Классификация большепролетных конструкций. Архитектурно-конструктивные элементы стен

 

ИПК СПБГАСУ  
Институт повышения квалификации и профессиональной переподготовки специалистов  
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования 
«Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

 

Специальность: промышленное и гражданское строительство

Предмет: Архитектура ( Части зданий)

 

 

Тема:

- Классификация  большепролетных конструкций

- Архитектурно-конструктивные элементы стен

 

 

 

Преподаватель       Е. А.  Шестеров

Выполнил               В. С. Васильев

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт – Петербург 2013

 

 

Классификация большепролетных  конструкций

 

Классификация большепролетных  конструкций по типам конструктивных схем покрытия зданий и сооружений приведена в примечании 1.

Балочные покрытия — состоят  из главных поперечных пространственных и плоских промежуточных балок  конструкций – прогонов. Характеризуются  отсутствием распора от конструкции  покрытия, что существенно «упрощает» характер работы несущих элементов  каркаса и фундаментов. Главный  недостаток – большой расход стали  и значительная строительная  высота самих пролетных конструкций. Поэтому они могут применяться в пролетах до 100 м и, главным образом, в производствах, характеризующихся необходимостью применения тяжелых мостовых кранов.

Рамные покрытия характеризуются  по сравнению с балочными меньшей  массой, большей жесткостью и меньшей  строительной высотой. Могут применяться  в зданиях пролетом до 120 м.

Арочные покрытия  по статической схеме подразделяются на 2х, 3х и бесшарнирные. Они  имеют  меньшую  массу  чем  балочные  и  рамные,  но  более сложны в изготовлении и монтаже. Качественная характеристика  арок в основном зависит от их высоты и очертания. Оптимальная высота арки –  1/4 …1/6 пролета. Наилучшее очертание, если геометрическая ось совпадает с кривой давления. Сечения арок делают решетчатыми или сплошными высотой соответственно  1/30 … 1/60 и 1/50 … 1/80 пролета. Арочные покрытия используются при величине пролета до 200 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Возможности применения пространственных конструкций

 

Пространственные покрытия  характерны тем, что оси всех несущих элементов не лежат в одной плоскости. Они подразделяются на: купола и оболочки, характеризующиеся  как трехмерные несущие конструкции, отличающиеся пространственной работой и состоящие из поверхностей одинарной или двойной кривизны. Под оболочкой понимается структура, форма которой представляет криволинейную поверхность с достаточно малой ее толщиной по сравнению с самой поверхностью. Основное отличие оболочек от сводов состоит в том, что в них возникают и растягивающие и сжимающие усилия.

Ребристые купола состоят  из  системы плоских ферм, связанных понизу и поверху опорными кольцами. Верхние пояса ферм образуют поверхность вращения (сферическую, параболическую). Такой купол является распорной системой, в которой нижнее кольцо подвергается растяжению, а верхнее – сжатию.

Ребристо-кольцевые купола образуются  ребристыми полуарками, опирающимися на нижнее кольцо. Ребра по высоте связывают горизонтальными кольцевыми балками. По несущим ребрам могут быть уложены криволинейные плиты из легкого бетона или стальной настил. Опорное кольцо, как правило, железобетонное и преднапряженное.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями проектируются, главным образом, из металлоконструкций. Введение в систему ребристо-кольцевых  элементов диагональных связей позволяет  более рационально распределить сжато-растянутые и изгибающие усилия, что обеспечивает малый расход металла  и стоимость самого купольного покрытия.

Структурные покрытия применяются  для перекрытия больших пролетов промышленного и гражданского назначения. Это пространственно -  стержневые системы, отличающиеся тем, что при их формировании появляется возможность применения  многократно повторяющихся элементов. Наибольшее распространение получили структуры типа:  ЦНИИСК, «Кисловодск», «Берлин», «МАРХИ» и др.

Висячие покрытия (ванты  и мембраны) – основными несущими элементами являются гибкие стальные канаты или тонкостенные  листовые металлические конструкции  ортогонально растянутые на опорные контуры.

