Category Archives: ФЕРМЫ, АРКИ, ТОНКОСТЕННЫЕ

Железобетонные арки

Железобетонные арки можно применять, начиная с пролета 18 м, но эконо­мичнее ферм они становятся при пролетах более 30 м. Наиболее целесообразно перекрывать ими пролеты от 36 до 80 м (рис, 5.3).

Ось арки может иметь параболическое или круговое очертание (для упроще­ния изготовления). Наиболее распространенные — это двухшарнирные арки пролетом до 36 м. Их выполняют пологими со стрелой подъема/= (1/6… 1/8)/. Распор обычно воспринимается затяжкой.

Рис. 5.2. Узлы сплошностенчатых деревянных арок;

А — опорный узел пологой арки с затяжкой: б, в — то же, подъемистой арки (соответственно, простой упор и болтовой шарнир): г — ключевой узел трехшарнирной арки

Большепролетные подъемистые арки имеют более сложное очертание оси, их обычно выполняют трехшарнирными (из двух полуарок). Распор передается на

Рис, 5.3. Типы железобетонных арок: а — сплошное! енчатая; 6 — сквозная

Фундаменты и грунты основания. При слабых грунтах устраивают затяжку, рас­положенную ниже уровня пола (рис. 5.4).

Арки могут быть сборными в виде монтажных блоков длиной от 6 до 12 м или монолитными. Их выполняют из бетона классов ВЗО и В40. Шаг арок б…12 м. По аркам укладывают железобетонные панели покрытия, крепящиеся с помощью сварки закладных деталей и выполняющие также функции горизон­тальных связей.

Сплошностенчатые арки (см. рис. 5.3 а) применяются при пролетах до 48 м. Стрела подъема/= (1 5… 1/8)/. Высота сечения верхнего пояса арки к = (1/3©.., 1/40)1 принимается по условию устойчивости; ширина сечения Ъ = (0,4…0,5) А.

Сечение арки бывает прямоугольным или двутавровым с отношением Л/Л < 6. В стенке двутавра для облегчения конструкции и пропуска инженерных комму­никаций могут устраиваться круглые или прямоугольные отверстия.

А=(1/40.. .1/60)1

3-338

Арки пологие, устанавливаемые на колонны или высокие стены, снабжают затяжками из стали (круглой, профильной) или железобетона с предварительно напряженной арматурой. Для уменьшения провисания затяжки через каждые 5…б м устанавливают стальные или железобетонные подвески.

Рис. 5.4. Варианты опирания железобетонных арок и способы погашения распора: а — затяжкой: б — контрфорсом; в — рамой; г — фундаментом; 1 — арка; 2 — затяжка; 3 — колонна: 4 — пилон; 5 — рама; б — фундамент; Г — подпольная затяжка

В конструктивном отношении выгодно очертание оси арки, близкое к кривой давления. В этом случае она испытывает только сжатие. При равномерно распре­деленной нагрузке и несмещаемых опорах кривая давления арки будет квадрат­ной параболой. Однако на практике полного совпадения оси арки с кривой дав­ления достичь не удается, так как из-за усадки и ползучести бетона, различных схем загружеиия временной нагрузкой неизбежно возникают изгибающие мо­менты.

В целях типизации конструкции и упрощения производства работ, очертание оси пологой двухшарнирной арки обычно выполняют по дуге окружности. В расчетной схеме ее очертание принимают по квадратной параболе. Усилия в се­чениях, вычисленные от разных загружений, сводят в таблицу, из которой уста­навливают их максимальное и минимальное расчетные значения.

Сечение арматуры верхнего пояса арки подбирают по формулам для внецент — ренно сжатых элементов. Для учета влияния продольного изгиба в плоскости кривизны расчетную длину принимают: для трехшарнирной арки — 0,585, для двухшарнирной — 0,54.9. для бесшарнирной — 0,365" (где S — длина дуги).

Затяжка работает на растяжение. Влиянием изгибающего момента в затяжке от собственного веса ввиду его малости пренебрегают. Арматуру затяжки двух­шарнирной арки подбирают из условий прочности по распору Fh = 0,9(ql2 / 8f):

As = Fh/Rs, (5.1)

Где As — площадь сечения арматуры; Rs — расчетное сопротивление арматуры,

В трехшарнирной арке при расположении опор в одном уровне распор Fh = = ql~ / 8f.

