Большепролетные конструкции:
Применяют в сооружениях, где по условиям эксплуатации не могут быть установлены промежуточные опоры.
- Плоскостные (каждый элемент работает независимо от других элементов)
В общественных зданиях массового строительства для покрытия зальных помещений применяются преимущественно традиционные плоскостные конструкции: настилы, балки, фермы, рамы, арки. Работа этих конструкций основана на использовании внутренних физико-механических свойств материала и передаче усилий в теле конструкции непосредственно на опоры.
- Пространственные (все элементы работают совместно): перекрестно-ребристые перекрытия для куполообразной формы. Очень чувствительны к просадкам.
Пространственные большепролетные конструкции покрытия включают в себя плоские складчатые покрытия, своды, оболочки, купола, перекрестно-ребристые покрытия, стержневые конструкции, пневматические и тентовые конструкции.
Вантовые конструкции:
Несущий элемент – тросы . На тросы подвешиваются перекрытия (висячий мост). Опоры – пилоны . Могут работать как пространственные, так и как плоскостные. В отличие от других видов висячих покрытий в подвесных покрытиях несущие ванты находятся над поверхностью кровли.
Несущую систему подвесных покрытий составляют ванты с вертикальными или наклонными подвесками, которые несут либо легкие балки, либо непосредственно плиты покрытия. Ванты закреплены на стойках, расчаленных в продольном и поперечном направлениях. Подвесные перекрытия могут иметь любую геометрическую форму и выполняются из любых материалов. В подвесных вантовых конструкциях несущие стойки могут располагаться в один, два или несколько рядов в продольном или поперечном направлениях
Фермы: Все элементы работают на сжатие и растяжение, поэтому могут перекрывать большие расстояния. Ферма может быть объемной. Монтаж производят на земле, поднимают домкратами.
Балки: изготавливаются из стальных профилей, железобетонными (сборными и монолитными), деревянными (на клею или на гвоздях).
Рамы: применяют в тех случаях, когда в направлении пролета конструкция сама должна обладать жесткостью, т. е. выполнять в здании функцию поперечной диафрагмы, а также и тогда, когда необходимо уменьшить высоту ригеля до размеров, которые невозможно достичь в балках или фермах. Виды: бесшарнирными, двухшарнирными и трехшарнирными.
Рама – это пространственная либо жесткая стержневая система, в которой элементы (ригели, стойки) жестко между собой соединяются. Соединяться элементы могут во всех либо в некоторых узлах. Деревянные, железобетонные и металлические рамы служат несущими конструкциями эстакад, мостов, зданий, иных сооружений, а также они могут являться несущими элементами установок либо машин.
Своды: Свод – конструктивная система, на основе которой был создан ряд архитектурных форм прошлого (вплоть до ХХ в.), позволивших решать проблему перекрытия разнообразных зальных помещений с различным функциональным назначением. Наиболее древняя и широко распространенная система криволинейного покрытия – сводчатое покрытие. Свод – конструктивная система, на основе которой был создан ряд архитектурных форм прошлого (вплоть до ХХ в.), позволивших решать проблему перекрытия разнообразных зальных помещений с различным функциональным назначением.
Виды: Цилиндрический, сомкнутый, крестовый свод (в готической архитектуре), парусный, свод-купол, балдахин.
Пневматические конструкции: состоят из баллонов, сшитых и склеенных из воздухонепроницаемой ткани и надутых воздухом. Для сооружений временного переносного характера. Вес пневматического покрытия колеблется от 0,5 до 3 кГ/м кв.
Виды пневматических покрытий: воздухоопорные оболочки (баллоны из прорезиненной и синтетической ткани, внутри давление воздуха), пневматические каркасы и пневматические линзы .
Перекрестно-ребристые покрытия : система балок или ферм с параллельными поясами, перекрещивающихся в двух-трех направлениях. Перекрестные покрытия могут иметь дополнительное внутриконтурное опирание, что делает их весьма удобными для зданий со сложной или трансформирующейся планировкой. Строительная высота покрытия и расход материалов в этом случае могут быть значительно снижены. Плоскости пересекающихся балок или ферм могут быть как вертикальными, так и наклонными.
Материалы : металлические, железобетонные и деревянные. Расстояние между ребрами или размеры ячеек и их количество определяют общим конструктивным решением и типом заполнения верхнего пояса и принимают от 1,5 до 6 м.
Оболочки: По структуре: - Гладкие- Волнистые- Ребристые - Сетчатые
Крытый стадион на просп. Мира в Москве. Сооружение решено в виде пространственной большепролетной конструкции. Оболочка покрытия (мембрана) выполнена из стального листа.
Большепролетные конструкции используются при строительстве крыш спортивных сооружений (плавательный бассейн; крытый каток, универсальный крытый спортивный зал с теннисными кортами, волейбольной, баскетбольной, мини-футбольной площадками), производственных зданий (склады, ангары, производственные цеха) и объектов культурно-бытового назначения.
Балки Балки изготавливаются из стальных профилей, железобетонными (сборными и монолитными), деревянными (на клею или на гвоздях).
Железобетонные балки имеют большой изгибающий момент и большую собственную массу, но просты в изготовлении. Они могут выполняться монолитными, сборно-монолитными и сборными (из отдельных блоков и цельные)
Деревянные балки применяются в местностях, богатых лесом. Обычно они используются в зданиях III класса из-за их малой огнестойкости и долговечности.
Деревянные балки подразделяются на гвоздевые и клееные длиной до 30 – 20 м. Гвоздевые балки имеют сшитую на гвоздях стену из двух слоев досок, наклоненных в разные стороны под углом 45°. Верхний и нижний пояса образуют за счет нашитых с обеих сторон вертикальных стенок балки продольных и поперечных брусьев. Высота гвоздевых балок 1/6 … 1/8 от пролета балки. Вместо доща-
той стенки можно применять стенку из многослойной фанеры.
