Большепролётные покрытия

Размещено на http://allbest.ru

1.Краткие сведения о развитии большепролетных покрытиях

большепролетный покрытие оболочка

Большепролетные конструкции покрытий появились в древние времена. Это были каменные купола и своды, деревянные стропила. Так, например, каменное купольное покрытие Пантеона в Риме (1125 г.) имело диаметр около 44 м, купол мечети Айя - София в Стамбуле (537 г.) - 32 м, купол Флорентийского собора (1436 г.) - 42 м, купол Верхнего Совета в Кремле (1787 г.) - 22,5 м. Строительная техника того времени не позволяла строить в камне легкие сооружения. Поэтому большепролетные каменные сооружения отличались большой массивностью, а сами сооружения возводились в течение многих десятилетий.

В конце XVIII в. появился новый материал для большепролетных зданий - железобетон. Совершенствование железобетонных конструкций в XX в. привело к по- явлению тонкостенных пространственных конструкций: оболочек, складок, куполов. Появилась теория расчета и конструирования тонкостенных покрытий, в которой приняли участие и отечественные ученые. Во второй половине XX в. широко применяются висячие покрытия, а также пневматические и стержневые системы. Применение большепролетных конструкций дает возможность максимально использовать несущие качества материала и получить за счет этого легкие и экономичные покрытия. Уменьшение массы конструкций и сооружений является одной из основных тенденций в строительстве. Уменьшение массы означает уменьшение объема материала, его добычи, переработки, транспортировки и монтажа. Поэтому вполне естественен интерес, который возникает у строителей и архитекторов к но- вым формам конструкций, что дает особенно большой эффект в покрытиях. Так, масса железобетонного ребристого покрытия при сравнительно небольших пролетах составляет 400 - 500 кг/м2 перекрываемой площади; масса железобетон- ных оболочек при пролетах 40 - 50м составляет около 300 кг/м2 ; масса облегченных покрытий по металлическим конструкциям при тех же пролетах снижается до 50 - 100 кг/м2; масса пневматических конструкций всего лишь 2 - 5 кг/м2 .

2.Основные особенности большепролетных покрытий

Большие пролеты, перекрываемые металлическими конструкциями, применяются в зданиях общественного и специального назначения и в производственных зданиях. Здания общественного назначения - театры, выставочные павильоны. концертные и спортивные залы, крытые стадионы, рынки, вокзалы - имеют большие пролеты, обусловленные как эксплуатационными, так и архитектурными требованиями. Здания специального назначения - ангары, гаражи, троллейбусные парки проектируют без внутренних колонн, исходя из удобства размещения и эвакуации машин или других технологических требований. В промышленном строительстве большие пролеты встречаются в сборочных цехах самолетостроительных, судостроительных и машиностроительных заводов, в экспериментально-лабораторных корпусах различных производств, где они обусловлены или крупными габаритами собираемых машин (судов, самолетов), или требованиями технологического процесса.

3.Область применения и особенности большепролётных покрытий из железобетона

ПЛОСКОСТНЫЕ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ

В общественных зданиях массового строительства для покрытия зальных по- мещений применяются преимущественно традиционные плоскостные конструкции: настилы, балки, фермы, рамы, арки. Работа этих конструкций основана на использовании внутренних физико-механических свойств материала и передаче усилий в теле конструкции непосредственно на опоры. В строительстве плоскостной тип покрытий хорошо изучен и освоен в производстве. Многие из них пролетом до 36 м разработаны как сборные типовые конструкции. Недостаток. Плоскостная конструкция покрытия зала в интерьерах общественных зданий почти всегда, ввиду ее низких эстетических качеств, закрывается дорогостоящим подвесным потолком. Этим в здании создаются излишние пространства и объемы в зоне конструкции покрытия, в редких случаях используемые под тех- нологическое оборудование.

Железобетонные конструкции не подвержены гниению, ржавлению, обладают высокой пожарной стойкостью, но они тяжелы.