Конструирование арок выполняют по общим правилам для внецентренно сжатых элементов. Армирование верхнего пояса арки чаще всего принимают симметричным (рис. 5.5) — рабочие стержни располагаются по верхней и ниж­ней граням сечения, так как возможны знакопеременные моменты при загруже — нии половины арки снеговой нагрузкой.

В качестве рабочей арматуры верхнего пояса рекомендуется использовать стержни из стали классов A-II, А-Ш, а в затяжках — предварительно напряжен­ную арматуру классов А-IV, A-V, А-VI, В-П и др. или жесткую арматуру. Попе­речные силы в арке незначительны. Поперечную арматуру ставят по расчету или конструктивно.

Стыки блоков верхнего пояса сборной арки решаются путем сварки выпус­ков стержневой арматуры в зазорах между блоками с последующим замоноличи — ванием стыков, а непрерывность работы затяжки обеспечивается пропуском че­рез нее арматуры с последующим натяжением в опорных узлах. Узлы пологих арок даны на рис. 5.5 б, в.

Сквозные арки (см. рис. 5.3 б) характерны для пролетов более 36 м, когда применение сплошного сечения становится экономически нецелесообразным. В этом случае стенку арки заменяют решеткой, превращая ее в арочную ферму. Стрела подъема принимается по аналогии с простыми арками. Высота сечения арки И = (1/40 …1/60)/. Сечения поясов и решетки — прямоугольные, близкие к

Рис. 5.5. Сборная железобетонная арка с затяжкой:

А — общий вид: б — опорный узел с затяжкой из предварительно напряженного железобетона; в — то же, с затяжкой из круглой стали: 1 — рабочая арматура верхнего пояса; 2 — конструктив­ная арматура: 3 — хомуты; 4 — предварительно напряженная арматура нижнего пояса; 5 — обыч­ная арматура

Квадрату. Решетка верхнего пояса треугольная или безраскосная. Сечения эле­ментов арок в зависимости от знака усилия определяют по формулам для сжа­тых и растянутых стержней.

Как правило, сквозные арки делают сборными в виде унифицированных бло­ков постоянной высоты и длиной до 12 м.

М


Снеговой

\

М

М

Мешок

М

Рис, 6.8. Эпюры моментов в плитах складки, работающих в поперечном на­правлении по балочной схеме

Железобетонные своды

Сводчатые покрытия возводят в монолитном, сборном и сборно-монолитном железобетоне. Монолитные своды проектируются преимущественно цилиндри­ческими, а складчатыми и волнистыми — крайне редко. Толщина плиты моно­литного свода должна быть не менее 40 мм, а сборного — не менее 30 мм.

Сборные цилиндрические своды выполняют из цилиндрических ребристых, а полигональные — из плоских ребристых плит с размерами сторон 1,5×6 м или 3×6 м. Разновидностью цилиндрических сводов являются трехшарнирные сег­ментные своды, собираемые из панелей-оболочек КЖС, В зависимости от коли­чества сборных элементов своды бывают двух — или трехшарнирными. Покрытия до 24 м монтируют из двух половин со стыком в ключе (рис. 6.9).

Волнистые и складчатые своды из железобетона или армоцемента отличают­ся легкостью и экономичностью. Диапазон их пролетов — от 12 до 120 м. Стре­лу подъема/(в ключе) в зависимости от назначения и размеров здания, способа восприятия распора, архитектурных требований и других условий принимают в пределах от 1/2 до 1/10 пролета /. Оптимальная ширина Ъ складок (волн) состав­ляет (1/8…1/10)/. При пролетах до 24 м ширина Ь обычно равна 3 м и менее, а для больших пролетов — 3…12 м. Высоту сечения А из условия устойчивости назначают равной (1/30…1/60)/. Приведенная толщина / плиты (стенки) свода составляет, примерно, (1/400… 1/600)/.

