Формообразование и узлы стальных структур

Структурные плиты, применяемые в строительстве, выполняются в основном из стали и алюминия; имеют обычно две поясные сетки, между которыми располагаются в большинстве случаев наклонно идущие раскосы. Известны также структуры из дерева, армоцемента, железобетона. Напряженное состояние структур от действия внешней нагрузки, включая крутящие моменты и возможную просадку опор, существенно зависит от геометрии сеток, которые могут быть подразделены на геометрически изменяемые, неизменяемые и смешанные, к которым относятся системы с одной изменяемой и второй неизменяемой поясными сетками.

К первым системам относится весьма распространенная в практике строительства система, состоящая из прямоугольных поясных ячеек, которая даже при заполнении каждой ячейки раскосами не воспринимает крутящие моменты (рис. 2.8.1, а). Общая геометрическая неизменяемость таких систем достигается путем постановки лишних опорных связей, придающих системе внешнюю статическую неопределимость. Так, например, в прямоугольной структурной плите (рис. 2.8.1, а) для обеспечения геометрической неизменяемости необходимо тремя горизонтальными опорными связями обеспечивать неподвижность системы в горизонтальной плоскости и поставить не менее четырех вертикальных опорных стержней по углам плиты. Обладая внутренней геометрической изменяемостью, в таких плитах проседание одной из опор не влияет на напряженное состояние системы в целом.

Геометрически неизменяемые поясные сетки будут в том случае, если в каждой прямоугольной ячейке поставить диагональный стержень или придать ячейкам треугольную форму (рис. 2.8.1, б). Такие системы с регулярной решеткой воспринимают крутящие моменты, отчего при их опирании на четыре вертикальные опоры или более просадка каждой опоры влечет изменение напряженного состояния всей системы.

В меньшей мере жесткостью на кручение обладают структуры, в которых одна сетка поясов геометрически неизменяема, другая — изменяема, например одна состоит из шестиугольников, другая — из треугольников (рис. 2.8.1, в).

Работа структурных плит на кручение приводит к уменьшению усилий в поясах от действия изгибающих моментов. Распределение усилий на диагональные направления вследствие восприятия кручения увеличивает общую жесткость системы, работа которой обычно соответствует расчетным моделям в интервале от ортотропной пластинки с нулевой жесткостью на кручение до изотропной пластинки.

Помимо структурных систем с регулярной решеткой, т. е. такой, в которой все ячейки заполнены раскосами, в практике строительства применяют структурные системы с так называемой разреженной решеткой, когда определенные ячейки не заполняются поясами или раскосами. Подобные решения с точки зрения производства имеют достаточные обоснования, однако в статическом отношении разрежение решетки способствует снижению общей жесткости. Эти конструкции отличаются определенными особенностями, правильное использование которых позволяет повысить экономическую эффективность строительства по сравнению с применением традиционных решений.

К этим особенностям относятся: пространственная жесткость конструкции и работоспособность при внезапных частичных разрушениях; малая строительная высота конструкции; возможность применения в качестве покрытий и перекрытий для большепролетных зальных помещений с произвольным планом, расстановкой опор и с различными условиями опирания на них несущих конструкций; однотипность сборных элементов и их унификация; сокращение пролета между несущими элементами с 6 или 12 м до 3...4 м в структурах создает условия для применения беспрогонных решений кровли.

Проблема подвесного транспорта при структурах решается значительно проще, чем в обычных покрытиях. Частая сетка узлов допускает подвес путей кранов, тельферов и конвейеров с минимальными дополнительными затратами в любой зоне конструкции, возможность крепления к конструкции практически в любом требуемом месте различного технологического оборудования, размещение технологического оборудования (вентиляции, электрики и т. д.) внутри покрытия.

В многоэтажных зданиях, когда помещения должны удовлетворять требованиям произвольной установки оборудования, а также при необходимости применять большепролетную сетку колонн, структуры являются весьма удачной конструкцией и для перекрытий.

Свойственная структурам однотипность узлов и стержневых элементов позволяет перейти к поточному механизированному производству металлических конструкций.

