Деревометаллическая арочная конструкция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

Сибирский федеральный университет

Иркутский государственный технический университет

ДЕРЕВОМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ АРОЧНАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Жаданов В.И., Украинченко Д.А.,

Инжутов И.С, Пинайкин И.П.

Различные арочные системы, выполненные полностью из древесины или из древесины в сочетании с металлом, получили значительное распространение в мировой строительной практике [1, 2]. Эти распорные конструкции рациональны во многих областях строительства, имеют широкие диапазон использования в зданиях различного назначения [3].

По характеру напряженного состояния арки лучше других конструкций отвечают природным свойствам древесины, что предопределяет их рациональность при средних и больших пролетах, а также тогда, когда необходимо подчеркнуть пластические возможности этого уникального природного материала. С увеличением пролета эффективность арочных систем увеличивается, ими можно перекрывать пролеты 100 м и более. Арки позволяют уменьшить площадь стен или вообще обойтись без них, получить рациональные решения каркасов с передачей распора на низкие фундаменты.

Кроме этого, арочные конструкции из-за их малого веса могут с успехом применяться при реконструкции зданий городской застройки, например, при надстройке этажей, что, несомненно, актуально для большинства городов России. Легкие несущие конструкции на основе древесины позволяют вести надстройку без какого-либо усиления фундаментов.

С другой стороны, богатая лесом Россия не может похвастаться разнообразными зданиями и сооружениями, построенными на основе современных деревянных конструкций, в том числе и арочного типа. Положительным исключением в этом плане на сегодняшний день являются лишь уникальные по своей оригинальности арочные системы, разрабатываемые в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко такими энтузиастами применения дерева в строительстве, как С.Б. Турковский, А.А. Погорельцев, И.П. Преображенская, Л.М. Ковальчук и другие сотрудники лаборатории деревянных конструкций [3, 4, 5].

При всех своих достоинствах известные конструктивные схемы арок имеют и ряд существенных недостатков. Например, традиционная схема деревометаллической арки включает в себя криволинейный верхний пояс и затяжку, соединяющую опорные узлы арочной конструкции и воспринимающую распор [6]. При действии на покрытие временной нагрузки, например, снеговой, равномерно распределенной по всему пролету, за счет криволинейного очертания верхнего пояса такие арки способны воспринимать значительные нагрузки. Однако, при действии на арку такой же односторонней (например, снеговой) или какой-либо другой неблагоприятной (например, от подвесного кранового оборудования) временной нагрузки, что характерно для арочных конструкций, расчетные моменты в наиболее напряженных сечениях арки возрастают в 3-4 раза и являются определяющими для назначения размеров поперечного сечения верхнего пояса. Этот недостаток традиционных арочных конструкций существенно снижает их несущую способность.

Частично лишено вышеназванного недостатка арочная конструкция для покрытий зданий системы В.Г. Шухова, состоящая из криволинейного верхнего пояса, затяжки, соединяющей опорные узлы арочной конструкции и воспринимающей распор, и симметрично расположенных наклонных гибких тяг (не менее двух), соединяющих промежуточные сечения верхнего пояса, в которых действуют максимальные изгибающие моменты (как правило, в четверти пролета) с удаленными от этих сечений опорными узлами [6]. За счет применения наклонных гибких тяг обеспечивается устойчивость верхнего пояса при действии на арочную конструкцию односторонней временной нагрузки, уменьшаются значения расчетных моментов и, соответственно, повышается расчетная несущая способность арочной конструкции в целом.

Однако, это известное конструктивное решение имеет следующие существенные недостатки.

1. Наклонные гибкие тяги способны ограничить выгиб верхнего пояса при односторонней временной нагрузки лишь вверх.

2. Применение наклонных гибких тяг, присоединенных к опорным узлам арки, из-за их значительной длины технически оправдано только при относительно небольших пролетах арки.