Клееные балки в отличие от гвоздевых обладают высокой прочностью и повышенной огнестойкостью даже без специальной пропитки. Сечение клееных деревянных балок может быть прямоугольным, двутавровым, коробчатым. Они изготавливаются из реек или досок на клею, уложенных плашмя или на ребро. Высота таких балок 1/10 … 1/12 от пролета. По очертанию верхнего и нижнего поясов клееные балки могут быть с горизонтальными поясами, одно- или двухскатные, криволинейные
Арки Арки в покрытиях гражданских зданий чаще всего применяются двухшарнирные или трехшарнирные, реже - бесшарнирные с защемленными опорами. Трехшарнирные арки могут быть также применены с разгружающими консолями. Арки под влиянием вертикальных нагрузок создают значительный распор в фундаментах, который тем больше, чем арка положе. Применяя затяжки, можно превратить арку, в безраспорную конструкцию, что позволяет устанавливать ее подобно балкам или фермам на колонны и стены, принятые в качестве жестких опор. Можно использовать для опирания большепролетных арок боковые пристройки, запроектированные как жесткие коробки или поперечные несущие стены, установленные в виде контрфорсов. Пользуясь отдельными полуарками, расставленными радиально, можно составить купольное шатровое покрытие, круглое в плане.. Арки, как и рамы, обладают жесткостью только в своей плоскости, поэтому при проектировании арочного покрытия следует обратить внимание на обеспечение устойчивости и на придание жесткости всему сооружению в продольном направлении. С этой целью применяются продольные балки или связи в виде горизонтальных и наклонных диагоналей при жестком креплении плит покрытия.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Макеевка 2011г.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ
ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ
Кафедра “Экономика предприятий”
Разработал: к.э.н., доц. Захарченко Д.А.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по курсу «Основы строительной отрасли»
для студентов специальности 6.030504 «Экономика предприятий»
№ кода _______
Утверждено на заседании кафедры
«Экономика предприятий»
ПРОТОКОЛ № __ от _______2011 р.
Макеевка 2011г.
ТЕМА 4. БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
К большепролетным сооружениям относят такие, которые имеют пролеты более 40-80 м. Сравнительно недавно такие сооружения считались уникальными и строились крайне редко, в настоящее время быстрое развитие науки и техники, а также большая потребность в таких сооружениях в промышленности и сфере досуга и развлечения предопределили интенсивное строительство таких сооружений во многих странах.
Особый интерес представляют пространственные конструкции, которые состоят не из отдельных, независимых несущих элементов, передающих нагрузку друг друга, а представляют единую комплексную систему работающих частей конструкции.
Такой пространственный характер конструкций, широко внедряемый в строительство во всем мире – символ строительной техники 20в. И хотя некоторые виды пространственных конструкций – купола, крестовые и своды – были известны с древности, однако ни по применяемости материалов, ни по конструктивным решениям они не отвечают современным требованиям строительства, так как хотя и перекрывали значительные пролеты, но при этом были чрезвычайно тяжелы и массивны.
В пространственных конструкциях привлекает, и их способность оптимально удовлетворять функциональным и эстетическим требованиям архитектуры. Масштабы перекрываемых пролетов, возможность осуществлять гибкую планировку, разнообразие геометрических форм, материалов, архитектурная выразительность – вот далеко не полный перечень особенностей этих конструкций.
Сочетание функционального, технического и художественно-эстетического обеспечивает пространственным конструкциям широкую перспективу, не говоря уже о том, что их применение позволяет получить огромную экономию строительных материалов – на 20-30% снизить материалоемкость зданий и сооружений.
К плоскостным большепролетным сооружениям относятся балки, рамы, фермы, арки. Плоскостные конструкции работают под нагрузкой автономно, каждая в своей плоскости. Несущий элемент плоскостных конструкций, перекрывающих какую-то площадь здания (плита, балка, ферма) работает самостоятельно не участвуют в работе элементов, к которым он примыкает. Это обуславливает меньшую пространственную жесткость и несущую способность плоскостных элементов по сравнению с пространственными, а также их более высокую ресурсоемкость в первую очередь повышенный расход материалов.
Рис. 4.1. Конструктивные решения большепролетных конструкций
а - плоские конструкции; б - пространственные конструкции; в - висячие конструкции; г - пневматические конструкции; 1- фермы; 2 - рамы; 3-4 шарнирные арки; 5- цилиндрические оболочки; 6- оболочки двоякой кривизны; 7- купола; 8- структуры; 9- вантовые конструкции; 10- мембранные конструкции; 11- тентовые конструкции; 12- пневмоопорные конструкции; 13- пневмокаркасные конструкции;
Монтаж рам сплошной конструкции производят двумя самоходными стреловыми кранами. Сначала на фундамент устанавливают стойки рамы с частью ригеля, опирающиеся на временную опору, а затем монтируют средний участок ригеля. Соединение частей ригеля производится на временных опорах сваркой или крепкой. После монтажа первой рамы конструкции расчаливают с помощью растяжек.
В ряде случаев рамные конструкции целесообразно монтировать методом надвижки. Такой метод применяют, если рамные конструкции невозможно сразу установить в проектное положение (внутри ведутся работы либо уже возведены конструкции, не позволяющие расположить краны).
Блок собирают в торце здания в специальном кондукторе из 2-3 или 4 ферм. Собранный и закрепленный блок по рельсовым путям поднимают в проектное положение. Устанавливают при помощи домкратов или с помощью легких кранов.
