Конструкции структур

В России широко применяются трубчатые структуры из короткоразмерных элементов системы «Кисловодск», с узлами типа «МАрхИ», являющиеся разновидностью узлов системы «Меро». Подобные конструкции изготавливают из круглых бесшовных труб по унифицированному сортаменту, разработанному Московским архитектурным институтом, что позволяет проектировщику в более широких пределах использовать структурные системы при различных конфигурациях плана и характера опирания. Составные отправочные марки унифицированного сортамента включают трубчатые стержни длиной 1,5; 2 и 3 м с различным диаметром и толщиной стенки и узловые элементы различных размеров, отличающиеся диаметром резьбовых отверстий и назначением (рис. 2.8.4).

Минимальный расход стали и наименьшие трудозатраты при изготовлении и монтаже возможно получить при длине стержня 3 м. Меньшая высота структурной плиты при длине стержней 2 м и тем более 1,5 м приводит к перерасходу стали и трудозатрат при изготовлении и монтаже, что не способствует снижению приведенных затрат. Вследствие этого рекомендуется уменьшенные длины стержней применять только в особых случаях, оправданных архитектурными требованиями или производственной необходимостью.

С использованием унифицированного сортамента осуществляется серийное изготовление структурных плит типа «Кисловодск» высотой 2,12 м и размерами в плане 30х30 и 36х36 м. На заводах страны изготавливаются конструкции, позволяющие перекрывать ежегодно свыше 2 млн. м2 производственных площадей при внутриконтурном опирании на четыре колонны, расположенные для секции 30х30 м с шагом 18х18 м, для секции 36х36 м с шагом 24х24 м (рис. 2.8.5, а).

Поставка осуществляется комплексно на одну секцию, т. е. вместе со структурной плитой поставляются профилированный настил, колонны, фахверк, стеновое ограждение, а иногда специальное оборудование.

Конструкции рекомендуется применять в первую очередь в зданиях павильонного типа, однопролетных промышленных зданиях на одну секцию (30х30 или 36х36 м) без светоаэрационных фонарей (допускается применение только зенитных фонарей), бескрановых, с подвесными кран-балками грузоподъемностью до 2 т в пролетах 18 м; с неагрессивной и слабоагрессивной степенью воздействия газовой среды; с расчетной сейсмичностью до 9 баллов, возводимых в I...IV ветровых и снеговых районах с расчетной температурой наружного воздуха —40 °C и выше для отапливаемых зданий и —30 °C и выше для неотапливаемых зданий.

При использовании типовых структурных плит в многопролетных производственных зданиях не допускаются перепады высот кровли и применение светоаэрационных фонарей (допускается применение только зенитных фонарей).

Сопряжение структурных плит из унифицированных элементов в многопролетных зданиях рекомендуется осуществлять согласно схемам, изображенным на рис. 2.8.6.

За последние годы осуществлена модернизация системы «Кисловодск» — «МАрхИ» произведено разрежение решетки и частично поясов в средней части плиты, где усилия в стержнях невелики (см. рис. 2.8.5, б, в).

Перекрывать большие пролеты при использовании унифицированного сортамента возможно при понижении различными инженерными приемами усилий в поясах структуры путем применения двух- и трехъярусных структурных плит по схемам, изображенным в табл. 2.8.1, и—н, или, применяя плиты с вантовой системой, а также в многопролетных плитах, осуществляя неразрезность отдельных плит. Весьма эффективно снижать усилия в поясах структурных покрытый путем вспарушивания. Помимо уменьшения усилий вспарушенность позволяет применять свободную вертикальную планировку большепролетных сооружений, решать ограждающие функции в здании и естественное освещение перекрываемых залов. Горизонтальные усилия, возникающие в конструкции за счет вспарушенности, воспринимаются либо опорным контуром структуры, либо постановкой затяжек. Укрупнительная сборка монтажных блоков вспарушенных конструкций может вестись без специальных монтажных башен с использованием в качестве временных опор стержневых и узловых элементов структур.

Для индивидуальных большепролетных зданий применяются структуры с более мощными, чем в типовых структурах, узловыми сопряжениями. К оригинальным конструктивным решениям такого типа относятся трубчатые структуры, в узлах которых вообще отсутствуют какие-либо переходные элементы — шары, диски, многогранники и др. (см. рис. 2.8.3, л). В этом решении предварительно сплющенные концы трубчатых стержней сопрягают друг с другом и образовавшееся между концами пространство заполняется металлом плавящегося электрода. Масса расплавленного металла составляет от 1,5 до 2 % от общего расхода металла. Узлы свариваются с помощью ручной и полуавтоматической ванной сварки, при этом кромки элементов оплавляются и вместе с расплавленным металлом электродов заполняют плавильное пространство. Разновидности узлов, решаемых с помощью ванной сварки, приводятся на рис. 2.8.7.

