Трущев - Пространственные металлические конструкции

Трущев А. Г.

Т 80 Пространственные металлические конструкции: Учеб. пособие для вузов. — М: Стройиздат, 1983.— 215 с, ил.

Изложены сведения о конструктивных решениях различных  пространственных металлических покрытий зданий и основные положения о приближенном расчете винтовых, мембранных и решетчатых  конструкций. Приведены справочные данные для проектировании  пространственных металлических покрытий.

Для студентов архитектурной специальности (!201) высших учебных заведений

Стройиздат, 1983

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решениями XXVI съезда КПСС «предусматривается повысить уровень индустриализации строительного производства и степень заводской готовности конструкций и деталей, расширить применение новых эффективных  конструкций, наращивать выпуск прогрессивных металлических конструкций. В этой связи лрн подготовке специалистов архитектурного профиля значение  пространственных металлических конструкций становится особенно заметным.

Настоящее учебное пособие по пространственным металлическим конструкциям для студентов архитектурной специальности 1201 высших учебных  заведений соответствует программе «курса «Конструкции зданий и сооружений», утвержденной 10 сентября 1979 г. Учебно-методическим управлением по  высшему образованию Минвуза СССР, н раскрывает роль рассматриваемых  конструкций в выполнении намеченных партией и правительством задач в области строительства на одиннадцатую пятилетку и на последующий период.

В методическом отношении учебное пособие учитывает специфику  преподавания курса в части архитектурных и инженерных конструкций для студентов специальности «Архитектура»: при наиболее а полном изложении  различных приемов решения пространственных металлических покрытий для  большепролетных сооружений расчеты конструкций изложены с максимально  возможными упрощениями, в доступной форме раскрывающими напряженное  состояние всех несущих элементов.

Материал учебного пособия систематизированно и компактно охватывает конструктивные решения различных типов бинтовых, мембранных, перекрестно-стержневых и сетчатых покрытий. Из научно-методических соображений  пособие не только освещает опыт проектирования прогрессивных конструкций, но и последовательно направляет студента архитектурной специальности на изучение пространственных покрытий и дальнейшее развитие их архитектурно-конструктивных форм.

Учебное пособие состоит из двух разделов с делением их на 13 глав. При этом подобие включает такой материал, который в остальных учебниках или учебных пособиях раскрыт минимально или вообще отсутствует. В пособии приведены примеры расчетов основных типов пространственных металлических конструкций, что позволяет студенту в ходе учебного процесса проектировать практически любое большепролетное покрытие.

Изложенный в «пособии материал основан на действующих строительных  нормах и правилах. В расчетах конструкций применена Международная система физических единиц СИ согласно стандарту Совета Экономической Взаимопомощи СТ СЭВ 1052-78 «Метрология. Единицы физических величин» и Перечню единиц физических величин, подлежащих [применению в строительстве (СН 528-80).

При подготовке книги учтены замечания н рекомендации, высказанные при рецензировании профессорами Н, М. Кирсановым, Ю. Л. Сопоцько и В. К- Фаибишенко, которым автор выражает глубокую признательность.

 

Раздел первый. ВИСЯЧИЕ ПОКРЫТИЯ

Г л а в а I. Общие сведения

В висячих конструкциях покрытий основными несущими элементами, перекрывающими пролет, являются гибкие стальные нити или тонколистовые металлические мембраны. Эти покрытия получили широкое распространение при строительстве зданий с большими пролетами: спортивных залов, стадионов, выставочных павильонов, кинотеатров, торговых залов, цирков, рынков,  аэровокзалов, гаражей, производственных цехов и т.п.,.