Балочные покрытия

Железобетонные балки имеют большой изгибающий момент и большую собст- венную массу, но просты в изготовлении. Они могут выполняться монолитными, сборно-монолитными и сборными (из отдельных блоков и цельные). Выполняются из железобетона с предварительным напряжением арматуры. От- ношение высоты балки к пролету колеблется в пределах от 1/8 до 1/20. В практике строительства встречаются балки пролетом до 60 м, а с консолями - до 100 м. Сечение балок - в виде тавра, двутавра или коробчатое

Железобетонные балки имеют большой изгибающий момент и большую собственную массу, но просты в изготовлении. Они могут выполняться монолитными, сборно-монолитными и сборными (из отдельных блоков и цельные). Выполняются из железобетона с предварительным напряжением арматуры. От- ношение высоты балки к пролету колеблется в пределах от 1/8 до 1/20. В практике строительства встречаются балки пролетом до 60 м, а с консолями - до 100 м. Сечение балок - в виде тавра, двутавра или коробчатое

Ферменные покрытия

Железобетонные фермы изготавливаются: цельными - длиной до 30 м; составными - с предварительным напряжением арматуры, при длине более 30 м. Отношение высоты фермы к пролету 1/6 … 1/9. Нижний пояс выполняется обычно горизонтальным, верхний пояс может иметь горизонтальное, треугольное, сегментное или полигональное очертания. Недостатком железобетонных ферм является большая конструктивная высота. Для уменьшения собственной массы ферм необходимо применять высокопрочные бетоны и внедрять легкие плиты покрытия из эффективных материалов.

Рамные покрытия

Железобетонные рамы - могут быть бесшарнирными, двухшарнирными, реже трехшарнирными. При пролетах рам до 30 … 40 м их выполняют сплошными, двутаврового сечения с ребрами жесткости, при больших пролетах - решетчатыми. Высота ригеля сплошного сечения составляет около 1/20 … 1/25 пролета рамы, решетчатого сечения 1/12 … 1/15 пролета. Рамы могут быть однопролетными и многопролетными, монолитными и сборными. При сборном решении соединение отдельных элементов рамы целесообразно выполнить в местах минимальных изгибающих моментов.

Арочные покрытия

Арки, как и рамы, являются плоскостными распорными конструкциями. Они еще более чувствительны к неравномерным осадкам, чем рамы и выполняются: - бесшарнирными, - двухшарнирными, - трехшарнирными. Устойчивость покрытия обеспечивается жесткими элементами ограждающей части покрытия. Для пролетов 24 … 36 м возможно применение трехшарнирных арок из двух сегментных ферм. Во избежание провисания затяжки устанавливают подвески.

Системы арок

Железобетонные арки, как и металлические, могут иметь сплошное и решет- чатое сечение ригеля. Конструктивная высота сечения ригеля сплошных арок составляет 1/30 … 1/40 пролета, решетчатых арок 1/25 … 1/30 пролета.

Рисунок. Сборная железобетонная арка с затяжкой: а - общий вид; б - опорный узел

Оболочки

Железобетонные оболочки имеют круговое, эллиптическое или параболиче- ское очертание и опираются на торцевые диафрагмы жесткости, которые могут быть выполнены в виде стен, ферм, арок или рам. В зависимости от длины оболочек их делят на короткие, у которых пролет по продольной оси не более чем полторы длины волны (пролет в поперечном направлении), и на длинные, у которых пролет по продольной оси более, чем полторы волны. По продольным краям длинных цилиндрических оболочек предусматриваются бортовые элементы (ребра жесткости), в которых размещается продольная арматура, позволяющая работать оболочке вдоль продольного пролета подобно балке. Кроме того, бортовые элементы воспринимают распор от работы оболочек в поперечном направлении и поэтому должны обладать достаточной жесткостью и в горизонталь- ном направлении.