Кроме конструкций структурных плит из короткоразмерных трубчатых элементов в бывш. Советском Союзе широко осуществляется строительство промышленных зданий с сеткой колонн 12х18 и 12х24 м со структурными покрытиями, пояса которых изготовлены из длинноразмерных прокатных элементов (система «ЦНИИСК»). Структурная плита опирается по углам в уровне верхних поясов и имеет высоту 1,5 м. Верхние пояса с шагом 3 м изготавливаются из двутавров, по которым непосредственно укладывается профилированный настил, а нижние пояса и раскосы — из одиночных прокатных элементов. Модернизированная конструкция «ЦНИИСК» из прокатных профилей, названная системой «Москва» имеет высоту 2,0 м и расстояние между верхними поясами 4 м.

Аналогично системе «ЦНИИСК» верхние пояса изготавливаются из прокатных двутавров, а нижние пояса и решетка — из прокатных одиночных уголков.

Контурная схема блока покрытия на сетку колонн 12х18 и 12х24 м состоит из двух продольных и двух поперечных пространственных ферм треугольной формы. Продольные фермы в середине пролета связаны между собой дополнительной пространственной фермой, обеспечивающей, с одной стороны, увеличение крутильной жесткости продольных ферм, необходимой для восприятия несимметричных нагрузок, а с другой — регулярность крепления подвесного технологического оборудования в узлах нижнего пояса.

Конструкция разработана в двух вариантах. Первый вариант, предназначенный для отдаленных районов, предполагает поставку на строительную площадку плоских ферм пролетом 12 м с расположением их по торцам блока, длинноразмерных верхних и нижних поясов (длиной 9 и 12 м) и раскосов россыпью. Соединение элементов — на болтах М20.

Второй вариант предполагает повышенную заводскую готовность. Блок собирается из плоских сварных ферм — четырех продольных и двух поперечных у торца блока. Поперечная жесткость в средней части блока обеспечивается четырьмя плоскими треугольными фермочками.

Блок «Москва» по второму варианту по сравнению с аналогичными блоками типа «ЦНИИСК» имеет примерно в 4,5...5 раз меньше отправочных марок и крепежных болтов.

В зависимости от района расположения структур и грузоподъемности кранового оборудования разработана серия стальных структурных конструкций для сеток колонн 12х18 и 12х24 м на следующие диапазоны расчетных вертикальных нагрузок: при пролетах 18 м — 2,94...6,18 кПа, при пролетах 24 м — 6,1...8,53 кПа.

Структуры, составляемые из ферм заводской готовности под углом 30...45° к горизонту, образуют складчатую систему (см. табл. 2.8.1, д). Когда отношение сторон плана составляет 1...1,5, рекомендуется по узлам складчатой системы в ортогональном направлении давать доборные элементы, обеспечивающие работу конструкции в двух направлениях.

Значительное распространение в гражданском строительстве получили структурные плиты, собираемые из объемных стержневых пирамид применительно к зданиям различной конфигурации в плане с регулярной и нерегулярной сетками колонн.

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. К ним следует также отнести возможность разряжать элементы структуры, меняя расположение укрупненных блоков, не нарушая при этом регулярность конструкции. Уменьшение количества элементов, доставленных на строительную площадку, сокращение количества стыков также повышает экономическую эффективность такого рода покрытий. С точки зрения универсальности и возможности поставки в труднодоступные районы эти конструкции несколько 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. 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 часть поясов может быть параллельна верхней сетке или расположена под углом 45° Система, образованная из пирамид, имеет разреженную решетку и в ряде случаев сетку поясов, от чего количество элементов существенно сокращается.

В практике строительства сечения элементов пирамид применяют из прокатных и гнутых профилей. Рекомендуется основание пирамид выполнять из швеллеров, используя их также в качестве прогонов.

Соединения всех элементов в пирамиде, как правило, следует осуществлять на сварке. Монтажные соединения рекомендуется выполнять на болтах. Передачу усилий по сетке верхних поясов рекомендуется осуществлять посредством приварных фланцев при квадратном основании пирамиды по типу, изображенному на рис. 2.8.8.

Наиболее целесообразно подобные конструкции применять на планах, близких к квадрату, при частом расположении колонн по периметру здания. В этом случае количество типов пирамид, отличающихся друг от друга составными элементами, минимально.

При опирании на редко расположенные колонны приопорные пирамиды существенно отличаются от остальной массы пирамид ввиду больших поперечных усилий, возникающих в районе опирания, что приводит к необходимости увеличивать количество отправочных марок.

