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 новым формам конструкций, что дает особенно большой эффект в покрытиях.
Большепролетные конструкции покрытий можно разделить по их статической работе на две основных группы систем большепролетных покрытий: плоскостные (балки, фермы, рамы, арки); пространственные (оболочки, складки, висячие системы, перекрестно-стержневые системы и др.).
Балочные, рамные и арочные, плоскостные системы большепролетных покрытий проектируются обычно без учета совместной работы всех несущих элементов, так как отдельные плоские диски соединяются друг с другом сравнительно слабыми связями, не способными существенно распределить нагрузки. Это обстоятельство, естественно приводит к увеличению массы конструкций [1]. Для перераспределения нагрузок и снижения массы пространственных конструкций необходимы связи.
По материалу, применяемому для изготовления большепролетных конструкций, их разделяют на деревянные, металлические и железобетонные.
Основным правилом для сохранения деревянных конструкций является создание условий для их вентиляции или проветривания. Важно также обеспечить, сушку древесины перед ее применением в строительстве. В настоящее время деревообрабатывающая промышленность может обеспечить эффективную сушку современными методами, в том числе токами высокой частоты и т. д/ [2]. Улучшение биологической стойкости древесины легко достигается с помощью давно разработанных и освоенных методов пропитки ее различными эффективно действующими антисептика. Еще чаще возникают возражения против использования древесины по соображениям пожарной безопасности. Однако соблюдение элементарных правил противопожарной безопасности и надзора за сооружениями, а также использование антипиренов, повышающих огнестойкость древесины, позволяет значительно повысить противопожарные свойства древесины.
Деревянные купольные покрытия известны в отечественной практике с 1920-х гг. Первыми деревянными куполами в 1923 г. были перекрыты манеж и аудитории на ВСХВ в Москве. Еще одним примером строительства деревянного купола является купол для цирков в Саратове, диаметр 46 м. Купола оболочки выполнялись из ребер, кольцевых и косых настилов по ребрам, состоящих из 2–3 слоев досок толщиной 20–25 мм. Шаг ребер составлял 1–1,5 м. Ребра выполнялись из 3–4 слоев досок, изогнутых плашмя по меридиональному направлению, или в виде кружальных арок. В обоих случаях доски сшивались гвоздями. Формы первых куполов базировались на конструктивных идеях И. П. Кулибина по созданию многорешетчатых систем.
Металлические конструкции, главным образом стальные, применяются широко. Их достоинства: высокая прочность, относительно небольшая масса. Недостатком стальных конструкций является подверженность коррозии и низкая пожарная стойкость (потеря несущей способности при высоких температурах). Для борьбы с коррозией стальных конструкций существует много средств: окраска, покрытие полимерными пленками и т. д. В целях пожарной безопасности ответственные стальные конструкции можно обетонировать или осуществить набрызг на поверхность стальных конструкций теплоустойчивых бетонных смесей (вермикулит и т. д.).
Хрустальный дворец в лондонском Гайд-парке был построен в 1850–1851 гг. из чугуна и стекла к Всемирной выставке 1851 года. Выставочный зал площадью свыше 90 000 кв. м., протяжённостью 564 м и высотой до 33 м [4], выстроенный под руководством Джозефа Пакстона. Из кованого железа и стекла была построена Галерея машин на Парижской выставке 1889 г, архитектор А. Дюбер.
Железобетонные конструкции не подвержены гниению, ржавлению, обладают высокой пожарной стойкостью, но они тяжелы.
Поэтому при выборе материала для большепролетных конструкций необходимо отдавать предпочтение тому материалу, который в конкретных условиях строительства наилучшим образом отвечает поставленной задаче [3].
Классификация арочных покрытий по статической схеме
По статической схеме арки подразделяются на трехшарнирные, двухшарнирные и бесшарнирные. Наиболее распространенными являются двухшарнирные арки: они достаточно просты в изготовлении и монтаже, нечувствительны к неравномерным вертикальным смещениям опор, а напряжения от изменения температуры в них несущественны.
Трехшарнирные арки, как статически определимые системы, безразличны к осадкам опор и температурным воздействиям, однако, устройство шарнира в ключе осложняет как конструкцию самих арок, так и решение кровельного покрытия.
