Перекрестные балки и фермы

Перекрытие, образованное перекрестно расположенными и связанными между собой балками или фермами, представляет собой сплошностенчатую или сквозную (решетчатую) пространственную конструкцию. Эффект пространственной работы перекрестных систем тем заметнее, чем ближе очертания перекрываемого плана к квадрату (кругу или другим фигурам с контуром, примерно равноудаленным от центра). Например, в сплошной квадратной плите, опертой по контуру, изгибающие моменты в обоих направлениях одинаковы и при равномерно распределенной нагрузке равны 0,037q а². По мере роста одного из размеров плана моменты вдоль длинной стороны уменьшаются, а в другом направлении растут. В пределе момент продольного направления исчезает, а в поперечном направлении становится «балочным», равным 0,125q а². Изогнутая поверхность плиты становится цилиндрической и пространственная система превращается в плоскую.

Пространственный характер работы балок, соединенных между собой в точках пересечения, заключается в том, что нагрузка, приложенная к любой из балок, вызывает деформирование, а следовательно, противодействие этой нагрузке, всей системы балок в целом.

Диагональное (~45°) расположение балок, несмотря на то, что длина их увеличивается, не приводит к увеличению максимальных изгибающих моментов. Объяснение этого парадокса состоит в том, что короткие угловые балки обладают большей жесткостью при кручении, что создает эффект упругой заделки концов всей перекрестно-балочной системы. Диагональными балками можно перекрывать планы, более вытянутые по сравнению с теми, которые считаются нерациональными для перекрестных балок, параллельных сторонам плана.

Когда балки (фермы) уложены этажно, то они изгибаются каждая в своей плоскости. Если балки пересекаются в одном уровне и связаны между собой жестко, то прогибы балок одного направления (например, балки 1 —/) сопровождаются не только соответствующими прогибами балок другого направления, но и их кручением (например, балка 2 — 3).

Кручение балки создает дополнительное сопротивление действию внешних сил. Его можно рассматривать как резерв несущей способности всей системы. Однако для этого крутильная жесткость балок должна быть достаточно высокой, которой тонкие балки (тем более фермы) не обладают. Поэтому перекрестные балки рассчитывают без учета кручения.

При перекрытии плана, отличающегося от квадратного, короткий пролет перекрывают цельными балками, а балки длинного пролета разрезают и стыкуют между собой в каждом пересечении. Каждый стык рассчитывают на изгибающий момент и поперечную силу, действующие в узле пересечения.

Заметное снижение величин моментов в пролете покрытий с перекрестными балками достигают, располагая опоры не по контуру здания, а внутри его, на некотором удалении а от краев. Оптимальный вылет а консольной части, соответствующий примерному равенству моментов в пролете и над опорами, составляет 0,15...0,2 полного размера ℓ стороны покрытия.

Методика подбора сечений перекрестных балок и ферм не имеет принципиальных отличий от методики расчета обычных балок и ферм. Для ориентировки следует иметь в виду, что эквивалентная нагрузка на перекрестные балки и максимальные изгибающие моменты составляют примерно 50...60% от аналогичных величин для простых балок. Следовательно, высота перекрестных балок может составлять около 0,7..0,8 высоты простых балок, а высота перекрестных ферм — 0,6...0,7 высоты обычных ферм.

Особенности металлических перекрестных балок и ферм. Перекрестные балки двутаврового сечения имеют высоту Н~ ℓ /24.. ℓ /30 .. Узлы пересечения конструируют так, чтобы разрыв полок компенсировали накладки, а разрыв стенки сварные монтажные швы «втавр» (рис. 6.3, а). Накладки рассчитывают на продольное усилие №== — М/Н (где (г ■.— полная высота балки), а швы в стенке — на сдвигающее усилие

Особенности железобетонных пере­крестных балок и ферм. Перекрестными балками перекрывают пролеты до 30 м (хотя это не предел при облегченных перекрытиях одноэтажных зданий) с шагом от 3 до 6 м, высота балок колеблется в пределах //16...//24. Их проектируют обычно вместе с плитами. Покрытие может быть монолитным, сборным или сборно-монолитным (сборные плиты, монолитные балки). П­рекрестные балки высотой до 1,5 м делают сплошностенчатыми с постоянной толщиной 200...300 мм. Дальнейшее развитие сечения перекрестных балок высотой более 1,5 м связано с превращением его в двутавровое со стенкой 100... 150 мм и развитыми полками, в которых размещена основная арматура.