Сборные своды проектируют из отдельных плоских плит, складчатых или волнистых элементов с прямолинейной или криволинейной осью. Поскольку в

1-1

Рис, 6,9, Сборные железобетонные своды:

А. б — полигональные из ребристых плит; в — сегментный из панелей-оболочек КЖС: I — рядо­вая панель; 2 — опорная панель; 3.4 — предварительно напряженная железобетонная или сталь­ная затяжка; 5 — подвеска; 6 — панель КЖС

Сводах возникают усилия внеиентренного сжатия, их обычно собирают из ненап­ряженных панелей, размеры которых (из условий транспортирования) составля­ют по ширине не более 3 м, а по длине не более 12 м. По торцам их усиливают ребрами жесткости, затяжками, диафрагмами, обеспечивающими устойчивость поперечного сечения.

Складчатые своды с треугольным поперечным сечением (см. рис. 6.6 а) обыч­но применяют для пролетов до 80 м. Ширину Ъ складки принимают, как прави­ло, в соответствии с шагом колонн, т. е. 6…12 м, но иногда 3 м и менее по архи­тектурным соображениям. Высоту поперечного сечения И складки назначают равной (1/4…1/10)6. Сборную конструкцию свода проектируют из железобетон­ных ребристых панелей, где толщина полки панели / > 30 мм, высота ребер Ир ~ = 120…160 мм 1/20 ширины панели) и шаг поперечных ребер 300…600 мм.

Складчатые своды с трапециевидным поперечным сечением (см. рис. 6.6 б) рекомендуется применять для пролетов до 36 м. Ширину Ь назначают не более 3 м, исходя из условия транспортирования элемента, а высоту И — (1/4…1/6в зависимости от величины перекрываемого пролета. Длину сборных элементов свода принимают в пределах от 2 до 6 м. Толщина ^ горизонтальных полок, в которых устанавливается рабочая арматура, принимается не менее 60 мм, а на­клонных стенок г— не менее 30 мм. Ширина ?^горизонтальных полок составля­ет примерно (1/8…1/10)А.

В монолитной конструкции складчатого свода для уменьшения толщины сте­нок устраивают в поперечном направлении ребра с образованием квадратных или прямоугольных полей. В этом случае наклонные стенки рассчитывают на изгиб как плиты, опертые по контуру, или многопролетные неразрезные.

Ребристые панели сборного складчатого свода рассчитывают на изгиб от местной снеговой нагрузки в направлении короткого пролета. Панели, имеющие примерно одинаковые размеры по длине и ширине, рассчитывают на местную нагрузку как опертые по контуру. Сечение арматуры в продольных ребрах пане­лей определяют из условия прочности при их транспортировании и монтаже.

В волнистых сводах с криволинейным поперечным сечением отдельная вол­на может иметь очертание окружности, синусоиды, криволинейного лотка и др. (см. рис. 6.6 в, г. д. е). Ширина волны Ъ может составлять 1,5…3 м, достигая иногда 6…12 м. Своды проектируют либо из тонкостенных панелей двоякой кри­визны, либо из ребристых цилиндрических панелей, а также бортовых элемен­тов. Длину панели принимают кратной длине свода.

Армирование стенки (плиты) свода осуществляется сварными сетками из проволоки класса Вр-1 диаметром 3…4 мм и размерами ячейки 200×200 мм. Реб­ра сборных панелей армируют сварными каркасами с рабочей арматурой из ста­ли класса А-Ш. В плитах толшиной 30…50 мм арматуру размещают в один ряд; при толщине плиты более 50 мм — в два ряда.

В сечениях железобетонных сводов применяют симметричную продольную ра­бочую арматуру вследствие возникновения вдоль пролета знакопеременных изгиба­ющих моментов. Рабочую продольную арматуру из стали класса А-Ш или Вр-1 уста­навливают по верху и по низу складки (волны) вдоль пролета свода (рис. 6.10).

Сборные элементы соединяют между собой с помощью накладок, привари­ваемых к закладным деталям или выпускам арматуры с последующим замоноли — чиванием швов (рис. 6.11). Своды рекомендуется проектировать с учетом воз­можности их монтажа укрупненными блоками.

Для предварительных расчетов допускается принимать установленную прак­тикой приведенную толщину бетона сводов: при пролетах до 30 м — 7 см; 30…48 м — 7,6 см; 60…72 м — 8 см; 80…96 м — 10… 12 см.

Расход стали в сводах с затяжками составляет при пролетах до 30 м — 15… 17 кг/м2, для 60…72 м — 20…23 кг/м2.

