Л8. Покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами. Конструктивные решения.

Содержание:

1. Понятие изгибно-жесткие элементы

2. Работа растянутых изгибно- жестких элементов

3. Компоновка покрытий

4. Конструктивные решения.

Литература.

1. ПОНЯТИЕ ИЗГИБНО-ЖЕСТКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

Растянутыми изгибно-жесткими элементами называются прямолинейные или провисающие элементы, закрепленные по краям от перемещений и способные воспринимать растягивающие усилия и изгибающие моменты. Они подобны опрокинутым аркам, но работают на растяжение с изгибом. Изгибно-жесткие элементы выполняются в виде изогнутых ферм или двутавров—сварных или прокатных из малоуглеродистой или низколегированной стали.

Покрытие обычно состоит из системы параллельно или радиально (при круглом плане покрытия) расположенных элементов, на которые укладывается легкий щитовой настил (чаще всего профилированный стальной), не включаемый в работу основной несущей конструкции.

К преимуществам подобных покрытий следует отнести:

а) простоту конструктивной формы и индустриальность изготовления основных несущих элементов;

б) применение обычных конструктивных (недефицитных) сталей;

в) отсутствие осложняющего строительство процесса предварительного напряжения;

г) возможность получения необходимой жесткости покрытия при малой постоянной и большой временной нагрузках.

Однако эти покрытия имеют и недостатки:

а) они более металлоемки, чем мембраны, так как обычно не используют настил в работе основной несущей конструкции (есть предложение В. К. Чаадаева об использовании настила в составе несущих элементов покрытия) и более металлоемки, чем тросовые системы, так как выполняются из материалов значительно менее прочных (но и менее дорогих), чем стальные канаты и тросы;

б) они не используют пространственность работы покрытия (как мембраны), так как являются системами дискретными, и слабо помогают в работе опорной конструкции при неравновесных нагружениях, особенно в круглых покрытиях.

Их применение наиболее целесообразно для покрытий, имеющих малую постоянную и большую временную нагрузки, а также в случае повышенных требований к жесткости покрытия.

2. РАБОТА РАСТЯНУТЫХ ИЗГИБНО-ЖЕСТКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

По статической схеме элементы покрытия являются изгибно-жесткими нитями, и их работа может протекать по двум вариантам. Первоначально прямолинейная часть устанавливается на место своей будущей работы и при этом прогибается от действия собственного веса по веревочной кривой, соответствующей нагрузке. Прогибы такой нити достигают значительных размеров, и в это время в нити возникают изгибающие ее моменты и осевые растягивающие усилия, которые при дальнейшем приложении нагрузки будут увеличиваться так же, как и прогибы. В таких нитях изгибающие моменты достигают больших значений, так как даже постоянная нагрузка вызывает изгиб этих нитей. По первому варианту обычно работают изгибно-жесткие нити в провисающих трубопроводах.

Элементам висячих покрытий в процессе изготовления на заводе придается изогнутая форма, и они устанавливаются на место своей будущей работы уже в изогнутом состоянии. При этом форма их изгиба должна соответствовать веревочной кривой от постоянной нагрузки. Постоянная нагрузка, приложенная к такой нити, вызывает ее растяжение и сравнительно небольшой прогиб, определяемый удлинением нити. Этот прогиб в свою очередь вызывает появление небольших изгибающих нить моментов. Разница в прогибах изгибно-жестких нитей от постоянной нагрузки в вариантах определяет разницу в их работе и в значениях изгибающих моментов. При монтаже висячих покрытий, в которых в качестве изгибно-жестких нитей применены висячие фермы, иногда используют монтажный прием—замыкание узлов фермы после передачи на нее всей постоянной нагрузки. В этом случае один из поясов фермы, работая как гибкая нить (без моментов), воспринимает всю постоянную нагрузку, а изгибающие нить моменты будут появляться только от временной нагрузки после замыкания всех узлов фермы. Этот прием уменьшения изгибающих нить моментов при обеспечении ею необходимой стабилизации покрытия является оптимальным с точки зрения нити, но он связан с некоторым усложнением монтажных работ. Сопоставление уравнения с уравнением для гибкой нити показывает, что они отличаются членом, зависящим от изгибной жесткости и прогиба нити и определяющим изгибающий момент в ней. Критерием влияния изгибной жесткости на работу нити может служить параметр. Для нитей, имеющих начальный изгиб при действии односторонней нагрузки, влиянием изгибной жесткости для определения распора можно пренебречь. При равновесных или близких к ним нагружениях эта величина значительно уменьшается. Как было сказано ранее, прогиб нити состоит из ее упругой деформации и кинематических перемещений, вызванных действием неравновесной нагрузки. Отсюда можно сделать вывод, что равновесные нагрузки, вызывающие только упругие деформации нити, будут вызывать и малый изгибающий момент в ней, и, наоборот, неравновесные нагрузки, вызывающие кинематические перемещения, будут сильно увеличивать местные прогибы нити и, следовательно, изгибающие моменты в ней. Таким образом, для изгибно-жестких нитей, как и для гибких нитей, тоже очень важно выбирать кривую провеса по веревочной кривой от действия постоянной нагрузки, так как такой выбор сильно уменьшает изгибающие моменты в нити и лучше стабилизирует ее. Для работы изгибно-жестких нитей большое значение имеет податливость опор. В отличие от гибких нитей деформация опор под нагрузкой существенно меняет напряженное состояние изгибно-жестких нитей, сильно увеличивая расчетный изгибающий момент в них.