Стержневые структурные конструкции в большинстве случаев доставляют на место строительства в виде отдельных элементов или вкладываемых одна в другую стержневых пирамид, образующих в процессе транспортировки плотный штабель. Такие перевозки экономят транспортные средства. Структуры являются почти единственно возможной конструкцией заводского изготовления для труднодоступных районов, куда строительные элементы можно доставлять лишь авиацией. Монтаж их ведется укрупненными блоками без специальных поддерживающих лесов. Для структурных конструкций характерно применение плоских кровель — наиболее эффективных по расходу материалов и возможность устройства светоаэрационных проемов в покрытиях.

Формообразование стержневых структур на строительной площадке в большинстве случаев осуществляется из отдельных отправочных марок заводского изготовления. При этом в практике строительства применяются следующие способы формирования конструктивной схемы: из стержней размером на одну ячейку; из короткоразмерных элементов решетки и длинноразмерных поясов; из плоскостных ферм; из пространственных стержневых пирамид и доборных линейных элементов.

В табл. 2.8.1 приводятся стержневые схемы структурных плит, применяемые в отечественном и зарубежном строительстве, а также даются рекомендации членения их на отправочные марки.

Для зданий различной конфигурации в плане и формы пролетной части покрытия, с регулярной и нерегулярной сеткой колонн рекомендуется применять структурные конструкции из стержневых элементов размером на одну ячейку.

К достоинствам конструкций из короткоразмерных элементов следует отнести их универсальность, возможность осуществления унификаций составных элементов с большой степенью повторяемости и автоматизацию их изготовления. Недостатком является значительный объем монтажных работ по сборке системы с весьма большим количеством узлов.

Структурные конструкции с длинноразмерными поясами, длина которых соответствует предельно допустимой длине для перевозки железнодорожным транспортом, применяют преимущественно для прямоугольных в плане зданий с регулярной сеткой колонн. Эти конструкции по сравнению с аналогичными из короткоразмерных элементов позволяют: исключить резку получаемого с металлургических заводов проката длиной до 12 м на более мелкие элементы, а также обработку концов отрезанных стержней, исключить изготовление узловых деталей структуры, предназначенных для соединения коротких стержней по длине, а также сборку на строительной площадке мелких элементов поясов в длинноразмерные; уменьшить количество отправочных марок.

Эти конструкции менее трудоемки в изготовлении и при монтаже, чем собираемые из короткоразмерных элементов. Вместе с тем конструкции, собираемые с применением длинноразмерных поясов, в значительной мере утрачивают ту универсальность, которой обладают системы, собираемые из короткоразмерных поясов.

По массе структуры с длинноразмерными поясами больше структур из элементов на одну ячейку, поскольку их сечение подбирается по наибольшему усилию в смежных панелях, тогда как при коротких элементах теоретически возможно каждый элемент пояса подбирать на свое усилие. Кроме того, доставка конструкций в отдельные районы при наличии длинноразмерных элементов более трудоемка, чем при короткоразмерных элементах.

При проектировании структурных плит с длинноразмерными поясами целесообразно кровельный настил располагать непосредственно по поясам. Когда в качестве кровли используется стальной профилированный настил, то он при соответствующем скреплении с поясами обеспечивает их устойчивость в горизонтальной плоскости, в этом случае пояса целесообразно изготавливать из обычных или широкополочных двутавров.

Нижние пояса структурных плит обычно выполняют из равнобоких уголков, используя низколегированную сталь повышенной прочности, такая же сталь применяется и в верхних поясах. Раскосы и распорки для структур производственных зданий выполняют из равнобоких уголков из малоуглеродистой стали.

Структурные плиты, собираемые из плоских ферм, используются в качестве несущей части кровли и в ряде случаев перекрытий при прямоугольных или треугольных планах. Их применение целесообразно в зданиях со средними и большими пролетами, без подвесных и с подвесными потолками, испытывающих действие средних и тяжелых нагрузок. В многопролетных зданиях применение данных конструкций может быть оправданным при регулярной схеме сетки колонн.

Применение структур из ферм высокой заводской готовности позволяет уменьшить объем монтажных работ, изготавливать их на неспециализированных заводах металлоконструкций без изменения существующей технологии, а также использовать недефицитный прокатный сортамент.

Структурные плиты из стержневых пирамид применяются для покрытия зданий различной конфигурации в плане с регулярной и нерегулярной сеткой колонн, проектируемых в любых по отдаленности районах.