Рис. 6.10. Схемы армирования сводов:

А — с поперечным сечением треугольным; б — то же, с трапециевидным; в — то же, с криволи­нейным; 1 — рабочая арматура свода; 2 — рабочая арматура грани на действие местной нагрузки; 3,4 — арматура наклонных граней на действие местной нагрузки; 5 — арматура оболочки свода; б — монолитный бетон

4 3

Ж

В сводах могут предусматриваться проемы различной формы для зенитных светоаэрационных фонарей, вытяжных шахт и др. Допускается подвешивание гру­зоподъемного оборудования, трубопроводов, площадок и др., размещая их в мес-

Рис. 6.11. Сборный железобетонный складчатый свод треугольного профиля: а — общий вид: б — поперечное сечение; в — варианты стыка панелей; г — деталь опирания свода на крайнюю балку; д — то же, на среднюю балку: / — панель свода; 2 — закладные детали; 3 — накладка на сварке: 4 — выпуски арматуры; 5 — арматурная сетка в шве: б — бетон замоно — личивания; 7 — опорная балка; 8 — затяжка: 9 — колонна

Чеяа при длине диагонали ромбической панели, равной стороне 5.,.8-угольнмка, вписанного в полную окружность свода.

Двоякоскладчатые своды, состоящие из треугольных панелей, рассчитывают, рассматривая каждую складку как расчетную полосу арки с постоянной площа­дью рабочего сечения вдоль образующей. Двоякоскладчатые своды, собираемые из ромбических алюминиевых листовых панелей, согнутых по большой диаго­нали, соединяют между собой болтами или заклепками по краям панелей. При­ближенный расчет таких сводов основан на приведении сплошностенчатой си­стемы к стержневой [5].

Разновидностью рассматриваемых выше конструкций являются структурные своды (рис. 6.12 в). Их собирают из тонкостенных пирамид, соединяя вершины стержнями кольцевого и продольного или косого (по винтовой линии) направле­ний. Материалом пирамид может служить листовой металл, фанера, пластмас­сы, реже армоцемент и железобетон. В результате возникает двухпоясная систе­ма, где одним поясом служит стержневая сетка, а другим — ребра пирамид, ко­торыми они состыкованы. Ребра пирамид выполняют роль раскосов структуры, а их грани — ограждающей конструкции.

Существует другой вариант структурного свода (например, из стеклопласти­ка), где пирамиды заменены ромбовидными в плане элементами с седловидной поверхностью (гипарами), которые обладают большей жесткостью формы, не­жели плоские грани пирамид [5].

Сводчатые покрытия из древесины, пластмасс и металла не нашли в строи­тельстве широкого применения, хотя обладают потенциальными возможностями и успешно выполняются в железобетоне и армоцементе.

Общие сведения

Поверхность цилиндрической оболочки может быть образована скольжени­ем прямой линии по произвольной криволинейной направляющей или вращени­ем отрезка прямой вокруг некоторой оси (см. рис. 6.3 в). По геометрическому признаку это поверхность одинарной или нулевой гауссовой кривизны и может рассматриваться как поверхность переноса или вращения (см. раздел 6).

В зависимости от вида криволинейной направляющей различают круговые, параболические, эллиптические и другие типы оболочек; при этом наиболее рас­пространенным, благодаря простоте изготовления, является круговое очертание.

Конструкция покрытия состоит из следующих основных элементов: тонкой плиты, очерченной по цилиндрической поверхности, бортовых элементов вдоль крайних образующих и поперечных диафрагм по криволинейным краям, опира­ющихся на колонны (рис. 7.1). Диафрагмы решаются в виде арок, сегментных

Ферм, фронтонных стен или фахверков. Тонкостенная плита может быть гладкой

Или ребристой (обычно выполняемой из железобетона).

Основные параметры оболочки (см. рис. 7.1 а): /; — пролет (расстояние меж­ду осями опорных диафрагм); 12— длина волны (расстояние между бортовыми элементами); i — толщина плиты; Н — полная высота, включая бортовой эле­мент; И > — высота бортового элемента; Ь — ширина бортового элемента; / — стрела подъема //- /г — И ?г

Направление по образующей, вдоль пролета I;. называется продольным, а по направляющей, вдоль волны 12, — поперечным.