Арочные конструкции бывают 2-х типов: в виде 2-х шарнирной арки с затяжкой и 3-х шарнирной арки. При монтаже арочных конструкций, имеющих несущую часть в виде двухшарнирной арки, производится аналогично монтажу рамных конструкций с помощью самоходных стреловых кранов. Основное требование – это высокая точность монтажа, гарантирующая совмещение пятого (опорного) шарнира с опорой.
Монтаж трехшарнирных арок отличается некоторыми особенностями, связанными с наличием верхнего шарнира. Сборка последнего выполняется при помощи временной монтажной опоры, устанавливаемой посередине пролета. Монтаж производиться методом вертикального подъема, методами скольжения или поворота.
Рис. 4.3. Монтаж рам
а – монтаж целиком двумя кранами; б – монтаж рам частями с использованием временных опор; в – монтаж рам методом поворота; 1-монтажный кран; 2-рама в сборе; 3-части рамы; 4-временные опоры; 5-лебедки; 6-монтажные стрелы.
Каждую полуарку стропят у центра тяжести и устанавливают так, чтобы пятовый шарнир был заведен на опору, а второй конец на временную опору. То же с другой полуаркой. Вращением в пятовом шарнире достигается совмещением осей замковых отверстий верхнего шарнира.
В пространственных конструкциях все элементы связаны между собой и участвуют в работе. Это приводит к значительному снижению расхода металла на единицу площади. Однако до последнего времени такие пространственные системы (купольные, вантовые, структурные, оболочки) не получали развития из-за высокой трудоемкости изготовления и монтажа.
Рис. 4.4. Монтаж купола с помощью временной центральной опоры
А – система разрезки купола; Б - монтаж купола; 1-временная опора с растяжками; 2-радиальнае панели; 3-опорное кольцо;
Купольные системы монтируются из отдельных стержней или из отдельных пластин. В зависимости от конструктивного решения, монтаж купольных конструкций может быть выполнен и с использованием временной стационарной опоры, навесным способом или в целом виде.
Сферические купола возводят кольцевыми ярусами, навесным способом. Каждый такой ярус обладает после полной сборки статистической устойчивостью и несущей способностью и служит основанием для вышележащего яруса. Сборные купола могут монтироваться при помощи кондукторных устройств и временных креплений – купол цирка в Киеве, или купол целиком собирается на земле и затем поднимается на проектный горизонт краном, пневмотранспортом или подъемником. Используется метод подращивания снизу.
Висячие конструкции стали применять со 2-й половины 19 века. И одним из первых примеров является покрытие павильона Всероссийской Нижегородской ярмарки, выполненное в 1896г. выдающимся советским инженером Шуховым.
Опыт применения таких систем доказал их прогрессивность, поскольку они позволяют максимально использовать высокопрочные стали и легкие ограждающие конструкции из пластиков и алюминиевых сплавов, что дает возможность создавать покрытия значительных пролетов.
Рис. 4.5. Монтаж висячих конструкций
1-башенный кран; 2-траверса; 3-тросовая полуферма; 4-центральный барабан; 5-временная опора; 6-смонтированная полуферма; 7- опорное кольцо.
В последнее время широкое распространение получили рамные висячие конструкции. Особенность устройства висячих конструкций заключается в том, что вначале возводятся несущие опоры, на которые укладывается опорный контур, воспринимающий натяжение от нитей вант. После их полной раскладки, покрытие загружают временной нагрузкой с учетом полной расчетной нагрузки. Такой прием предварительной напряженности исключает появление трещин в оболочке после полной ее нагрузки во время эксплуатации.
Разновидностью висячих вантовых конструкций являются мембранные покрытия. Мембранное покрытие представляет собой висячую систему в виде тонкой металлической листовой конструкции натянутой на железобетонный опорный контур. Один конец рулона закрепляется на опорном контуре, а рулон при помощи специального траверса краном разматывают на всю длину, натягивают лебедками и закрепляют на противоположном участке опорного контура.
Недостатком мембранных покрытий является необходимость сварки тонких листов по длине и монтажных элементов между собой с нахлестом в 50 мм. При этом практически невозможно получить сваркой шов равнопрочный с основным металлом, поэтому толщина листа искусственно завышается. Эта проблема в какой-то мере решается системой переплетенных лент из алюминиевых сплавов.
Первые длинные цилиндрические оболочки впервые были применены в 1928г. в Харькове при сооружении почтамта.
Длинные цилиндрические оболочки поставляются в полностью законченном виде или укрупняют по месту. Вес монтажных элементов 3х12 около 4 тонн. До подъема производится укрупнение в передвижном кондукторе двух плит вместе с затяжкой в один элемент. При укрупнении производят сварку закладных деталей в стыке, натяжение затяжки и замоноличивание швов.
Установив 8 укрупненных секций, образующих пролет 24м, их выверяют, чтобы совпадали и отверстия, далее сваривают все закладные детали и выпуски продольной арматуры, производят натяжение арматуры и бетонирование швов. После выдержки бетона оболочку раскружаливают и переставляют подмости.
В строительной практике пространственные, перекрестные, ребристые и стержневые конструкции обычно объединяют под названием структурные конструкции.
Перекрестные системы конструктивных различных форм покрытий с прямоугольными и диагональными решетками получили широкое распространение сравнительно недавно со второй половины 20 века в таких странах как США, Германия, Канада, Англия, бывший СССР.
Определенное время структурные конструкции не получали широкого развития из-за высокой трудоемкости изготовления и особенностей монтажа конструкции. Усовершенствование конструкции, особенно с использованием ЭВМ, позволило обеспечит переход на поточное их изготовление, снизить трудоемкость их расчета, повысить его точность и, следовательно, надежность.