Купола

Купол представляет собой поверхность вращения. Усилия в нем действуют в меридиональном и широтном направлении. По меридиану возникают сжимающие напряжения. По широтам, начиная от вершины, возникают, также сжимающие усилия, переходящие постепенно в растягивающие, которые достигают своего максимума у нижнего края купола. Купольные оболочки могут опираться на опорное кольцо, работающее на растяжение, на колонны - через систему диафрагм или ребер жесткости, если оболочка имеет в плане квадратную или многогранную форму. Купола проектируют: сферические и многогранные, ребристые, гладкие, гофрированные, волнистые. В штате Монтана (США) над зданием спортивного центра на 15 тыс. зрителей в 1956 г. был возведен деревянный купол диаметром 91,5 м со стрелой подъема 15,29 м. Несущий остов купола состоит из 36 меридиональных ребер сечением 17,5 Ч 50 см. Ребра опираются на выполненное из прокатных профилей нижнее опорное коль- цо и на сжатое верхнее металлическое кольцо. Купол установлен на железобетонные колонны высотой 12 м. В каждой ячейке, образованной ребрами и прогонами, по диагонали крест-накрест натянуты стальные тяжи. Монтаж купола производился спаренными полуарками вместе с прогонами и тяжами. Каждая полуарка длиной 45 м собиралась на земле из трех частей

Примеры применения волнистых куполов-оболочек Государственный цирк в Бухаресте. Проект выполнен институтом "Проект- Бухарест". Купольное покрытие конструктивно не связано с амфитеатром. Сегменты воли купола в радиальном и поперечном направлении имеют форму параболы. Толщина железобетонных оболочек 70…120 мм. Купол опирается на16 столбов, связанных полигональным железобетонным поясом на уровне верха опор

Купол является одной из наиболее рациональных форм покрытий, поэтому не случайно архитекторы используют его с древнейших времен. Но только с внедрением железобетона, обеспечивающего пространственную жесткость куполов в сочетании с малой массой и высокой огнестойкостью, раскрылись новые архитектурные возможности куполов.

Сравнивая приведенные толщины кирпичных и железобетонных куполов, К. Зигель приводит следующие данные: купол собора св. Петра в Риме при пролете 40 м имеет приведенную толщину 1/13, выставочного зала в Париже при пролете 205 м (1/100).

4.Схема сеток пространственных металлических цилиндрических оболочек.

Общие сведения о пространственных покрытиях

Пространственные большепролетные конструкции покрытия включают в себя: 1 тип - перекрестно-ребристые покрытия (структуры), стержневые конструк- ции, плоские складчатые покрытия; 2 тип своды, оболочки, купола; 3 тип - висячие покрытия (вантовые, мембранные, пневматические и тентовые конструкции). Плоские складчатые покрытия, оболочки, перекрестно-ребристые покрытия и стрежневые конструкции (структуры) выполняются из жестких материалов (железо- бетон, металлические профили, дерево и др.) За счет совместной работы конструк- ций пространственные жесткие покрытия имеют небольшую массу, что снижает расходы как на устройство покрытия, так и на устройство опор и фундаментов. Висячие (вантовые), мембранные, пневматические и тентовые покрытия вы- полняются из нежестких материалов (металлические тросы, металлические листо- вые мембраны, мембраны из синтетических пленок и тканей). Они в значительно большей степени, чем пространственные жесткие конструкции, обеспечивают сни- жение объемной массы конструкций, позволяют быстро возводить сооружения. Пространственные конструкции дают возможность создавать самые разнооб- разные формы зданий и сооружений. Однако возведение пространственных конст- рукций требует более сложной организации строительного производства и высокого качества всех строительных работ. Уже известные в мировой строительной практике системы конструкций пространственного типа позволяют перекрывать здания и со- оружения практически с любой конфигурацией плана. Пространственные конструкции могут быть: - плоскими (плиты), - криволинейными (оболочки). Плоские пространственные системы для обеспечения необходимой жесткости должны быть двухслойными. Оболочки могут быть однослойными и двухслойными. Наибольшее распрострвнение получили решетчатые пространственные конструкции, образующие сетчатую систему. Однослойные конструкции имеют криволинейную сетчатую поверхность и называются односетчатыми. Двухслойные конструкции имеют криволинейную сетчатую поверхность и называются односетчатыми. Двухслойные конструкции имеют две паралельные сетчатые поверхности, соединенные между собой жесткими, решетчатыми связями. Они получили название двухсетчатых. В пространственных сетчатых конструкциях принцип концентрации материала заменен принципом многосвязности системы, вследствие чего конструктивная форма ространственных систем существенно отличается от обычных плоскостных. Осуществлени таких конструкций обычно связано с повышением трудоемкости, требует специальных приемов изготовления и монтажа, что является одной из причин ограничнного применения пространственных конструкций.