Вантовые и мембранные покрытия выгодно отличаются от традиционных стальных конструкций. К их основным достоинствам  относятся следующие:

в растянутых элементах эффективно используется вся площадь сечения вант или листов и применяются высокопрочные стали, что обеспечивает малую массу несущей конструкции;

при монтаже покрытия, как правило, не требуются леса и  подмости, что упрощает возведение покрытия;

ванты, свернутые в бухты, или тонколистовые ленты свернутые в рулоны, обеспечивают хорошую транспортабельность покрытия;

с увеличением перекрываемого пролета экономичность покрытия возрастает, Поскольку масса несущей конструкции остается относительно малой;

своеобразные конструктивные формы покрытия позволяют повышать эстетическую выразительность сооружения;

в большинстве случаев благодаря своей форме висячие  покрытия создают -в здании наиболее благоприятные условия акустики, видимости, освещенности.

Висячим покрытиям присущи и некоторые конструктивные недостатки, обусловленные спецификой распорных систем и высокопрочности материалов несущих элементов:

повышенная деформативность покрытий, которая вызывается тем, что ванты или мембраны могут изменять свою начальную  геометрическую форму. Для обеспечения жесткости покрытия  приходится применять дополнительные конструктивные мероприятия. В этом смысле недостаток можно рассматривать как особенность висячего покрытия;

необходимость устраивать специальную опорную конструкцию для воспринятая распора от вант или мембраны, что увеличивает стоимость покрытия;

трудность в отдельных случаях отвода воды с покрытия.

В завершение следует отметить, что преимущества висячих покрытий доминируют над недостатками, чем объясняется все более широкое распространение этих конструкций.

Висячие системы для покрытий зданий впервые были  предложены выдающимся русским инженером и ученым В. Г. Шуховым (1853—1939гг.). Он спроектировал и осуществил в 1896 г.  покрытия инженерно-строительных (павильонов Всероссийской художественной и промышленной выставки) Нижнем Новгороде (рис. 1.1). Пространственная сетка этих покрытий представляла собой поверхность однополюсного гиперболоида и была выполнена из взаимно пересекающихся лент полосовой стали. Павильон  круглой формы (рис. 1.1, а) имел диаметр наружного кольца 68 м, павильон овальной формы (рис. 1.1,6) был выполнен размером 98х51 м

Долгое время в строительстве висячие покрытия не применяли. Опасения сводились к тому, что свойства таких покрытий недостаточно изучены, отсутствуют надежные методы расчета. В 1950 г. архитектор Новицкий впервые разработал покрытие в виде ортогональной вантовой сети и в 1952 г. по его проекту в США в г. Рэлей (штат Северная Каролина) выл перекрыт спортивный зал размером в плане 97х92 м (рис. 1.2.). Конструкция  покрытия состоит из двух наклонных железобетонных арок параболического очертания, между которыми натянуты (Продольные и  'поперечные стальные канаты. Небольшая собственная масса  покрытия (около 30 кг на 1 м2), низкая стоимость сооружения и  выразительность седлообразной формы поверхности привлекли  внимание архитекторов многих стран. Такая форма покрытия нашла широкое (применение в общественных сооружениях, в том числе и в СССР (киноконцертный зал «Украина» в Харькове, певческая эстрада в Таллине, летний кинотеатр в Баку, эстрада в Паланге и др.).

В 1953 г. по проекту архитектора Шеллинга был перекрыт  зрелищный зал в г, Карлсруэ (ФРГ). В плане зал имеет  эллиптическую форму с размерами по осям 75, 5х48,6 м. Покрытие решено с наружным опорным кольцом, изогнутым в вертикальной плоскости на 6м и опирающимся на железобетонные стойки. Вантовая сеть образует седлообразную форму покрытия; по большой оси канаты провисают, в поперечном направлении они имеют  обратную кривизну (рис. I. 3). В нашей стране подобная система покрытия применена в цирках, построенных в гг. Куйбышеве, Новосибирске, Донецке, Уфе, Кривом Plore, Перми,  Ворошиловграде (см. рис. IV. 3).

Первое вогнутое радиальное покрытие появилось в 1956 г. Оно было применено по проекту архитектора Риоса в Монтевидео (Уругвай) для стадиона круглой формы в плане диаметром 94 м.