Рис.4.6. Покрытие здания из крупноразмерных плит
1-плита размером 3х24м; 2-зенитный фонарь; 3-подстропильная ферма; 4- колонна.
В основе перекрестно-стержневых систем лежит опорная геометрическая форма. Отличительная особенность разных типов структурных конструкций – пространственный узел сопряжения стержней, который и определяет в значительной мере трудоемкость изготовления и сборки этих конструкций.
Структурные конструкции обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными плоскостными решениями в виде рам и балочных конструкций:
Являются сборно-разборными и могут использоваться многократно;
Могут изготавливаться на поточных автоматизированных линиях, чему способствует высокая типизация и унификация структурных элементов (часто необходим один тип стержней и один тип узла);
Сборка не требует высокой квалификации;
Имеют компактную упаковку и удобны при перевозке.
Наряду с отмеченными преимуществами структурные конструкции имеют и ряд недостатков:
Укрупнительная сборка требует применения значительного объема ручного труда;
Ограниченная несущая способность отдельных типов конструкций;
Низкая заводская готовность поступающих на монтаж конструкций.
Пневмоконструкции используются для временного укрытия или для использования в каких-то вспомогательных целях, например в качестве опорных конструкций при возведении оболочек и других пространственных конструкций.
Пневматические покрытия могут быть 2-х видов – воздухоопрные и воздухонесущие. В первом случае небольшое избыточное давление мягкой оболочки сооружения обеспечивает получение необходимой формы. И эта форма будет сохраняться, пока будет поддерживаться подача воздуха и необходимое избыточное давление.
Во втором случае – несущий конструкцией служат заполненные воздухом трубы из эластичного материала, образующие как бы каркас сооружения. Иногда их называют пневматическими сооружениями высокого давления, потому что давление воздуха в трубах намного выше, чем под воздухоопорной пленкой.
Возведение воздухоопорных сооружений начинают с подготовки площадки, на которую укладывают бетон или асфальт. По контуру сооружения устраивают фундамент с анкерными и уплотняющими устройствами. Под действием воздушного давления оболочка распрямляется и приобретает проектную форму.
Воздухонесущие или пневмокаркасные конструкции сооружаются аналогично воздухоопорным, лишь с той разницей, что воздух подают от компрессора по резиновым трубами и через специальные вентили закачивается в замкнутые каналы так называемого каркаса сооружения. Благодаря высокому давлению в камерах каркас занимает проектное положение (чаще всего в виде арок) и поднимает за собой ограждающую ткань.
Общие положения
Большепролетными считаются здания, у которых расстояние между опорами (несущих конструкций) покрытий составляет более 40 м.
К таким зданиям относятся:
− цехи заводов тяжелого машиностроения;
− сборочные цехи судостроительных, машиностроительных заводов, ангары и т.п.;
− театры, выставочные залы, крытые стадионы, вокзалы, крытые стоянки автотранспорта и гаражи.
1. Особенности большепролетных зданий:
а) большие размеры зданий в плане, превосходящие радиус действия монтажных кранов;
б) специальные способы монтажа элементов покрытия;
в) наличие в отдельных случаях под покрытием больших частей и конструкций здания, этажерок, трибун крытых стадионов, фундаментов под оборудование, громоздкого оборудования и т.п.
2. Методы возведения большепролетных зданий
Применяются следующие методы:
а) открытый;
б) закрытый;
в) комбинированный.
2.1. Открытый метод заключается в том, что сначала возводят все конструкции здания, находящиеся под покрытием, т.е.:
− этажерки (одно – или многоярусное сооружение под покрытием промзданий для технологического оборудования, контор и т.п.);
− конструкции для размещения зрителей (в театрах, цирках, крытых стадионах и т.п.);
− фундаменты под оборудование;
− иногда громоздкое технологическое оборудование.
Затем устраивают покрытие.
2.2. Закрытый метод состоит в том, что сначала устраняют покрытие, а потом возводят все конструкции, находящиеся под ним (рис. 18).
Рис. 18. Схема возведения спортзала (поперечный разрез):
1 – вертикальные несущие элементы; 2 – мембранное покрытие; 3 – встроенные помещения с трибунами; 4 – передвижной стреловой кран
2.3. Комбинированный метод состоит в том, что на отдельных участках (захватках) на каждом выполняют сначала все конструкции, находящиеся ниже покрытия, а потом устраивают покрытие (рис. 19).
Рис. 19. Фрагмент стройгенплана:
1 – смонтированное покрытие здания; 2 – этажерка; 3 – фундаменты под оборудование; 4 – подкрановые пути; 5 – башенный кран
Применение методов возведения большепролетных зданий зависит от следующих основных факторов:
− от возможности расположения грузоподъемных кранов в плане по отношению к возводимому зданию (вне здания или в плане);
− от наличия и возможности применения кранбалок (мостовых кранов) для возведения внутренних частей конструкций здания;
− от возможности устройства покрытий при наличии выполненных частей здания и конструкций, находящихся под покрытием.
При возведении большепролетных зданий особую трудность составляет устройство покрытий (оболочек, арочных, купольных, вантовых, мембранных).
Технология устройства остальных конструктивных элементов обычно не составляет трудностей. Производство работ по их устройству расмотрено в курсе "Технология строительных процессов".
Рассмотрена в курсе ТСП и не будет рассматриваться в курсе ТВЗ и С и технология устройства балочных покрытий.