Ванты и мембраны существенно  отличаются от традиционных конструкций. К их достоинствам относится: растянутые элементы эффективно используются по всей площади сечения; обеспечивается малая масса несущей конструкции, возведение этих конструкций  не требует устройства лесов и подмостей висячих покрытий. Чем больше пролет здания, тем более экономична конструкция покрытия. Однако им присуще и свои недостатки:

Повышенная деформативность  покрытия. Для обеспечения жесткости покрытия приходится принимать дополнительные конструктивные решения за счет введения стабилизирующих элементов;

 Необходимость устраивать  специальную опорную конструкцию  в виде опорного контура для  восприятия  «распора» от вант или мембраны, что  увеличивает стоимость  покрытия.

 

Примечание 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КАРКАСНЫЕ СИСТЕМЫ

Основными типами каркасов зданий павильонного типа, описанными ниже, являются:

1. Колонные каркасы  
   -балочные опоры  
   -опоры-фермы  
   -опоры с затяжками

 
2. Арочные каркасы 

 
3. Круговые каркасы

  
4. Прочие каркасы  
   
Внутри этих типов существует много вариантов, различающихся как в отношении формы поперечного разреза, так и сочленений и различных деталей.

ПКФ «Деревянные  конструкции» производит арки и пролеты  до 36-38 метров.  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Оптимизация каркаса  и оболочки  
   
С точки зрения архитектурного проектирования для оптимизации каркаса и оболочки главным фактором является назначение здания и связанные с этим – возможно, меняющиеся – условия его использования. Здание в первую очередь должно отвечать своему основному назначению, при необходимости и в изменяющихся условиях. Выбор типа каркаса существенно влияет не только на функциональные качества здания, но и на стоимость строительства, так как правильно выбранное решение обеспечивает также экономичность возведения оболочки. Для оптимизации каркаса и оболочки необходима совместная работа архитектора и конструктора-проектировщика, а при необходимости также использование опыта поставщика деталей для здания.

Рекомендуемые размеры  пролетов и типы каркасов:

Длина пролета	Тип каркаса
< 30 м	балочные опоры
25-65 м	опоры-фермы
15-50 м	опоры с затяжками
40-100 м	арочные каркасы
10-30 м	рамочные каркасы

Выбор типа каркаса  зависит не только от размеров здания. Для легкоатлетических, футбольных и многофункциональных залов  требуются обычно большие площади  без колонн, в связи с чем  конструкция из колонных опор и балок  оказывается недостаточной, и тогда  выбирается более солидный вариант. Если колонны могут размещаться  не только вдоль наружных стен, а  внутри здание может состоять не из одного нефа, то и при больших  размерах здание может быть выполнено  с применением системы колонны-балки.  

С точки зрения архитектуры  зданий павильонного типа центральной  задачей является выбор формы  поперечного разреза. Разрез часто  имеет прямоугольную форму или  близкую к ней, если в качестве опоры для крыши используются прямые балки или покатые двухскатные  балки, невысокие арочные или  односкатные балки. Для тех видов  зданий, где нужна стандартная  высота, такое решение хорошо подходит и может оказаться оптимальным  также с точки зрения сохранения тепла. Но всегда есть смысл сравнить и преимущества, предоставляемые  другими формами поперечного  разреза. В зависимости от конкретного  случая такими факторами могут быть, например:  
   
- возможность обеспечить большую высоту в центре для залов, предназначенных  для игр с мячом;  
- возможность использования боковых более низких частей здания;  
- удовлетворение потребностей в вентиляции или размещении оборудования в центральной части;     
- обеспечение верхнего освещения;  
- устройство нескольких уровней, балконов, трибун;  
- интерьерные и архитектурные требования.