Перекрестные фермы собирают из плоских ферм или решетчатых пирамид, в которых совмещены элементы нижних поясов и раскосов треугольной решетки и квадратных ребристых плит, выполняющих роль верхнего пояса.

Высота ферм составляет //15..//20, размеры перекрываемого плана доходят до 50X50 м.

Соединение элементов сборных перекрестных балок и ферм выполняют с помощью сварки металлических закладных деталей с последующим замоноличиванием стыков. Арматура, проходящая в каналах нижних полок балок или поясов ферм, напрягается одновременно в двух направлениях с заполнением каналов раствором после анкеровки стержней.

Сборные покрытия выполняются из железобетонных или армоцементных тонкостенных коробчатых элементов. Стенки и днища квадратных в плане коробов со сторонами от 1 до 3 м армируют сетками. Основная рабочая арматура укладывается между деталями коробов в замоноличиваемые пазы.

Сборные кессонные конструкции способны перекрывать пролеты до 60 м при высоте коробов от //20 до //30.

ПЕРЕКРЕСТНО-СТЕРЖНЕВЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ (СТРУКТУРЫ)

Структурами обычно называют сис­темы стержней, сходящихся в узлах и расположенных в пространстве в строгом геометрическом порядке.

Структурно организованное пространство можно представить в виде множе­ства неделимых ячеек (своего рода «атомов»)— элементарных многогранников — тетраэдра, куба, некоторых пирамид и др. Наглядное представление о простейшей структуре дает следующее построение. Плоская ортогональная сетка, состоящая из стержней длиной а, соединенных между собой в узлах, служит основанием для построения на ней множества четырехгранных пирамид, ребра которых имеют ту же длину а. По вершинам пирамид укладывается вторая ортогональная сетка, на ней строится следующий ряд пирамид и т. д. При проектировании из этого структурно организованного пространства выделяют требуемую архитектурно-конструктивную форму, отбросив лишние элементы. Освобожденную от ненужных стержней пространственную композицию можно назвать структурной конструкцией. Узлы этой простой композиции обладают способностью присоединения 12 стержней одинаковой длины, идущих в 12 направлениях. Из этого же структурного пространства, если рассечь его двумя параллельными плоскостями, можно получить решетчатые плиты, состоящие из двух поясных сеток и пространственной решетки между ними. При горизонтальных срезах (параллельных основаниям пирамид) образуются квадратные ячейки, при наклонных (параллельно граням

пирамид)—треугольные. Число стержней в каждом узле структурной плиты равно восьми (квадратная сетка) или девяти (треугольная сетка).

Такие решетчатые плиты {структурные покрытия) получили широкое распространение в качестве плоских покрытий с пролетами до 100 м.

Существуют следующие рисунки сеток структурных покрытий: геометрически изменяемые (квадрат, шестиугольник) и геометрически неизменяемые (треугольник, квадрат с диагональю). Сетки с одинаковым по всей площади покрытия строением называются регулярными, с различным строением в разных зонах покрытия — нерегулярными. Ячейки растянутой (обычно нижней) сетки рационально делать более крупными, поскольку они не испытывают сжатия. Сетки часто проектируют разреженными, удаляя некоторые стержни, т. е. превращая их в нерегулярные. Возможности «скульптурного» метода объемного решения сооружения нередко используют для создания выра­зительных архитектурных форм. Однако для структур, образованных стержнями одинаковой длины, построение которых описано выше, эти возможности ограничены неизменностью углов а наклона к горизонту граней структурной конструкции, «атомами» которой служат полуоктаэдры и тетраэдры (схема 1/2 (0+Т). И если архитектура сооружения требует иных уклонов, прихо­дится при. стыковке граней нарушать стройную геометрию структуры и ис­пользовать доборные и переходные элементы. Композиционные возможности формообразования пространственных структурных конструкций значительно расширяются с введением дополнительного размера стержней а . Узловой элемент в этом случае должен обладать способностью присоединения 18 стержней. При этом образуются не только новые углы, но и появляется возможность перехода от одной системы стержней к другой без нарушения единства структуры. Примеры купольных и шатровых композиций на основе использования возможностей 18-лучевого узла.