Для устранения перечисленных недостатков и с целью повышения несущей способности арочной конструкции при действии на покрытия односторонних и других неблагоприятных временных нагрузок на кафедре строительных конструкций ОГУ совместно со специалистами ИСИ СФУ (г. Красноярск) и ИрГТУ (г. Иркутск) предложен новый тип деревометаллической арки / 7 /. Особенностью ее является то, что в арочной конструкции, предназначенной для покрытий зданий и состоящей из криволинейного верхнего пояса, затяжки, соединяющей опорные узлы арочной конструкции, симметрично расположенных двух наклонных гибких тяг, криволинейный верхний пояс и затяжка соединены между собой двумя симметрично расположенными стойками, поставленными перпендикулярно оси верхнего пояса в точке сопряжения стоек и верхнего пояса на расстоянии одной четверти пролета арочной конструкции от опорных узлов, при этом наклонные гибкие тяги соединены верхними концами с узлами соединения стоек и криволинейного верхнего пояса, а нижними концами с узлами соединения стоек с затяжкой (рисунок 1).

арочный конструкция древесина несущий

Рисунок 1 Общий вид предложенной арочной конструкции

Предложенная конструктивная схема деревометаллической арки для покрытий зданий включает в себя криволинейный верхний пояс 1, затяжку 2, соединяющую опорные узлы 3 арочной конструкции, симметрично расположенные две наклонные гибкие тяги 4 и симметрично расположенными стойки 5, поставленные перпендикулярно оси криволинейного верхнего пояса 1 в точке сопряжения стоек и криволинейного верхнего пояса 1 на расстоянии одной четверти пролета арочной конструкции от опорных узлов 3. Стойки 5 соединяют между собой криволинейный верхний пояс 1 и затяжку 2, которые также соединены в опорных узлах 3. Наклонные гибкие тяги 4 верхними концами примыкают к узлам соединения стоек 5 и криволинейного верхнего пояса 1, а нижними концами к узлам соединения стоек 5 с затяжкой 2.

Криволинейный верхний пояс 1 может быть выполнен из клееной древесины, прокатных или сварных стальных профилей. Затяжку 2, работающую на растяжение в независимости от схемы приложения нагрузки, целесообразно выполнять из стального прокатного профиля (уголки, швеллера). Наклонные гибкие тяги 4, работающие на восприятие растягивающих усилий, могут быть выполнены из стальных стержней круглого поперечного сечения, например из арматурной стали класса А-I. Сжатые стойки 5 выполняют из того же материала, что и криволинейный верхний пояс 1 (древесина или сталь).

Арочная конструкция для покрытий зданий вышеназванной конфигурации работает следующим образом (рисунок 2).

а)

б)

Рисунок 2 Эпюры изгибающих моментов в верхних поясах традиционной арочной конструкции (а) и предложенной арки с тягами и стойками (б)

При действии вертикальной нагрузки, расположенной на половине пролета (например, на левой половине арочной конструкции), в криволинейном верхнем поясе 1 возникают изгибающие моменты, причем их значения существенно больше, чем при нагрузке, действующей по всему пролету. Деформации левой половины криволинейного верхнего пояса 1 направлены вниз или в сторону затяжки 2, а правой половины - вверх или от затяжки 2. Деформациям левой половины криволинейного верхнего пояса 1 будет препятствовать левая стойка 5, работая при этом на сжатие. Деформации правой половины криволинейного верхнего пояса 1 будет ограничивать одна из наклонных гибких тяг 4, которая присоединена к криволинейному верхнему поясу 1 на его правой половине. Во второй наклонной гибкой тяге 4 в этом случае будет действовать усилие сжатия, а в стойке 5, расположенной в правой половине арочной конструкции - усилие растяжения, т.е. при вертикальной нагрузке, расположенной на левой половине пролета, они не будут участвовать в общей работе конструкции. При действии вертикальной нагрузки, расположенной на правой половине пролета арочной конструкции, усилия в стойках 5 и наклонных гибких тягах 4 изменять знаки на противоположные и, соответственно, в работу включатся правая стойка 5, в которой будут действовать усилия сжатия, и наклонная гибкая тяга 4, которая присоединена к криволинейному верхнему поясу 1 на его левой половине. Затяжка 2 всегда работает на растяжение, вне зависимости от наличия и схемы расположения наклонных гибких тяг 4, поэтому особенности ее работы в описании не обсуждаются.