3.1.3.1. ТВЗ в виде оболочек
За последние годы разработано и внедрено большое количество тонкостенных пространственных железобетонных конструкций покрытий в виде оболочек, складок, шатров и т.п. Эффективность таких конструкций обусловлена более экономным расходом материалов, меньшим весом и новыми архитектурными качествами. Уже первый опыт эксплуатации таких сооружений позволил обнаружить два основных достоинства пространственных тонкостенных железобетонных покрытий:
− экономичность, являющуюся следствием более полного, по сравнению с плоскостными системами, использования свойств бетона и стали;
− возможность рационального применения железобетона для покрытия больших площадей без промежуточных опор.
Железобетонные оболочки по методу возведения разделяют на монолитные, сборочно-монолитные и сборные. Монолитные оболочки целиком бетонируются на месте строительства на стационарной или передвижной опалубке. Сборно-монолитные оболочки могут состоять из сборных контурных элементов и монолитной скорлупы, бетонируемой на передвижной опалубке, чаще всего подвешиваемой к смонтированным диафрагмам или бортовым элементам. Сборные оболочки собирают из отдельных, заранее изготовленных элементов, которые после установки их на место стыкуются между собой; причем соединения должны обеспечить надежную передачу усилий от одного элемента к другому и работу сборной конструкции как единой пространственной системы.
Сборные оболочки могут быть разделены на следующие элементы: плоские и криволинейные плиты (гладкие или ребристые); диафрагмы и бортовые элементы.
Диафрагмы и бортовые элементы могут быть как железобетонными, так и стальными. Следует отметить, что выбор конструктивных решений оболочек находится в тесной взаимосвязи со способами строительства.
Оболочки двоякой (положительной гауссовой) кривизны , квадратные в плане, образуются из сборных железобетонных ребристых скорлуп и контурных ферм . Геометрическое очертание оболочек двоякой кривизны создает выгодные условия статической работы, так как 80 % площади скорлупы оболочки работает только на сжатие и лишь в угловых зонах имеются растягивающие усилия. Скорлупа оболочки имеет форму многогранника с ромбовидными гранями. Поскольку плиты плоские, квадратные, ромбовидная форма граней достигается замоноличиванием швов между ними. Средние типовые плиты формуют размером 2970×2970 мм, толщиной 25, 30 и 40 мм, с диагональными ребрами высотой 200 мм, а с бортовыми – 80 мм. Контурные и угловые плиты имеют диагональные и бортовые ребра той же высоты, что и средние, а у бортовых ребер, примыкающих к краю оболочки, сделаны утолщения и пазы для выпусков арматуры контурных ферм. Соединение плит между собой осуществляется сваркой выпусков каркасов диагональных ребер и замоноличиванием швов между плитами. В угловых плитах оставлен треугольный вырез, который замоноличивается бетоном.
Контурные элементы оболочки изготавливают в виде цельных ферм или предварительно напряженных раскосных полуферм, стык которых в верхнем поясе выполняется сваркой накладок, а в нижнем – сваркой выпусков стержневой арматуры с последующим их обетонированием. Оболочки целесообразно использовать для покрытия больших площадей без промежуточных опор. Железобетонные оболочки, которым практически можно придать любую форму, способны обогатить архитектурные решения как общественных, так и производственных зданий.
 |
Рис. 20. Геометрические схемы оболочек:
а – разрезка плоскостями, параллельными контуру; б – радиально-кольцевая разрезка; в – разрезка на ромбовидные плоские плиты
На рис. 21 представлены геометрические схемы покрытия зданий с прямоугольной сеткой колонн оболочками из цилиндрических панелей.
В зависимости от типа оболочки, размера ее элементов, а также размеров оболочки в плане монтаж осуществляют различными методами, отличающимися в основном наличием или отсутствием монтажных лесов.
Рис. 21. Варианты образования сборных цилиндрических оболочек:
а – из криволинейных ребристых панелей с бортовыми элементами; б – то же с одним бортовым элементом; в – из плоских ребристых или гладких плит, бортовых балок и диафрагм; г – из криволинейных панелей больших размеров, бортовых балок и диафрагм; д – из арок или ферм и сводчатых или плоских ребристых панелей (короткая оболочка)
Рассмотрим пример возведения двухпролетного здания с покрытием из восьми квадратных в плане оболочек двоякой положительной гауссовой кривизны. Габариты элементов конструкций покрытия представлены на рис. 22, а . Здание имеет два пролета, каждый из которых содержит по четыре ячейки размером 36 × 36 м (рис. 22, б ).
Значительный расход металла на опорные леса при монтаже оболочек двоякой кривизны снижает эффективность применения этих прогрессивных конструкций. Поэтому для возведения таких оболочек размером до 36 × 36 м применяют катучие телескопические кондукторы с сетчатыми кружалами (рис. 22, в ).
Рассматриваемое здание является однородным объектом. Монтаж оболочек покрытия включает следующие процессы: 1) установку (перестановку) кондуктора; 2) монтаж контурных ферм и панелей (установку, укладку, выверку, сварку закладных деталей); 3) замоноличивание оболочки (заливку швов).
Рис. 22. Возведение здания с покрытием из сборных оболочек:
а – конструкция оболочки покрытия; б – схема расчленения здания на участки; в – схема работы кондуктора; г – последовательность монтажа элементов покрытия одного участка; д – последовательность возведения покрытия по участкам здания; I–II – номера пролетов; 1 – контурные фермы оболочки, состоящие из двух полуферм; 2 – плита покрытия размером 3×3 м; 3 – колонны здания; 4 – телескопические башни кондуктора; 5 – сетчатые кружала кондуктора; 6 – шарнирные опоры кондуктора для временного крепления элементов контурных ферм; 7 – 17 – последовательность монтажа контурных ферм и плит покрытия.
Поскольку при монтаже покрытия используют катучий кондуктор, перемещаемый лишь после выдерживания раствора и бетона, то за монтажный участок принимается одна ячейка пролета (рис. 22, б ).