Бесшарнирные арки обладают преимуществами большей жесткости и меньшего расхода металла, вместе с тем они связаны с устройством более мощных опор и требуют обязательного расчета на прогнозируемую разность осадок опор и температурные воздействия (рис.1) [5].
Рис. 1. Типы арок по статической работе: а) трехшарнирная, б) двухшарнирная, в) бесшарнирная
Классификация арочных покрытий по способу восприятия распорных усилий
Арки так же как и рамные относятся к распорным конструкциям, т. е. для них характерно наличие горизонтальной составляющей опорной реакции (распора). По схеме опирания их делят на арки с затяжками, воспринимающими распор и на арки без затяжек, распор которых передается на на фундаменты или колонны-контрфорсы, а также на иные примыкающие конструкции, способные его воспринять (рис. 2).
Рис. 2. Типы арочных конструкций по способу восприятия распорных усилий: а — фундаментами; б — затяжкой; в — смежными конструкциями
Применение затяжек, которые, работая на растяжение, замыкают усилия внутри арочной конструкции, но значительно увеличивают строительную высоту. Одним из решений, позволяющих избежать этого, является пропуск затяжек в железобетонных коробах в подпольном пространстве ниже функционального объема конструкции (рис. 6), однако следует помнить, что такое решение требует специальных конструктивных мер, допускающих ревизию канатов затяжек, и ограничивает нагрузки на пол [6]. Затяжки изготавливают в большинстве случаев из арматуры или профильной стали. Возможно применение деревянных клееных затяжек, в условиях химически агрессивных сред, где металл будет коррозировать
Классификация арочных покрытий по типу сечения
Высота сечения арки зависит от пролета и соотношения между величинами постоянной и переменной нагрузок и принимается для решетчатых арок в пределах l/30 — l/60 пролета, для сплошных сечений l/50 — l/80.
Сплошные сечения в арках следует принимать при условии возможности вальцовки прокатных профиле. Сечения сквозных арок рекомендуется назначать постоянной высоты, т. е. с параллельными поясами, что наиболее полно отвечает характеру изменения усилий по длине. Вместе с тем имеется немало случаев применения переменных по высоте сечений, например, серповидных в двух- и трехшарнирных арочных покрытиях [5].
Классификация арочных покрытий по профилю (очертанию)
Пологие — двухшарнирные и трехшарнирные арки кругового очертания. Стрела подъема принимается f ≤1/6L, при соответствующем технико-экономическом обосновании может быть уменьшена до 1/7–1/8L.Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/20 до1/30L;
Высокие — стрельчатые трехшарнирные арки из элементов кругового очертания. Стрела подъема принимается f ≤1/3L-2/3L. Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/30 до1/50L;
Стрельчатые арки. Состоят из двух полуарок, оси которых располагаются на двух одинаковых частях окружности, стыкующихся под углом в коньковом шарнире, как правило, без затяжек. Расчетная схема трехшарнирная. Стрела подъема принимается f ≤1/3L-1/3L. Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/30 до1/40L;
Треугольные арки. Могут быть только трехшарнирными с затяжками или без них. Проще в изготовлении и монтаже. Стрела подъема принимается f ≤1/2L-1/5L. Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/20 до1/30L [7].
Литература:
- Отто Фрей, Тростель Рудольф. Пневматические строительные конструкции. Конструирование и расчет сооружений из тросов, сеток и мембран: Пер. С нем. М.: стройиздат, 1970. 175 с.
- Ермолов в. Архитектоника пневматических сооружений // архитектура ссср. 1973. № 5. С. 43–48.
- А. В. Демина, Здания с большепролетными покрытиями, Учебное пособие. Тамбов, Издательство ТГТУ 2003.
- Электронный ресурс “Хрустальный дворец” // URL: http://stroyjurnal.livejournal.com/464128.html
- В. В. Кузнецов. Металлические конструкции. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) /— М.: изд-во АСВ, 1998. — 512 стр. с илл.
- Марк Лоусон, А. И. Билык стальные конструкции в архитектуре, Украинский Центр Стального Строительства, 2014.
- Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине: «Конструкции из дерева и пластмасс «Для специальности 2903 «Промышленное и гражданское строительство» Часть II. Несущие конструкции. Арки.