Цилиндрические оболочки

Основной формой сетчатых покрытий является цилиндрический свод. Все остальные типы сводов (стрельчатые, крестовые, парусные) состоят из отдельных цилиндрических поверхностей и потому могут рассматриваться как производные цилиндрического свода.

Цилиндрические оболочки по своему внешнему виду напоминают традиционный каменный свод, но работа материала в этих конструкциях совершенно иная. Чтобы яснее представить это различие, можно воспользоваться бумажной моделью оболочки.

а)ровный лист бумаги прогибается и не держит сам себя; б)свернутый в трубку, он становится жестким; в) складки вдоль рулона придают бумаге форму цилиндрических оболочек и большую несущую способность; ) при увеличении нагрузки цилиндрические складки сплющиваются и теряют свою несущую способность; д )накленные по торцам диафрагмы придают складкам жесткость (неизменяемость) и повышают их несущую способность; е ) бумажная модель складчатой конструкции

а -- ровный лист бумаги прогибается и не держит сам себя; б -- свернутый в трубку, он становится жестким; в -- складки вдоль рулона придают бумаге форму цилиндрических оболочек и большую несущую способность; г -- при увеличении нагрузки цилиндрические складки сплющиваются и теряют свою несущую способность; д -- накленные по торцам диафрагмы придают складкам жесткость (неизменяемость) и повышают их несущую способность; е -- бумажная модель складчатой конструкции

Сетка ромбического рисунка

Наиболее проста сетка ромбического рисунка, не имеющая продольных элементов, что не обеспечивает необходимой жесткости конструкции в продольном направлении. Такая конструкция работает как свод в поперечном направлении (с пролетом В), передавая нагрузку на продольные стены (вдоль стороны L)

Недостатки структур -- повышенная трудоёмкость изготовления и монтажа. Пространственные узлы сопряжений стержней самые сложные элементы в структурах:

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.

Для покрытий зданий применяют односетчатые, двухсетчатые цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны. Цилиндрические оболочки выполняют в виде сводов с опиранием: Для покрытий зданий применяют односетчатые, двухсетчатые цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны. Цилиндрические оболочки выполняют в виде сводов с опиранием: а) прямолинейным образующим контура б) на торцовые диафрагмы в) на торцовые диафрагмы с промежуточными опорами

5.Особенности конструированя и расчёта односетчатых оболочек для пространственных покрытий

История односетчатых оболочек

Отечественные ученые внесли в теорию стержневых оболочечных конструкций большой вклад и можно без преувеличения сказать, что благодаря трудам И. Г. Попова, Г. И. Пшеничного, А. С. Вольмира, В. И. Савельева, В. И. Трофимова, Б. А. Освенского сделан существенный шаг в развитии этой теории.

Вплоть до конца 19 века своды справедливо считались массивными и монументальными покрытиями, пока в 1896 г. на Нижегородской выставке русским инженером В. Г. Шуховым не были впервые применены легкие сетчатые конструкции. Позже, в 1898 г., здания цехов Выксунского чугуноплавильного завода в Нижнем Новгороде были покрыты сетчатыми сводами пролетами 38 и 25 м, получив тем самым всеобщее признание.

Незадолго до Шухова, в 1892 г. немецкий проф. Феппль предложил конструкцию пространственного сетчатого покрытия из деревянных элементов, которая представляла собой сложную пространственную систему стержней, расположенных в плоскостях граней призмы, вписанной в цилиндрическую поверхность. Однако, несмотря на все преимущества конструкции, такая система не получила широкого распространения в виду ее сравнительно малой жесткости. Основной формой сетчатых покрытий является цилиндрический свод. Все остальные типы сводов (стрельчатые, крестовые, парусные) состоят из отдельных цилиндрических поверхностей и потому могут рассматриваться как производные цилиндрического свода

Проектирование свободных форм

Процесс проектирования сетчатых оболочек ведется в специализированных программных комплексах систем автоматизированного проектирования (САПР). Данные расчетные программы отвечают всем требованиям и нормам, предусмотренным российским законодательством.