Оболочки могут быть одно — и многопролетными, одно — и многоволновыми, а также консольными. На стыке многопролетных оболочек устраивают общие ди­афрагмы, а многоволновые оболочки имеют общие бортовые элементы.

Соотношение параметров 1} и 12 в значительной мере определяет характер работы покрытия. Поэтому цилиндрические оболочки условно делят на группы: длинные — ////2 >1 и короткие — ??/12 < 1 (см. рис. 7.1 а, г).

Длинную оболочку в первом приближении можно рассматривать как балку пролетом // криволинейного поперечного сечения. Однако в действительности ее работа более сложная. В пологой оболочке распор в поперечном направлении существенен и предпочтительны горизонтально расположенные бортовые эле­менты. В оболочках подъемистых распор меньше, и его можно передать верти­кальным бортовым элементам, которые нередко конструктивно выполняют в виде утолщений краев оболочки.

Короткая оболочка характеризуется преобладанием «арочной» работы над «балочной».

Цилиндрические оболочки делают, в основном, из железобетона, но имеются примеры их выполнения из клееной древесины и пластмасс (стеклопластиков).

Рис. 7.1. Цилиндрические оболочки:

Длинные: а — однопролетная; б — многопролетная; в — многоволновая; корот­кие: г — однопролетная; д — многопролетная; е — шедовая; 1 — оболочка; 2 — бортовой элемент; 3 — торцевая диафрагма в виде балки переменного сечения; 4 — то же, арки; 5 — то же, фермы

4-338

(1/10… 1/1i

(1/20…1/25)//;/= (1/6…1/8)l2; h, = (1/20… 1/30)//.

T = (1/200…l/300)/2, но не!

I

I

I

/ S ——— /

/-С jpu

.1..4,!

I

Hi! L ‘L1

Рис. 7.3. К расчету цилиндрической оболочки:

А — расчетная схема: б. в — эпюры изгибающих моментов М и поперечных сил а — расчетное поперечное сечение оболочки и усилия в стадии предельного равновесия

Бортовые элементы проектируют в виде балок прямоугольного или двутаврово­го поперечного сечения, как правило, с предварительно напряженной арматурой.

Расчет длинной оболочки в продольном направлении сводится к определе­нию площади сечения растянутой арматуры в бортовых элементах. С этой целью находят расчетные усилия: изгибающий момент М и поперечную силу ():

TOC \o "1-3" \h \z М = (ч,12)1,2/8\ (7.1)

Й = (Ч11 2)1,/2, (7.2)

Где Ц] — нагрузка на 1 м2 плана.

Растягивающее усилие, приходящееся на два бортовых элемента,

Л’, = М/ г — М / 0,8к0, (7.3)

Где И,) — рабочая высота сечения; с — плечо внутренней пары продольных уси­лий, приблизительно равное 0,8 Ип (0,8 — опытный коэффициент условия рабо­ты).

Необходимая площадь сечения продольной растянутой арматуры, устанавли­ваемой в одном бортовом элементе:

А5 = М, Ш8. (7.4)

Площадь арматуры в промежуточных бортовых элементах многоволновых оболочек удваивается.

Помимо балочных изгибающих моментов в оболочке действуют касательные усилия <Мху, достигающие наибольших значений на опорах (диафрагмах):

Мху=П = а5/1, (7.5)

Где () — балочная поперечная сила в опорном сечении оболочки; т— касатель­ное напряжение; Л’ — статический момент; / — момент инерции сечения.

Из общего количества продольной арматуры, определенной по формуле (7.4), в бортовом элементе располагают, примерно, 80 % площади сечения, причем

60 % концентрируют внизу (тип I). Остальную арматуру (20 %) размешают в ра­стянутой зоне плиты, примыкающей к бортовому элементу.

Сжатую зону плиты оболочки армируют в продольном направлении конст­руктивно проволокой или стержнями (сталь класса Вр-1, А-Ш) диаметром 5…6 мм и шагом 200…250 мм, общим сечением не менее 0,2 % площади сечения бетона. Поперечную (вдоль волны) арматуру определяют расчетом плиты в этом направлении и укладывают стержни в соответствии со знаком эпюры моментов. В монолитных оболочках стержни обоих видов объединяют в сетку (тип II), ко­торую размещают по всей оболочке. Плиту сборной оболочки армируют конст­руктивно сеткой из проволоки или стержней 0 4…6 мм с шагом 100×150 мм. Расчетную арматуру вдоль волны устанавливают в контурных ребрах сборной плиты.