Проведенные расчеты арочной конструкции для покрытий зданий при ее пролете L=18,0м, стреле подъема в коньке H=3,0м или 1/6 L и действии погонной нагрузки 9,0 кН/м на левом полупролете, показали (смотри таблицу), что значения расчетных моментов в криволинейном верхнем поясе 1 в предлагаемом техническом решении в 4,33 раза меньше, чем в арочной конструкции без наклонных гибких тяг и стоек и в 3,70 раза меньше, чем в арочной конструкции с наклонными гибкими тягами без стоек (система В.Г. Шухова). При нагрузке, равномерно-распределенной по всему пролету, величины максимальных значений изгибающих моментов в криволинейном верхнем поясе 1 составляют: в традиционных системах - 9,957 кН·м, в предлагаемом техническом решении - 5,930 кН·м, что не является определяющим фактором при определении размеров поперечного сечения несущего элемента.

Аналогичные данные были получены и при других исходных параметрах для арочных конструкций с криволинейным верхним поясом 1.

Кроме этого в результате проведенных расчетов арочных конструкций с криволинейным верхним поясом 1 без наклонных гибких тяг 4 и стоек 5 или с наклонными гибкими тягами 4 без стоек 5 пролетом L от 12,0м до 24,0м (наиболее распространенные пролеты для арочных конструкций) при стреле подъема H в коньке в интервале от 1/5L до 1/8L (рекомендуемое отношение для арочных конструкций с криволинейным верхним поясом) было выявлено, что во всех случаях сечения с максимальными значениями изгибающих моментов при действии односторонней вертикальной нагрузки находятся на расстоянии 0,24-0,26L от опорных узлов 3, что позволяет во всех случаях технически обос-

Таблица

Сравнительные значения изгибающих моментов в традиционных арках и предлагаемом техническом решении

нованно принять для предлагаемой арочной конструкции точку соединения криволинейного верхнего пояса 1 и стоек 5 на расстоянии одной четверти пролета арочной конструкции от опорных узлов 3.

Таким образом, по сравнению с известными конструктивными решениями, предлагаемая арочная конструкция для покрытий зданий обладает повышенной несущей способностью в 4,33 и 3,70 раза соответственно при действии на покрытия зданий односторонних и других неблагоприятных временных нагрузок. При заданной величине расчетной нагрузки предлагаемое техническое решение обеспечивает сокращение расхода материала на криволинейный верхний пояс в 2,5 раза (при стандартном отношении высоты поперечного сечения пояса h к его ширине b для арочных конструкций h/b = 3).

Список литературы

1. Атлас деревянных конструкций / К.Г. Гетц, Д. Хоор, К. Мелер, Ю. Наттерер. Пер с нем. М.: Стройиздат, 1985. 272 с.

2. Берковская, Д.А. Клееные деревянные конструкции в зарубежном и отечественном строительстве. М.: ЦИНИС, 2005. 107 с.

3. Турковский, С.Б. Клееные деревянные конструкции с узлами на вклеенных стержнях в современном строительстве (система ЦНИИСК) / С.Б. Турковский, А.А. Погорельцев, И.П. Преображенская. М: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2013. 308 с.

4. Ковальчук, Л.М. Производство деревянных клееных конструкций / Л.М. Ковальчук. - М: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2005. 334 с.

5. Российская архитектурно-строительная энциклопедия. Т. VIII. Деревянное зодчество России. М.: 2002.

6. Гаппоев, М.М. Конструкции из дерева и пластмасс / М.М. Гаппоев, И.М. Гуськов, Л.К. Ермоленко и др. - М.: Издательство АСВ, 2004. 450 с.

7. Патент РФ 2501214. Арочная конструкция для покрытий зданий. Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Аркаев М.А., Михайленко О.А. Опубл 20.08.2013. Бюл. №23. 7 с.

Размещено на Allbest.ru