Безригельно-стоечные каркасы

Безригельно-стоечным каркасам, как правило, придается  т.н. «мачтовая жесткость», по крайней  мере в поперечном направлении. В  торцовых частях здания устанавливаются  т.н. «ветровые» колонны, которые закрепляются либо жестко, либо на шарнирах. Ветровая нагрузка на торцы здания через конструкции  верхнего перекрытия или с помощью  специальной решетки, встроенной в  верхнее перекрытие, передается на основные колонны каркаса, которым  придается дополнительная жесткость  в продольном направлении, например, с помощью ветровых решеток.  
В безригельно-стоечных каркасах на основных колоннах устанавливаются опоры перекрытия, которыми являются, как правило, балки, решетки, фермы с затяжками или арки. Межэтажное перекрытие опирается на стены или на специальный колонно-балочный каркас.  
Для безригельно-стоечных каркасов наиболее эффективны пролеты длиной 6 – 8 м, в торцах – 5 – 8 м. С точки зрения использования деталей каркаса и стен выгоднее всего, чтобы количество основных стоек было кратно трем, а в торцах – кратно двум.  
Для безригельно-стоечных каркасов стойки обычно делаются из клееной древесины или из клееной фанеры. Основания стоек крепятся к фундаменту болтами, либо с помощью сварки. Верхний край фундамента поднимается над уровнем готового пола по крайней мере на 100 мм.  
Опоры перекрытия крепятся с помощью шиповых соединений по бокам стоек, либо с помощью стальных полосок. При наклоне опор перекрытия в сторону противоположных стен можно получить в центре другую, чем повсюду, высоту.  
При безригельно-стоечных каркасах членение наружных стен может быть сравнительно свободным. В двух пролетах между опорами членение ограничивается наличием решетки жесткости. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Балочные  опоры  
   
Балочные опоры бывают по форме:  
-прямые  
-двухскатные, распорные и односкатные  
-в форме бумеранга  
   
Наибольшая длина пролета для прямой и двухскатной балки зависит от технологических причин: наибольшая возможная высота балки составляет ок. двух метров, так что длина пролета, исходя из нагрузки, составляет примерно 26 – 30 м.  
Пожаростойкость массивной балки сама по себе большая, и ее несложно повысить путем увеличения ширины и/или высоты балки.    
Балки из клееной фанеры могут быть массивными, или иметь в  
разрезе форму буквы I или коробчатую. Из-за простоты формы особенно рекомендуемым решением опоры верхнего перекрытия для зала с одним или несколькими нефами и длиной пролета 15-25 м. является двухскатная балка. Для залов с несколькими нефами наклон может быть выполнен и с помощью прямых балок, установленных наклонно в сторону стен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 2. Здание павильонного типа, выполнено с применением  балок в форме бумеранга, вид  снаружи.

 
   
Рис 1. Деревянное здание павильонного типа с балками в форме бумеранга. Рекомендуемая длинна пролета 10-20 м. 

 

 

 

Решетчатые  опоры (фермы)

Решетчатые опоры  изготавливаются из клееного дерева или из клееной фанеры. В сопряжениях  со стержнями используются двух-, четырех-, или шестисегментные стальные пластины или шиповые нагели. Опорная реакция  фермы передается колоннам через  посредство стальных деталей. Детали сопряжения остаются внутри деревянной конструкции, в связи с чем здание по пожарной безопасности относится к классу R30. Требования класса R60 достигаются  путем увеличения боковых размеров колонн в соответствии с пунктом 6.4.  
Верхний пояс фермы может быть закругленным или представлять собой ломаную линию. Ферма обычно крепится к колоннам за верхний пояс.  
Ферму можно частично собрать на стройплощадке, в таком случае транспортировка не будет ставить ограничений для ее размеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 4. Павильон, выполнен с применением решетчатых конструкций, вид снаружи.

Рис 3. Деревянный павильон с применением решетчатых конструкций. Рекомендуемая длинна пролета 20-65 м.

 
 

 

 

Фермы с  затяжками

Фермы с затяжками  – это тот тип опор, у которых  верхний пояс сплошной, а в качестве нижнего пояса выступает тяговая  штанга без диагональных стержней. Верхний пояс рассчитывается как  на нормальное усилие, так и на момент изгиба. Верхний пояс может быть в форме арки, ломаной линии  или треугольника.