Деформативность опор должна определяться при этом с учетом работы всего покрытия. В этом случае податливость опор для каждой нити следует определять исходя из деформации арки от воздействия распоров, которые возникают в нитях от единичной нагрузки на покрытие, подобной по распределению расчетной, в предположении неподвижных опор у нитей.

3. КОМПОНОВКА ПОКРЫТИЙ.

Рассмотрение приведенных примеров показывает, что компоновка покрытий растянутыми изгибно-жесткими элементами заключается в равномерном параллельном или радиальном (при круглом плане покрытия) их размещении по покрытию на расстоянии 3 — 4, 5 м один от другого в зависимости от несущей способности настила. Элементы покрытия целесообразно связать одной или несколькими системами горизонтальных и вертикальных связей, что придает покрытию некоторую пространственную жесткость.

При выборе элемента сквозного сечения весьма целесообразно принять конструктивное решение и метод монтажа, позволяющий передать всю постоянную нагрузку на один из поясов фермы (с тросом или без него), работающий в это время как гибкая нить на чистое растяжение с последующим превращением фермы в изгибно-жесткий растянутый элемент путем замыкания узлов.

В качестве примера покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами можно привести покрытие Дворца спорта в Вильнюсе. В этом покрытии изгибно-жесткие элементы расположены параллельно друг другу с шагом 3 м и шарнирно закреплены по концам в железобетонной конструкции трибун с одной стороны и в железобетонной конструкции пристройки с другой; по ним уложено легкое щитовое покрытие. Сами элементы состоят из изогнутых ферм высотой 2, 3м, пояса которых выполнены из уголков, а решетка—из труб. К нижнему поясу ферм дополнительно присоединен трос диаметром 63 мм, который был использован при монтаже ферм и в последующем принимает участие в работе готового изгибно-жесткого растянутого элемента. Монтаж покрытия осуществлялся навеской тросов на железобетонные опорные конструкции, укладкой на два смежных троса блоков из кусков двух спаренных ферм размером 9x3 м, укладкой настила на верхние пояса ферм, последовательным скреплением поясов ферм двух соседних блоков в единую провисающую ферму и скреплением ее с тросом. Принятый метод обеспечивал монтаж покрытия без подмостей, легкое выполнение геометрии покрытия с провисанием ферм по квадратной параболе (являющейся веревочной кривой провеса от постоянной нагрузки), восприятие всей постоянной нагрузки только тросом, работающим на растяжение, и работу фермы только на временные нагрузки, главным образом неравновесные. Такое распределение работы изгибно-жесткого элемента—высокопрочного троса—на постоянную нагрузку и фермы с тросом на временную неравновесную нагрузку для придания необходимой жесткости покрытию весьма целесообразно и должно обеспечивать наименьший расход металла на покрытие растянутыми изгибно-жесткими элементами. Вертикальные и горизонтальные связи в покрытии связывают между собой середины ферм и препятствуют клавишному эффекту—резкому прогибу и горизонтальному смещению сечений одиночной фермы, нагруженной местной нагрузкой. Эти связи придают некоторую пространственную жесткость всему покрытию при действии неравномерных нагрузок, что благоприятно влияет на работу всего покрытия. Покрытие Олимпийского плавательного бассейна в Москве выполнено из изгибно-жестких элементов. Овальное в плане здание размером 126x104 м перекрыто изогнутыми по квадратной параболе фермами, расположенными параллельно с шагом 4, 5 м и