Процесс создания модели и расчета прочности включает в себя несколько этапов:

1. Определяются форма и размеры поверхности в зависимости от назначения здания или сооружения, архитектурной и дизайнерской концепции, пожеланий заказчика.

Существует безграничное множество поверхностей, применяемых в строительстве. Самым простым примером служит поверхность вращения.

Направляющими для вращения могут служить парабола, окружность, эллипс.

Структурные формы куполов могут быть комбинированными, параболическими или инвертированными. А также возможна двоякая кривизна в одном направлении или в противоположных направлениях. Возможно создание поверхности свободной формы.

Один из концептуальных проектов был выполнен компанией «Росинжиниринг» -- многофункциональный спортивный комплекс общей площадью 10 542 м2. Конструкция состоит из двух сплюснутых полусфер диаметром 66 м, соединенных между собой. Общая длина здания 120,55 м, высота -- 23 м. Сооружение представляет собой пространственно-стержневое конструкцию на болтовом соединении с узловыми элементами в виде многогранника с подсистемой для остекления. Внутри здания располагается административно-хозяйственный блок, выполненный из металлических балок и стоек.

После определения поверхности производится разбиение на треугольники (триангуляция). Узор, форма и размеры ячейки сетки треугольников могут быть различными. Наиболее популярным разбиением на треугольники сферических поверхностей является геодезическая структура, основанная на векторном разбитии икосаэдра. Также применяется ромбовидная система разбиения, которая является универсальной, подходящей для любого типа оболочек свободной формы.

Каркас, состоящий из треугольных ячеек, может быть однослойным либо многослойным. Тип каркаса выбирается в зависимости от величины пролета, сейсмики, климатических условий и других факторов.

В куполах диаметром менее 30 м применяют однослойную структуру стержней. При пролетах более 30 м, как правило, применяют двухслойную ферму первого или второго типа в зависимости от формы поверхности, внешних нагрузок и выбора типа конструктивных элементов.

3. Когда «проволочная» модель конструкции готова, ее импортируют в расчетную программу для определения жесткости стержневых элементов. В зависимости от района строительства выбираются нагрузки на конструкцию в соответствии с нормативными документами.

4. Последним этапом являются создание 3D-модели конструкции, разработка проектной и рабочей документации. Автоматизация проектирования

После создания «проволочной» модели конструкции, она импортируется в САПР, где будут выполнены все дальнейшие проектные работы. Построение и расчет отдельных узлов и стержней осуществляются на базе исходной модели полностью встроенными средствами САПР и не вызывают затруднений. Однако для конструкции, содержащей десятки тысяч таких элементов, ручное проектирование потребует огромного количества времени. Кроме того, малейшее внесение изменений в исходную «проволочную» модель конструкции опять же потребует пересчета всех элементов.

В целях снижения трудозатрат и временных затрат на проектирование, целесообразным представляется решение вопроса автоматизации этого процесса. Но универсальных программных средств для обработки сетчатых оболочек на рынке не представлено, или их нет в открытом доступе. Это в т.ч. связано с уникальностью устройства стержней и узлов.

Принимая во внимание важность решения этой задачи, в компании «Росинжиниринг» было принято решение о разработке специализированного программное обеспечение (ПО) для автоматизации процесса проектирования сетчатых оболочек -- RoingGeoDome.

Построение трехмерной геометрии всего объекта, расчет характеристик элементов, создание сборочных чертежей и спецификаций теперь могут быть выполнены с поразительной скоростью, путем нескольких итераций в интерфейсе программы. В ПО реализована поддержка нескольких необходимых типов узлов и стержней, но при необходимости могут быть добавлены любые другие при минимальном участии программиста.

В базовые задачи ПО входят вычисление местоположения узлов на основе «проволочной модели», вычисление нормалей узлов и углов закрепления стержней, вычисление углов между проекциями стержней на ось нормали узла и др. Далее выполняются расчеты, характерные для каждого из типов узлов -- например, для узла типа “Polyhedron”, вычисляется диаметр узла на основе диаметров стержней и углов их закрепления.