ЛенЗНИИЭПом разработана конструкция металлобетонной структуры, позволяющая применять ее для большепролетных покрытий с произвольным планом. Железобетонная ребристая плита с продольными и диагональными ребрами размером в плане 3х3 м имеет по углам металлические «карманы» с отверстиями, через которые во время укрупнительной сборки на болтах присоединяются раскосы пирамиды, объединенные между собой в вершине с помощью фланцев. Нижний пояс конструкции выполняется из длинноразмерных трубчатых элементов, крепящихся на болтах при монтаже к фланцам вершин пирамид. Трубы нижнего пояса сплющены в местах стыков, что позволяет на один болт крепить элементы нижнего пояса разных направлений. Укрупненные пирамиды соединяются друг с другом через «карманы» в верхних железобетонных плитах, которые после затягивания болтов бетонируются, образуя жесткий железобетонный диск, служащий верхним поясом структуры и одновременно выполняющий функции долговечного и пожаростойкого ограждения.

Подбор сечений элементов структур. При определении нагрузок на структурные плиты, примыкающие к стенам и температурным швам на спаренных колоннах, следует учитывать нагрузку на консоли или консольный вылет настила, а также нагрузку от снеговых мешков у парапетов в соответствии со СНиП II-6—74.

При прогонном и беспрогонном решениях нагрузку с кровли, передаваемую в узлы структурной плиты или непосредственно на пояса, рекомендуется подсчитывать по соответствующей грузовой площади с учетом неразрезности настила и возможной неразрезности прогонов. При внеузловом приложении внешних сосредоточенных нагрузок, в том числе опорных реакций, необходимо учитывать наличие изгибающих моментов.

Расчет элементов структурных конструкций по прочности и устойчивости производится в соответствии с указаниями СНиП II-23—81, разд. V «Стальные конструкции».

Расчет болтов нормальной точности, работающих в узловых сопряжениях структур на срез и смятие, производится в соответствии с указаниями разд. II СНиП II-23—81, их размещение следует производить в соответствии с табл. 39 СНиП II-23—81.

Несущая способность высокопрочных болтов в системе «МАрхИ» — «Кисловодск» (рис. 2.8.9), работающих в узловых соединениях на центральное растяжение, определяется в зависимости от механических свойств болтов после их термической обработки по формуле

где Vvb — коэффициент; vb = 0,8 для болтов с поперечным отверстием; vb=0,9 для болтов с односторонней продольной выточкой на толщину резьбы, при отсутствии поперечного отверстия и продольной выточки понижающий коэффициент не вводится (рис. 2.8.10); Rbh — расчетное сопротивление растяжению высокопрочных болтов, принимаем

Rbun — наименьшее временное сопротивление болта разрыву, принимаемое по табл. 61 СНиП II-23—81; Аbh — площадь сечения болта нетто, определяемая при наличии ослабления резьбой по табл. 62 СНиП II-23—81, а при наличии ослабления отверстием под штифт диаметром 4 мм по следующим данным:

Диаметр опорной поверхности головки болта по типу 1 и 2 определяется из условия смятия материала цилиндрического вкладыша или конус-вставки под головкой болта силой, равной несущей способности болта.

Глубина завинчивания высокопрочного болта в узловой элемент (рис. 2.8.10) определяется по несущей способности резьбы по формуле

где k2 = 0,87 — коэффициент полноты метрической резьбы; km = 5s/d коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по виткам резьбы; т2в — расчетное сопротивление резьбы, равное 0,65 Run (где Run — временное сопротивление разрыву материала узлового элемента); s — шаг резьбы.

Элементы узлов соединений, работающие на сжатие в системе «МАрхИ» — «Кисловодск», рассчитываются по типу соединений с фрезерованными торцами согласно указаниям СНиП П-23—81. При этом несущую способность шестигранной спецвтулки (рис. 2.8.10) следует принимать минимальной из двух условий: сжатия по торцу 1—1; смятия материала вкладыша или конус-вставки по торцу 2—2.

Длина спецвтулки Lcb задается по конструктивным соображениям не менее 0,6 dt, где dt — наружный диаметр трубчатого стержня, в котором она применяется.

Определение расчетной толщины цилиндрического вкладыша следует производить как круглой пластины, шарнирно опертой по периметру на трубу, с круглым центрально симметричным отверстием загруженной равномерно распределенной по кольцу нагрузкой (рис. 2.8.10).

При толщине трубы более 0,5 мм расчетная толщина цилиндрического вкладыша, полученная по справочнику, может быть понижена коэффициентом 0,8, учитывающим влияние опорного защемления.

Структурные плиты при наиболее часто встречающихся в практике отношениях высоты к пролету 1/15...1/22 обладают повышенной жесткостью и не нуждаются в проверке общей устойчивости.