шарнирно закрепленными в наклонных железобетонных арках, выполненных в металлической опалубке. По фермам уложены щиты профилированного стального настила с утеплителем и гидроизоляцией. Сами фермы имеют стрелу провеса f = 18«Vi6 пролета и высоту сечения 2, 5 м. Верхний и нижний пояса выполнены из швеллеров из стали 10Г2С1, а решетка—из уголков из стали СтЗ. Покрытие имеет систему горизонтальных и вертикальных связей, которые препятствуют свободному горизонтальному и вертикальному смещению неравномерно загруженной фермы и тем самым уменьшают ее кинематические перемещения—придают некоторую пространственность работе покрытия и перераспределяют неравномерную снеговую нагрузку между фермами. Во время монтажа ферм узлы нижнего пояса были не замкнуты, и верхний пояс, работая как гибкая нить, провиснув по квадратной параболе, воспринял всю постоянную нагрузку. Только после нагружения ферм всей постоянной нагрузкой были замкнуты их нижние пояса и фермы стали работать как изгибно-жесткие элементы. Данный метод монтажа был обоснован тем, что загружение покрытия постоянной нагрузкой вызывает значительные горизонтальные деформации опорных арок, т. е. сближение опор изгибно-жестких элементов. Это, в свою очередь, вызвало бы значительные изгибающие моменты в фермах от постоянной нагрузки, что нежелательно. Покрытие плавательного бассейна в Харькове размером 30X63 м выполнено из трехшарнирных спаренных изогнутых сварных двутавров высотой 700 мм, изготовленных из стали 14Г2, расположенных параллельно друг другу с шагом 6 м и шарнирно прикрепленных к наклонным пилонам. По этим изгибно-жестким элементам в направлении короткой стороны покрытия уложены прогоны из тонкостенных гнутых прогонов с шагом 3 м, а по прогонам уложена мембрана из алюминиевого сплава АМг-2п толщиной 7 = 1, 5 мм. Вследствие малой толщины и малого модуля упругости алюминиевой мембраны главную несущую и стабилизирующую роль выполняют гнутые стальные двутавры.

рис. 1. Покрытие Дворца спорта в Вильнюсе.

4. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ.

В конструктивном отношении изгибно-жесткие элементы обычно выполняют в виде гнутых двутавров или изогнутых ферм с традиционными узлами, нижние пояса которых иногда замыкают на монтаже. Интересно решены примененная в Вильнюсе изгибно-жесткая ферма, у которой нижний пояс подкреплен тросом, а также висячее покрытие из полносборных элементов, предложенное В. К. Чаадаевым.

Однопоясные системы с изгибно-жесткими нитями. В покрытиях этой системы в качестве несущих элементов обычно используют криволинейные двутавры или фермы, хорошо работающие как на растяжение, так и на изгиб. Их называют изгибно-жесткими нитями. Под действием внешней нагрузки они работают на растяжение с изгибом, причем для уменьшения изгиба от постоянной нагрузки кривую их провеса принимают по веревочной кривой от этой нагрузки или на время монтажа устраивают в них временные шарниры, превращая их в гибкую нить. Перед завершением строительства временные шарниры замыкают, и на временные нагрузки они работают как изгибно-жесткие нити. При действии неравномерно распределенной нагрузки изгибно-жесткие нити начинают сильно сопротивляться местному изгибу от кинематических перемещений, чем значительно уменьшают деформативность всего покрытия. Деформации опор также вызывают в них дополнительные изгибающие моменты.

рис. 2 Схема покрытия с жесткими нитями.

Нити выполняются в виде изогнутых сварных или прокатных двутавровых профилей или в виде изогнутых или прямолинейных ферм (рис.3).