Монтаж панелей оболочки начинают с наружных, опирающихся на кондуктор и контурную ферму, затем монтируют остальные панели оболочки (рис. 22, г , д ).
3.1.3.2. Технология возведения зданий с купольными покрытиями
В зависимости от конструктивного решения монтаж куполов выполняют с использованием временной опоры, навесным способом или в целом виде.
Сферические купола возводят кольцевыми ярусами из сборных железобетонных панелей навесным способом. Каждый из кольцевых ярусов после полной сборки обладает статической устойчивостью и несущей способностью и служит основанием для вышележащего яруса. Таким способом монтируют сборные железобетонные купола крытых рынков.
Панели поднимают башенным краном, установленным в центре здания. Временное крепление панелей каждого яруса осуществляют при помощи инвентарного приспособления (рис. 23, б ) в виде стойки с оттяжками и стяжной муфтой. Число таких приспособлений зависит от числа панелей в кольце каждого яруса.
Работы производят с инвентарных подмостей (рис. 23, в ), устраиваемых снаружи купола и перемещаемых по ходу монтажа. Смежные панели соединяют между собой болтами. Швы между панелями заделывают цементным раствором, который сначала укладывают по краям шва, а затем растворонасосом нагнетают в его внутреннюю полость. По верхней кромке панелей собираемого кольца устраивают железобетонный пояс. После того как раствор швов и бетон пояса приобретут требуемую прочность, стойки с оттяжками снимают, а цикл монтажа повторяют на следующем ярусе.
Сборные купола навесным способом монтируют также последовательной сборкой кольцевых поясов при помощи передвижной металлической фермы-шаблона и стоек с подвесками для удерживания сборных плит (рис. 23, г ). Этот способ применяют при монтаже сборных железобетонных куполов цирков.
Для монтажа купола в центре здания устанавливают башенный кран. На башню крана и кольцевой рельсовый путь, расположенный по железобетонному карнизу здания, устанавливают передвижную ферму-шаблон. Башню крана для обеспечения большей жесткости расчаливают четырьмя расчалками. При недостаточном вылете стрелы и грузоподъемности одного крана на кольцевом пути возле здания устанавливают второй кран.
Сборные панели купола монтируют в следующем порядке. Каждую панель в наклонном положении, соответствующем ее проектному положению в покрытии, поднимают башенным краном и устанавливают нижними углами на наклонно приваренные накладки узла, а верхними - на установочные винты фермы-шаблона.
Рис. 23. Возведение зданий с купольными покрытиями:
а – конструкция купола; б – схема временного крепления панелей купола; в – схема крепления подмостей для возведения купола; г – схема монтажа купола при помощи передвижной фермы-шаблона; 1 – нижнее опорное кольцо; 2 – панели; 3 – верхнее опорное кольцо; 4 – стойка инвентарного приспособления; 5 – оттяжка; 6 – стяжная муфта; 7 – монтируемая панель; 8 – смонтированные панели; 9 – подкос с отверстиями для изменения уклона кронштейна подмостей; 10 – стойка для перил; 11 – ригель кронштейна; 12 – проушина для крепления кронштейна к панели; 13 – монтажные стойки; 14 – расчалки стоек; 15 – подвески для удержания плит; 16 – ферма-шаблон; 17 – расчалки крана; 18 – панелевоз
Далее производят выверку верхних кромок закладных деталей верхних углов панели, после чего стропы снимают, панель крепят подвесками к монтажным стойкам и подвески натягивают при помощи стяжных муфт. Затем установочные винты фермы-шаблона опускают на 100 – 150 мм и передвигают ферму-шаблон в новое положение для монтажа смежной панели. После монтажа всех панелей пояса и сварки узлов стыки замоноличивают бетоном.
Следующий пояс купола монтируют после приобретения бетоном стыков нижележащего пояса требуемой прочности. По окончании монтажа верхнего пояса снимают подвески с панелей нижележащего пояса.
В строительстве применяют также метод подъема в целом виде забетонированных на земле покрытий диаметром 62 м при помощи системы домкратов, установленных на колоннах.
3.1.3.3. Технология возведения зданий с вантовыми покрытиями
Наиболее ответственным процессом при возведении таких зданий является устройство покрытия. Состав и последовательность выполнения монтажа вантовых покрытий зависит от их конструктивной схемы. Ведущим и наиболее сложным процессом при этом является монтаж вантовой сети.
Конструкция висячего покрытия с системой вантов состоит из монолитного железобетонного опорного контура; закрепленной на опорном контуре вантовой сети; сборных железобетонных плит, уложенных на вантовой сети.
После проектного натяжения вантовой сети и замоноличивания швов между плитами и вантами оболочка работает как единая монолитная конструкция.
Вантовая сеть состоит из системы продольных и поперечных вант, расположенных по главным направлениям поверхности оболочки под прямым углом друг к другу. В опорном контуре ванты закрепляют при помощи анкеров, состоящих из гильз и клиньев, с помощью которых обжимают концы каждого ванта.
Вантовую сеть оболочки монтируют в следующей последовательности. Каждую ванту с помощью крана устанавливают на место в два приема. Сначала с помощью крана один ее конец, снятый с барабана траверсой, подают к месту установки. Анкер ванты протягивают сквозь закладную деталь в опорном контуре, потом закрепляют и раскатывают оставшуюся на барабане часть ванты. После этого двумя кранами поднимают ванту до отметки опорного контура, одновременно подтягивая лебедкой второй анкер к опорному контуру (рис. 24, а ). Анкер протягивают через закладную деталь в опорном контуре и закрепляют гайкой с шайбой. Ванты поднимают вместе со специальными подвесками и контрольными грузами для последующей геодезической выверки.