К достоинствам таких конструкций следует отнести большую заводскую готовность и соответственно снижение количества монтажных соединений, а также возможность быстрой организации их изготовления на базе неспециализированных производств металлоконструкций.

С точки зрения универсальности и возможности поставки в труднодоступные районы эти конструкции уступают конструкциям, собираемым из короткоразмерных линейных элементов.

При сборке пирамиды располагают основаниями вверх, которые после соединения пирамид в углах образуют верхние поясные сетки. Нижние поясные сетки образуются линейными доборными элементами, соединяющими вершины пирамид (см. табл. 2.8.1).

Набор пирамид с трехгранным основанием образует поясные сетки, идущие в трех направлениях, при этом нижние и верхние пояса параллельны. Набор четырехгранных пирамид образует ортогональную сетку поясов, в этом случае нижняя сетка поясов может быть параллельна верхней сетке или расположена под углом 45° (табл. 2.8.1, Б, В, Г).

Системы, образованные из пирамид, могут иметь разреженную решетку, а иногда сетку поясов, от чего количество элементов существенно сокращается. Такие системы могут выполняться комбинированными, в них ограждающие конструкции совмещаются с верхним поясом структур. Целесообразно выполнять основания пирамид в виде ребристых железобетонных или армоцементных плит, хорошо воспринимающих сжимающие усилия. Присоединение к ним стержневых раскосов ведется с помощью болтов или сварки. В этом случае нижние поясные сетки также образуются линейными доборными элементами.

Плиты регулярной структуры эффективны для покрытий помещений с соотношением сторон до 1:1,5. При большем соотношении сторон применение плит менее рационально, так как плита начинает работать по балочной схеме в направлении меньшего пролета (одноосно).

При необходимости перекрытия помещения, имеющего соотношение сторон более чем 1:1,5, возможно устройство стропильной несущей конструкции, разделяющей покрытие на квадратные или близкие к квадрату ячейки, с размещением ее внутри структурной плиты. При проектировании конструкций покрытия эта стропильная балка рассчитывается совместно с плитой регулярной структуры. Опирание структурных конструкций может быть: контурным (на опорные стойки стены или стропильные конструкции); внутриконтурным с консолями, при котором опоры смещаются внутрь конструкции, образуя консольные свесы с произвольным пролетом; смешанным, при котором опоры расположены частично по контуру, а частично внутри конструкции, образуя постоянную или переменную сетку колонн; свободным с дополнительными внутриконтурными опорами, при котором опоры ставятся произвольно, в соответствии с технологическими особенностями проектируемого здания (рис. 2.8.2).

При внутриконтурном опирании конструкции с образованием консольных свесов рекомендуется величину консоли назначать в пределах 0,1...0,3 от пролета. При действии равномерно распределенной нагрузки наибольший эффект достигается при отношении вылета консоли к пролету в пределах 0,25.

Смешанное опирание рекомендуется применять в неразрезных многопролетных покрытиях, проектируемых на квадратной или прямоугольной сетке колонн. Эффект от неразрезности конструкции увеличивается по мере увеличения числа перекрываемых ячеек — от 4 до 16.

Узлы структурных конструкций. На рис. 2.8.3 приводятся наиболее характерные узловые сопряжения элементов структурных плит. При этом в зависимости от способа соединения элементов они подразделены на три основные группы:

I группа — болтовые соединения. К ним относятся узловые соединения, исключающие сварку как в заводских, так и в монтажных условиях и позволяющие собирать структуры только на болтах или других сборочных деталях (рис. 2.8.3, а—г):

а) соединение уголковых стержней на болтах внахлест. Применяется в нижних узлах структурных конструкций систем, работающих преимущественно в одном направлении (рис. 2.8.3, а);

б) соединение типа «Юнистрат» разработано зарубежной фирмой. Узловая фасонка выполнена штамповкой с отверстиями и шпонками для соединения на болтах стержней гнутого профиля (рис. 2.8.3, б). Подобное узловое соединение отличается простотой конструкции, однако в отечественном строительстве пока не применяется;

в) соединение системы «Сокол» состоит из шести тонкостенных пирамидальных деталей, изготовленных из листов с помощью штамповки. Эти детали между собой и с элементами составного гнутого профиля соединяются с помощью болтов. Для обеспечения необходимой жесткости детали узла имеют вокруг отверстия выштампованные выступы (рис. 2.8.3, в).