Жесткость покрытия была обеспечена предварительным  напряжением кровли путем временного пригруза железобетонных плит кирпичом.

В 1958 г. на Всемирной выставке в Брюсселе по проекту архитектора Стоуна павильон США был перекрыт двухпоясной  радиальной. Байтовой системой. В плане павильон имел круглое  очертание диаметром 104 .м. Система стальных канатов передавала распор на наружное кольцо и центральный барабан диаметром 20 м и высотой 8,5 м.

После первого применения висячих покрытий прошло около трех десятилетий. За это время они все шире и шире внедрялись в  строительную практику. Следует, отметить, что стремление использовать положительные свойства висячих покрытий, (поиски архитектурного образа, решение различных проблем проектирования и возведения покрытий привели к быстрому развитию типов этих  конструкций. В настоящее время различные системы покрытий позволили создать весьма выразительные и оригинальные произведения  современной архитектуры.

В литературе имеются разнообразные предложения по классификации покрытий, которые охватывают различные признаки:  геометрию поверхности, форму сооружения в плане, конструктивную схему вант, материал покрытия, характер обеспечения жесткости и т. п. Поскольку практически любое висячее покрытие состоит из пролетной части и опорного контура, то целесообразно делить  покрытия в зависимости от конструктивных и статических особенностей на следующие основные схемы: висячие оболочки, Вантовые покрытия, висячие фермы и балки, мембраны, комбинированные системы, подвесные конструкции.

Висячие оболочки образуются путем укладки на ванты  железобетонных, армоцементных или керамзитобетонных плит с  последующим замоноличиванием швов вместе с вантами для обеспечения жесткости покрытия. Висячие оболочки образуются  также при укладке монолитного бетона по вантам. По конструктивному решению все висячие оболочки являются однопоясными системами и имеют плоский опорный контур. Ванты в таких  покрытиях располагают параллельно или радиально, в отдельных  случаях возможно применение пересекающихся вант в виде  провисающей сети.

Вантовыми считают такие покрытия, в которых жесткость обеспечивается путем использования системы несущих и  стабилизирующих вант, образующих двухпоясную конструкцию или сеть.

Вантовая сеть всегда имеет поверхность отрицательной гауссовой кривизны. Байтовое покрытие может быть выполнено из нитей, натянутых как струны. После укладки элементов кровли вантовая система, как правило, продолжает работать без обеспечения совместной работы ограждающих элементов между собой и с  опорным контуром. В висячей оболочке Байтовую схему используют как промежуточную стадию при строительстве.

Висячие фермы и балки представляют собой жесткие ванты. Их используют для стабилизации покрытий с легкой кровлей.

Мембраны являются висячими оболочками, в которых пролетная несущая конструкция выполнена из тонколистового металла (стали или алюминиевого сплава).

Комбинированные системы состоят из гибких вант и жестких элементов. Жесткие элементы применяют для стабилизации формы покрытия и распределения сосредоточенных и неравномерных  нагрузок на несколько несущих вант.

Подвесные конструкции образуют комбинацией внешних тросов и жестких балок или ферм.

На основании изложенных выше отличительных признаков основных схем висячих покрытий в настоящем учебном пособии предлагается такое деление покрытий для последующего  рассмотрения их конструктивных решений:

висячие оболочки с параллельными вантами;

висячие оболочки с радиальными вантами;

двухпоясные покрытия с параллельными вантами;

двухпоясные покрытия с радиальными вантами;

покрытия с вантовыми сетями покрытия с висячими фермами и балками (жесткими вантами);

мембранные покрытия;

комбинированные системы покрытий;

подвесные покрытия.

Материалом для вант в висячих покрытиях служит сталь, которую применяют в виде канатов, арматурных стержней и пучков из высокопрочной проволоки.

Для сравнительно небольших пролетов используют ванты из арматурной стали периодического профиля классов А-III и A-IV. Максимальный диаметр стержневой арматуры для вант ограничен 40 мм. Сортамент горячекатаной арматурной стали приведен в прил. 12.

 

...