Рис. 24. Возведение здания с вантовым покрытием:
а – схема подъема рабочей ванты; б – схема взаимоперпендикулярного симметричного натяжения вант; в – схема выверки продольных вант; г – детали окончательного крепления вант; 1 – электролебедка; 2 – оттяжка; 3 – монолитный железобетонный опорный контур; 4 – поднимаемая ванта; 5 – траверса; 6 – нивелир
По окончании монтажа продольных вант и предварительного натяжения их на усилие 29,420 – 49,033 кН (3 – 5 тс) выполняют геодезическую поверку их положения путем определения координат точек вантовой сети. Заранее составляют таблицы, в которых для каждой ванты указывают расстояние точек крепления контрольных грузов на гильзе анкера от начала отсчета. В этих точках на проволоке подвешивают контрольные грузы массой 500 кг. Длины подвесок различны и подсчитаны заранее.
При правильном провисании рабочих вант контрольные грузы (риски на них) должны находиться на одной отметке.
После выверки положения продольных вант устанавливают поперечные. Места их пересечения с рабочими вантами закрепляют постоянными сжимами. Одновременно с этим устанавливают временные оттяжки, закрепляющие положение мест пересечения вант. Затем повторно проверяют соответствие проекту поверхности вантовой сети. После этого вантовую сеть натягивают в три этапа при помощи 100-тонных гидравлических домкратов и траверс, присоединенных к гильзоклиновым анкерам.
Последовательность натяжения определяют из условий натяжения вант группами, одновременного натяжения групп в перпендикулярном направлении, симметричности натяжения групп относительно оси здания.
По окончании второго этапа натяжения, т.е. при достижении усилий, определенных проектом, на вантовую сеть укладывают сборные железобетонные плиты в направлении от нижней отметки к верхней. При этом на плитах до их подъема устанавливают опалубку для замоноличивания швов.
3.1.3.4. Технология возведения зданий с мембранными покрытиями
К металлическим висячим покрытиям относят тонколистовые мембранные, совмещающие несущие и ограждающие функции.
Достоинствами мембранных покрытий являются их высокая технологичность изготовления и монтажа, а также характер работы покрытия на двухосное растяжение, что позволяет перекрывать 200-метровые пролеты стальной мембраной толщиной всего 2 мм.
Висячие растянутые элементы обычно закрепляют за жесткие опорные конструкции, которые могут быть в виде замкнутого контура (кольца, овала, прямоугольника), опирающегося на колонны.
Рассмотрим технологию монтажа мембранного покрытия на примере покрытия спорткомплекса “Олимпийский” в Москве.
Спортивный комплекс "Олимпийский" решен в виде пространственной конструкции эллиптической формы 183×224 м. По наружному контуру эллипса с шагом 20 м расположены 32 стальные решетчатые колонны, жестко связанные с наружным опорным кольцом (сечением 5×1,75 м). К наружному кольцу подвешено мембранное покрытие – оболочка со стрелой провисания 12 м. Покрытие имеет 64 радиально расположенные с шагом по наружному контуру 10 м стабилизирующие фермы высотой 2,5 м, соединенные кольцевыми элементами – прогонами. Лепестки мембраны крепили между собой и к радиальным элементам "постели" высокопрочными болтами. В центре мембрана замыкается внутренним металлическим кольцом эллиптической формы размером 24×30 м. Мембранное покрытие крепилось к наружному и внутреннему кольцам высокопрочными болтами и сваркой.
Монтаж элементов мембранного покрытия производили крупными пространственными блоками башенным краном БК – 1000 и двумя шеврами-установщиками (грузоподъемностью 50 т), перемещавшимися по наружному опорному кольцу. По длинной оси на двух стендах производилась сборка одновременно двух блоков.
Все 64 стабилизирующие фермы покрытия были объёдинены попарно в 32 блока девяти типоразмеров. Один такой блок состоял из двух радиальных стабилизирующих ферм, прогонов по верхним и нижним поясам, вертикальных и горизонтальных связей. В блок были вмонтированы трубопроводы систем вентиляции и кондиционирования. Масса блоков стабилизирующих ферм в сборе достигала 43 т.
Поднимали блоки покрытия с помощью траверсы-распорки, которая воспринимала усилие распора от стабилизирующих ферм (рис. 25).
Перед подъемом блоков ферм выполняли предварительное напряжение верхнего пояса каждой фермы на усилие около 1300 кН (210 МПа) и закрепляли их при этом усилии к опорным кольцам покрытия.
Установка преднапряженных блоков производилась поэтапно путем симметричной установки нескольких блоков по радиусам одного диаметра. После монтажа восьми симметрично установленных блоков вместе с траверсами-распорками производилось одновременное их раскружаливание с передачей усилий распора равномерно наружному и внутреннему кольцам.
Блок стабилизирующих ферм поднимали краном БК – 1000 и шевром-установщиком примерно на 1 м выше наружного кольца. Затем шевр перемещали к месту установки данного блока. Расстроповку блока производили только после его полного проектного закрепления на внутреннем и наружном кольцах.
Мембранная оболочка массой 1569 т состояла из 64 секторных лепестков. Лепестки мембраны монтировали после окончания монтажа системы стабилизации и закрепляли высокопрочными болтами диаметром 24 мм.
Полотнища мембраны поступали на монтажную площадку в виде рулонов. Стеллажи для раскатывания располагались на месте сборки стабилизирующих ферм.