Дальнейшее развитие форм структурных конструкций может идти по линии использования стержней трех типоразмеров: а, ал/2 и а-у/3. Узловой элемент такой системы должен обладать способностью принять стержни 26 направлений.

Достоинства структурных покрытий сводятся к следующим: пространственная работа при многократной статической неопределимости (многосвязности системы), гарантирующая перераспределение усилий в стержнях при внезапном разрушении некоторых из них; однотипность узлов и стержней; примерно двукратное по сравнению с плоскими фермами снижение строительной высоты конструкции; облегчение кровельного покрытия и подвесных потолков благодаря частому расположению опорных точек в узлах; легкая приспособляемость к планам сложным и с нерегулярной расстановкой опор; выразительность в интерьере и при выносе конструкций на фасад.

Недостатками структурных покрытий, порой диалектически сопряженными с их достоинствами, являются: сложность узлов и высокая требуемая точность их изготовления; неизбежные «люфты» в многочисленных соединениях (исключая сварные).

Структурное покрытие является прежде всего стержневой (решетчатой) плитой и поэтому основные принципы проектирования сплошных плит справедливы и для них.

1. Наиболее выгодной формой прямоугольных плит является квадратная.

2. Чем чаще расположены опоры по контуру плиты, тем лучше, хотя польза от слишком частого их расположения становится незаметной. В наихудших условиях работает плита, опертая па углам или в серединах сторон со свисающими углами.

3. Эффективен конструктивный прием постановки опор с некоторым отступом от контура покрытия. Образующиеся консольные свесы способствуют снижению величин изгибающих моментов в пролете, причем создается самостоятельный планировочный модуль, легко поддающийся блокировке с другими подобными модулями.

При необходимости нахождения величин прогибов структурного покрытия приходится для каждого конкретного типа решетчатой плиты определять упругие эквиваленты цилиндрической жесткости /}, жесткости на кручение.

Особенности металлических структурных покрытий. Металл является основным материалом структурных покрытий. Этому способствуют такие качества металлических конструкций, как возможность использования высо­копроизводительных механизированных процессов изготовления узлов и стерж­ней при высокой точности исполнения. Структурные покрытия из металличес­ких стержней требуют минимальных трудозатрат при монтаже. Будучи пол­ностью готовыми для сборки, элементы нуждаются только в сбалчивании, ко­торое можно выполнять на уровне пола. Металлические покрытия сборно-раз­борные, они обладают способностью

повторного использования конструкции в целом или ее составных элементов (узлов, стержней).

Стержнями металлических структур служат трубчатые или открытые (швел­леры, уголки) профили из стали или алюминиевых сплавов. Конструкции узловых элементов чрезвычайно разнообразны. Для трубчатых элементов наиболее логична конструкция узла, где главным соединительным звеном является болт, соосный со стержнем и работающий на продольные усилия. Существуют две компоновочные схемы этого узла: болт, выходя из трубчатого стержня, ввинчивается в узловой элемент; болт, выходя из узлового элемента, ввинчивается в трубчатый стержень.

По первой схеме выполнен изобре­тенный в довоенные годы в Германии узел «Меро», отличающийся универсальностью и простотой монтажа и считающийся наиболее совершенным из всех существующих, а также соз­данные на его основе «МАрхИ» (СССР) и «Веймар» (ГДР) Вторая схема использована в узлах N5 (Япония), штампованным типа «Юнистрат» «Октант» (СССР) и др.

Дата добавления: 2014-01-11