Типы применяемых элементов

Любая структура купола состоит из стержневых и узловых элементов. Стержень представляет собой трубу круглого или квадратного сечения. Он крепится к узловому элементу или, как его называют, коннектору.

Инженеры компании «Росинжиниринг» при разработке конструкций применяют множество типов соединений узлового и стержневого элементов. Рассмотрим основные из них:

1. Соединение “Light”. Применяется для легких временных конструкций или конструкций малого диаметра. Трубы круглого сечения, сплюснутые по концам, имеют простое болтовое соединение с круглой пластиной. Болт меньшего размера дополнительно устанавливается в одном из стержней коннектора, чтобы устранить закручивание последнего.

2. Соединение ”Basic”. Применяется, как правило, в геодезических куполах диаметром от 10 до 30 м при круглогодичной эксплуатации. Квадратные трубы соединяются с узловыми элементами с помощью болтов. Узловой элемент представляет собой цилиндр с приваренными пластинами с отверстиями под болты.

В настоящее время специалистами компании разработаны конструкторские чертежи пространственной металлоконструкции физкультурно-оздоровительного комплекса в виде сфероида.

5.4. Расчёт Односетчатых оболочек.

Перекрывают прямоугольные помещения пролетом до 70 - 90 м. По цилиндрической поверхности располагаются стержни, образующие сетки различной системы (рисунок 4 и 5). Наиболее проста ромбическая сетка (рисунок 5а), но не имея продольных элементов не обеспечивает необходимую жесткость конструкции в продольном направлении. Она работает как свод, распор которого воспринимаются стенами или затяжками.

Стержни выполняют из прокатных или штампованных профилей из труб или в виде прутковых прогонов а также фермочек небольшой высоты (1/80 - 1/120 пролета), стрежни под углом 45⁰ - 60⁰. Схема обеспечивает стандартность всех стержней и узлов.

При расчете свода вырезают полосу шириной в одну ячейку "а" и определяют М₀ и N₀. Сечение стержня подбирают по

М=М₀/2sin a (6)

N=N₀/2sin a (7)

При наличии продольных элементов (рисунок 5б) жесткость увеличивается и конструкция работает как оболочка с пролетом L, где опорами служат торцовые стены или четыре колонны (рисунок 4) с торцовой диафрагмой.

Наиболее жесткими и выгодными по расходу стали являются сетки с продольными и поперечными стержнями (ребрами) и решеткой под углом 45⁰ (рисунок 5г).

Оболочки собираются из отдельных плоских ферм, соединяемых болтами. материал - сталь с R=220 - 240 МПа - при пролетах до 70 м и с R= 375 - 400 МПа - до 90м.

При наличии поперечных стержней оболочка рассчитывается по моментной теории, а без поперечных ребер - по безмоментной.

Для упрощения расчета сквозной сетчатой оболочки сквозные грани заменяют сплошными пластинками, приведенная толщина t_пл которых зависит от типа решетки. Так, для треугольной решетки (рисунок 5б):

- при действии сдвигающих сил

t_пр=2dЧА_рЧcos²a/а² (8)

- при растяжении и сжатии

t_пр=А_рЧcos²a/d (9)

Используемая литература

большепролетный покрытие оболочка

1. Москалев Н.С.,Пронзин Я.А. Металлические конструкции: Учебник.-М.:Изд-во АСВ, 2008.

2. Митюгов Е.А. Курс металлических конструкций: Учебник: -М.: Изд-во АСВ, 2008.

3. Евремеев П.Г. Пространственные тонколистовые металлические конструкции покрытий / М.: Изд-во АСВ,2006

4. Здания с большепролетными конструкциями - А.В. Демина Изд-во 2005

5. Большепролетные конструкции покрытий общественных и промышленных зданий - Зверев А.Н. Изд-во 2007

6. Свод правил СП 20.13330.2011.Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.-ФГУП ЦПП, 2011.

7. Сидоров В.Н., Ахметов В.К. Математическое моделирование в строительстве. Учебное пособие-М.: Издательство АСВ, 2007.

Размещено на Allbest.ru