.24).

Невеликі розміри комірок верхнього поясу (S=2…3м) дозволяють застосовувати в структурах легкі будівельні настили без використання прогонів.

Структурами можна перекривати приміщення квадратного, прямокутного, трикутного чи криволінійного обрису в плані. Найбільш простими та легкими є структури при квадратному плані.

Структури можуть бути як одно- так і багатопролітними нерозрізними. Прольоти 60…80м. Опирання виконується на стіни або окремо стоячі колони з розвинутими капітелями. Зменшити згинаючі моменти та полегшити структуру можна влаштуванням консольних звисань за лінією опор (рис.15.25).

Рис..15.24. Структура з пентраедрів в плані:

1- верхня поясна сітка;

2-нижня поясна сітка;

3-решітка

Рис. 15.25. Опирання структур на колони:

1-структура; 2- колони або інші опори

Можливість довільного розміщення опор дозволяє отримувати різноманітні архітектурно – планувальні рішення.

Структури мають ряд переваг:

1) підвищена жорсткість структур порівняно з плоскими конструкціями. Тому вони мають меншу будівельну висоту: h = (1/15…1/20) l, що призводить до зменшення висоти будівлі і зниження витрат на стінове огородження та опалення;

2) регулярність будови структури дозволяє збирати з однакових стандартних елементів покриття різних прольотів і конфігурацій в плані;

3) часта сітка вузлів дає можливість найбільш просто здійснювати кріплення підвісного транспорту та іншого обладнання в будь-якій точці;

4) багатов’язність системи підвищує ступінь її надійності при раптових місцевих пошкодженнях.

Недолік – підвищена трудомісткість виготовлення та збирання, що є наслідком відступу від принципу концентрації матеріалу.

Стержні структур виготовляються з круглих труб або прокатних профілів(кутиків, швелерів, квадратів). Труби найбільш відповідають вимогам рівностійкості, мінімальної металомісткості та естетичним вимогам. Останнє дуже важливо для будівель громадського призначення. Разом з тим труби більш дефіцитні, ніж прокатні профілі і дорожче коштують. А тому для рядових виробничих будівель використовують структури з прокатних профілів, не зважаючи на те, що вони мають більші витрати сталі (на 15…20%).

На масу та вартість структур суттєво впливають типи вузлових з’єднань. В більшості випадків на вузли витрачається 15-20% металу структури. В вузлах можуть з’єднуватися від 8 до 18 стержнів. В практиці розроблено багато різноманітних типів вузлів: “МАрхУ”, “Кисловодськ”, ”ЦНИИСК”, ”Берлін”, ”Октоплатт” (Німеччина), “Триодетик” (Канада), ”Юністрат” (США), ”Дю Шато” (Франція) та інші. Всі вони поділяються на зварні або болтові. Найбільш раціональним є вузол з кульовою вставкою, в якій закріплені кінці всіх стержнів, що підходять до вузла.

Розроблені типові конструкції структур, наприклад, Кословодськ – з круглих труб, “МАрхУ” – з круглих труб, “Москва” – верхня поясна сітка з двотаврів, інші стержні – з одинарних кутиків та ін.

Б. Розрахунок структурних конструкцій.

Розрахунок структурної конструкції досить трудомісткий, оскільки вона є багато разів статично невизначеною системою. Існують точні та наближені методи розрахунку стержневих плит.

Точний метод розрахунку структур, як просторових шарнірно-стержневих систем виконується за допомогою ЕОМ.

При розрахунку наближеним методом стержневу систему заміняють суцільною плитою еквівалентної жорсткості. За довідковими таблицями визначають в суцільній плиті розподілені значення згинаючих моментів і поперечних сил (М_пл i Q_пл). Після цього переходять від суцільної плити до стержневої системи. Для цього розподілені значення згинаючого моменту М_пл (кНм/м) і поперечної сили Q_пл (кН/м) збирають зі смуги плити шириною, рівною розміру комірки поясної сітки S (рис.15.26), і прикладають у вигляді зосереджених зусиль М i Q в вузли кристала (рис.15.27).

Оскільки структура розглядається як шарнірно-стержнева система, то стержні працюють або на осьовий стиск, або на осьовий розтяг. Повздовжні зусилля в поясах отримують заміною моменту М парою сил з плечем, рівним висоті структури h, а зусилля в розкосах – з умови рівноваги сил, прикладених до вузла, на вертикальну вісь.

Рис. 15.26. Згинаючі моменти та поперечні сили в суцільній плиті

(кНм)

(кН)

Рис. 15.27. До розрахунку стержневої структурної конструкції

Для структури з пентаедрів без додаткових діагоналей у верхній поясній сітці зусилля в поясах

;

в розкосах:

;

де α – кут нахилу розкосів до горизонтальної площини.

Наближений розрахунок зусиль в структурах забезпечує точність до 15% і, як правило, використовується при варіантному проектуванні (при порівнянні варіантів різних конструктивних рішень). Прогини структур визначаються за таблицями для ізотропних плит і перехресних ферм. Для практичних розрахунків існують,,Рекомендации по проектированию структурних конструкцій /ЦНИИСК им. Кучеренко. 1984 г.”.

Стержневі структури розраховуються як центрально-розтягнуті або центрально-стиснуті елементи. Деталі вузлів і з’єднань(болти, зварні шви) розраховуються на міцність.