Бортовые элементы армируют стержнями из арматурной стали классов А-IV, А-У, А-VI и арматурных канатов.

Вблизи диафрагм касательные силы Мм. имеют максимальные значения. Они вызывают главные растягивающие напряжения 8„„. направленные под углом 45° к прямолинейной образующей. Если 8Ш > то ставят дополнительную армату­ру — наклонные под углом 45° стержни или ортогональные сетки (тип III). Ее ан — керуют в бортовых элементах и диафрагмах. В местах примыкания оболочки к ди­афрагмам предусматривают арматуру (тип IV), определяемую в соответствии с краевыми изгибающими моментами. Армирование оболочки показано на рис. 7.4.

Устойчивость длинной цилиндрической оболочки считается обеспеченной, если нормальные и касательные напряжения не превосходят соответствующих значений, приведенных в работах [6], [12].

Рис. 7.4. Армирование длинной монолитной оболочки:

А — схема армирования; б, в — армирование оболочки, соответственно, у крайнего и промежу­точного бортовых элементов; г — то же, над промежуточной диафрагмой: 1 — плита; 2 — борто­вой элемент; 3 — бортовой элемент многоволновой оболочки; 4 — диафрагма многопролетной ободочки; 5 — основная арматура плиты; б — дополнительная арматура плиты: 7 — арматура бортового элемента

На диафрагму с оболочки передаются касательные силы Nxy, и рассчитывают ее, принимая во внимания взаимодействие с плитой оболочки. Статический рас­чет диафрагмы состоит в определении моментов М и сил N и (? от воздействия Ад-у с учетом конструктивных особенностей диафрагмы и ее собственного веса. Например, в диафрагмах-фермах касательные силы Л^, со срединной поверхно­сти оболочки переносят на ось верхнего пояса фермы с соответствующим мо­ментом и приводят к узловым нагрузкам. Определение продольных сил в эле­ментах ферм и их конструирование выполняют по обычным правилам строи­тельной механики.

Арочные диафрагмы с затяжками по конструкции подобны обычным аркам. Под действием сил Л^ средняя часть арки испытывает внецентренное растяже­ние, приопорные части — внецентренное сжатие, а затяжка — растяжение.

Наибольшее сжимающее усилие у вершины оболочки:

Не, тис = — 411?Я, (7.6)

Где Л = (+ 4р ) / 8/ — радиус кривизны плиты.

В балочной диафрагме действует усилие той же величины, но обратного знака.

Если диафрагма выполнена в виде арки с затяжкой или сегментной фермы, то растягивающее усилие в затяжке или нижнем поясе фермы:

= 16/. (7.7)

Затяжку (нижний пояс) рассчитывают как растянутый элемент с напрягаемой арматурой, проверяя прочность его сечения на сжатие, вызываемое предвари­тельным напряжением.

В условиях строительства по индивидуальным проектам и отсутствия произ­водственной базы сборного железобетона возведение монолитных оболочек, не­смотря на сложность опалубки и производства работ, себя оправдывает.

В сборных покрытиях применяют два варианта разрезки на сборные элемен­ты (рис. 7.5). В первом варианте плиту оболочки и бортовой элемент объединя-

Рис. 7.5. Сборные длинные цилиндрические оболочки:

А, б — схемы разрезки оболочки на сборные элементы; 1 — полупанель, совмещенная с борто­вым элементом; 2 — панель, отделенная от бортового элемента; 5 — бортовой элемент; 4 — за­тяжка; 5 — предварительно напряженная арматура (в каналах)

Высотой h] = (1/10…1/15)1] и шириной b = (l/5…1/2)/t/. Толщина t ребристых

B20…B40^

М=(Ч112,Ц2/8, (7.8)

"Ч"

0.1 h o. a.

I-i

Г:

1 f—Т

IJtn

/

А)

ЧЮ…ЗШ,

Г\ „Л000

? V. /



.