Рис. 25. Схема монтажа покрытия укрупненными блоками:
а – план; б – разрез; 1 – шевр-установщик; 2 – стенд для укрупнительной сборки блоков; 3 – траверса-распорка для подъема блока и предварительного напряжения верхних поясов ферм с помощью рычажного устройства (5); 4 – укрупненный блок; 6 – монтажный кран БК – 1000; 7 – центральное опорное кольцо; 8 – центральная временная опора; I – V – последовательность монтажа блоков и демонтажа траверс-распорок
Монтаж лепестков выполняли в последовательности установки стабилизирующих ферм. Натяжение лепестков мембраны осуществляли двумя гидравлическими домкратами усилием по 250 кН каждый.
Параллельно с укладкой и натяжением лепестков мембраны вели сверление отверстий и установку высокопрочных болтов (97 тыс. отверстий диаметром 27 мм). После сборки и проектного закрепления всех элементов покрытия производилось его раскружаливание, т.е. освобождение центральной опоры и плавное включение в работу всей пространственной конструкции.
Большепролетные конструкции играют значительную роль в мировой архитектуре. И заложено это ещё в давние времена, когда собственно и появилось это особое направление архитектурного проектирования.
Идея и реализация большепролетных проектов неразрывно связана с основным стремлением не только строителя и архитектора, но и всего человечества в целом - стремлением покорения пространства. Именно поэтому, начиная со 125 года н. э., когда появилось первое известное в истории большепролетное строение, Пантеон Рима (диаметр основания - 43 м), и заканчивая творениями современных архитекторов, большепролетные конструкции пользуются особой популярностью.
Как уже говорилось выше - первым был Пантеон в Риме построенный в 125 году н. э. Позднее появились и другие величественные строения с большепролетными купольными элементами. Ярким примером можно считать храм Святой Софии построенный в Константинополе в 537 году н. э. Диаметр купола составляет 32 метра, а сам он придаёт всему сооружению не только величественность, но и удивительную красоту, которой и по сей день восхищаются и туристы, и архитекторы.
В те и более поздние времена из камня невозможно было построить легкие сооружения. Поэтому купольные строения характеризовались большой массивностью а их строительство требовало серьёзных временных затрат - до ста и более лет.
Позже, для обустройства перекрытий больших пролетов начали использоваться и деревянные конструкции. Здесь яркий примером является достижение отечественной архитектуры - бывший Манеж в Москве был построен в 1812 году и имел в своей конструкции деревянные пролеты длиной 30 м.
XVIII-XIX столетия характеризуются развитием черной металлургии, что дало новые и более прочные материалы для строительства - сталь и чугун. Это ознаменовало появление во второй половине 19-го столетия большепролетных стальных конструкций, получивших большое применение в российской и мировой архитектуре.
Следующим строительным материалом, существенно расширившим возможности архитекторов, стали железобетонные конструкции. Благодаря появлению и совершенствованию ЖБК мировая архитектура 20-го столетия пополнилась тонкостенными пространственными конструкциями. Параллельно, во второй половине ХХ столетия, стали широко использоваться висячие покрытия, стержневые и пневматические системы.
Во второй половине ХХ столетия появилась и клееная древесина. Развитие этой технологии позволило «вернуть к жизни» деревянные большепролетные конструкции, достичь особых показателей легкости и невесомости, завоевать пространство, не идя при этом на компромисс с прочностью и надежностью.
Как показывает история - логика развития большепролетных конструктивных систем была направлена на повышение качества и надежности строительства, а также архитектурной ценности строения. Применение данного типа конструкций позволило в наибольшей мере использовать весь потенциал несущих свойств материала, создать благодаря этому легкие, надежные и экономичные перекрытия. Всё это особо важно для современного архитектора, когда на первый план в современном строительстве выдвинулось снижение массы конструкций и сооружений.
Но что же представляют собой большепролетные конструкции? Здесь мнения экспертов расходятся. Единого определения нет. По одной из версий - это любая конструкция с длиной пролета более 36 м. По другой - конструкции с безопорным покрытием длиной более 60 м, хотя они уже относятся к категории уникальных. К последним относятся и строения с длиной пролета больше ста метров.
Но в любом случае, независимо от определения, современная архитектура однозначна в том, что большепролетные строения являются сложными объектами. А это означает и высокий уровень ответственности архитектора, необходимость в принятии дополнительных мер безопасности на каждом из этапов - архитектурное проектирование, строительство, эксплуатация.
Важным моментом является выбор строительного материала - дерева, ЖБК или стали. Помимо этих традиционных материалов используются и специальные ткани, тросы и углепластик. Выбор материала зависит от задач стоящих перед архитектором и специфики строительства. Рассмотрим основные материалы используемые в современном большепролетном строительстве.
Учитывая историю мировой архитектуры и неизбежное стремление человека к завоеванию пространства и созданию совершенных архитектурных форм, можно смело прогнозировать устойчивый рост внимания к большепролетным конструкциям. Что касается материалов, то помимо современных высокотехнологичных решений, всё большее внимание будет уделяться КДК, представляющим собой уникальный синтез традиционного материала и современных высоких технологий.
Что же касается России, то, учитывая темпы развития экономики и не удовлетворенную потребность в объектах различного назначения, в т. ч. торговой и спортивной инфраструктуры, объёмы строительства большепролетных здания и сооружений будут постоянно увеличиваться. И здесь всё большую роль будут играть уникальные конструкторские решения, качество материалов и использование инновационных технологий.
Но не забудем и об экономической составляющей. Именно она стоит и будет стоять во главе угла, и именно сквозь неё будет рассматриваться эффективность того или иного материала, технологии и конструкторского решения. И в этой связи опять хочется вспомнить про клееные деревянные конструкции. Им, по мнению многих экспертов, принадлежит будущее большепролетного строительства.