г) узловое соединение «Триодетик» разработано канадской фирмой. Узловой элемент представляет собой цилиндр, вдоль образующих которого имеются пазы с рифлеными стенками. Концы стержней опрессовываются по профилю пазов, вставляются в цилиндр и фиксируются в прорезях узла двумя крышками, соединенными болтом (рис. 2.8.3, г). Сборка структурной конструкции с применением данных узлов существенно упрощается, поскольку для завершения требуется постановка только одного болта.

II группа — комбинированные соединения. К этой группе относятся соединения, в которых применяется заводская сварка, а сборка узла осуществляется на болтах. Характерным, для этой группы является расчленение узлового соединения на две группы деталей: детали первой группы привариваются в заводских условиях к концам соединяемых стержней (болтовые наконечники, листовые фасонки и т. д.), а детали второй группы в виде шайб, болтов объединяют концы стержней в узел (рис. 2.8.3, д, е, ж, и):

а) узловые соединения системы «Меро», разработанные в 1938 г. в Германии, системы «Веймар», разработанные в ГДР, «МАрхИ» и «Кисловодск», разработанные в бывш. СССР Московским архитектурным институтом и Гипроспецлегконструкцией. В этих системах основным элементом является сферическое или полусферическое тело с резьбовыми отверстиями, в которое ввинчиваются вращающиеся на концах стержней болты. В системах «Меро» и «Веймар» болты к стержням присоединяются с помощью конических наконечников, в системах «МАрхИ» и «Кисловодск» — плоских цилиндрических шайб, приваренных к концам трубчатых стержней, а также поводковых втулок и штифтовых фиксаторов (рис. 2.8.3, д). В отличие от системы типа «Меро» в Японии большое распространение получили узловые соединения трубчатых стержней на полых шарах (система NS), в которых соединительные болты через отверстие в шаре завинчиваются с внутренней его стороны;

б) соединение на фланцах. Разработано ЦНИИПКС для трубчатых стержней и ЛенЗНИИЭП для прокатных применительно к структурным конструкциям, собираемым из пирамид. Основания стержневых пирамид образуют сжатую поясную сетку, узловое соединение которой состоит из двух фланцев с приваренными стержнями поясов и раскосов. Фланцы на монтаже объединяются с помощью болтов (рис. 2.8.3, а);

в) соединение уголковых профилей на болтах при помощи листовых фасонок, приваренных в заводских условиях к длинноразмерным поясам. Соединение применяется в верхних узлах конструкций, работающих преимущественно в одном направлении (рис. 2.8.3, ж);

г) соединение на болтах при помощи пространственных фасонок, свариваемых в заводских условиях из отдельных листов (рис. 2.8.3, и).

III группа — соединения, осуществляемые с применением монтажной сварки (рис. 2.8.3, к, л, м);

а) соединение конструкции «Октаплат» разработано в ФРГ. К шару привариваются по периметру трубчатые стержни (рис. 2.8.3, к);

б) соединение трубчатых стержней со сплющенными концами, объединяемых в узлы с помощью ванной сварки. Стержни собираются в пространственный узел, образуя плавильное пространство, которое заполняется расплавленным металлом электродов и оплавившихся торцов стержней (рис. 2.8.3, л);

в) соединение стержней в пространственный узел с помощью автоматической электрошлаковой сварки. Плавильное пространство узлов образуется торцами сплющенных концов трубчатых элементов или концевых фасонок (перекрестных ферм) и устанавливаемыми между ними мерными формующими элементами. Это плавильное пространство заполняется расплавленным металлом торцев свариваемых стержней и присадочного материала.

В соответствии с вышеизложенным конструирование узловых соединений может выполняться по трем схемам: а) объединение стержней без дополнительных элементов (ванная и электрошлаковая сварка, соединение стержней внахлест и т. д.); б) объединение стержнй с помощью одной узловой детали; в) объединение стержней с помощью узловых деталей, прикрепленных к стержням, и соединительного элемента.

Соединение стержней по схеме «а» требует обеспечения прочности структурной конструкции в одном сечении, по схеме «б» — в двух сечениях и по схеме «в» — в трех или четырех сечениях. Чем больше в узловом сечении соединений, требующих обеспечения его прочности, тем более дорогим при всех других равных условиях и трудоемкости в изготовлении получается узловое соединение.