Компоновка арочных покрытий

В арочных системах покрытий распространены два типа схем - с рядовым и блочным расположением арок.

а – рядовая, б-блочная, 1-связи по нижним фонарям арок, 2 – по верхним поясам, 3 – прогоны, 4 – элементы связей.

а) Применение рядового размещения арок целесообразно при пролетах до 60...80 м. Легкие арки пролетом до 15...20 м размещаются с шагом 3...4 м.

Арки пролетом до 40...50 м размещают в плане с шагом 6...12 м. При шаге до 6 м покрытие проектируется беспрогонным с укладкой плит на верхние пояса арок. С увеличением шага арок настил укладывается на прогоны. Прогоны могут быть сплошного и сквозного сечения.

При пролетах более 60 м выгодным оказывается размещение арок с шагом 12...24 м. В этом случае применяют решетчатые прогоны. Прогоны в наклонных плоскостях будут работать на косой изгиб, что приводит к необходимости раскрепления их тяжами к узлам арок. При большом шаге между прогонами (более 6 м) вдоль ската устанавливают дополнительные ребра-прогоны, которые образуют многошарнирную арку того же очертания, что и основные арки. В этом случае ребра будут передавать на прогоны только нормальную составляющую от давления кровли, а скатную составляющую воспринимать сами и передавать на фундамент.

Обеспечение устойчивости арок из их плоскости осуществляется с помощью поперечных связей, которые, как правило, размещаются в плоскости верхних поясов в торцах здания и по длине здания через 50...60 м. Связи по верхним поясам следует доводить до опор. Нижние пояса арок так же обычно сжаты, что требует их раскрепления. Дублирование связей по нижним поясам в этом случае не целесообразно, поэтому крепление нижних поясов происходит либо через опорный столик для сплошных прогонов, либо через подкос в случае сквозного прогона.

Для обеспечения поперечной жесткости арочного покрытия при f/l ≥ 1/4 следует ставить продольные связи в плоскости верхних поясов арок по оси здания.

б) При больших пролетах (более 80...100 м) и высотах арок из-за сложности монтажа применяется блочное размещение арок. Плоские арки попарно объединяются в жесткие пространственные блоки шириной 3...6 м с помощью вертикальных связей и связей по верхним поясам или применяют арки с пространственным сечением.

Расстояние между блоками обычно принимается 18...24 м. Компоновка стропильного покрытия между блоками осуществляется с помощью прогонов-ферм, которые имеют жесткие узлы сопряжения с арочными блоками. Высота прогонов с учетом защемления должна быть 1/15...1/20 от их пролета. По аналогии с рядовым размещением арок при большой стреле их подъема блоки арок объединяют в ключе продольными связями.

По статической схеме арки подразделяют на бесшарнирные, двухшарнирные, трехшарнирные, и арки с затяжкой.

О целесообразности арок можно судить по эпюре моментов. Наибольшие изгибающие моменты возникают в трехшарнирной арке в четверти пролета, поэтому трехшарнирные — самые тяжелые и вследствие этого мало применимы. В бесшарнирных арках моменты в средней половине пролета минимальны и возрастают на сравнительно небольших участках вблизи опор, поэтому они самые легкие. Однако подобно рамам, применение бесшарнирных арок возможно только на недеформируемых грунтах, в противном случае расход материала на фундаменты в значительной степени перекрывает экономию материалов, получаемую на самой арке.

Двухшарнирные арки менее чувствительны к температурным и деформационным воздействиям, чем бесшарнирные, и обладают большей жесткостью, чем трехшарнирные арки. Кроме того, они имеют более равномерное распределение изгибающего момента по сравнению с двумя другими статическими схемами. Двухшарнирные арки достаточно экономичны по расходу материала, просты в изготовлении и монтаже и благодаря этим качествам находят преимущественное применение в зданиях и сооружениях.

В арках, загруженных равномерно распределенной нагрузкой, минимальное значение моментов достигается тогда, когда очертание арки совпадает с кривой давления. Этому случаю соответствует арка, очерченная по квадратной параболе. В пологих арках с целью упрощения изготовления параболическая кривая может быть заменена дугой окружности, не вызывающей существенного увеличения усилий. При увеличении высоты арок нормальная сила и распор уменьшаются, а изгибающий момент значительно возрастает. Этому способствует в большой мере влияние ветровой нагрузки, оказывающее разное воздействие на арку с напорной и отсосной стороны, давая две неравные кривые давления.

В конструктивном отношении металлические арки подразделяют на сплошные и сквозные (решетчатые). Сплошные арки применяют при пролетах до 60 м. Иногда из функциональных соображений проектируются арки из двух прямолинейных элементов. Сечение сплошных арок выполняют в виде сварного широкополочного двутавра, трубы и составных сечений из двух швеллеров или двутавров, соединенных планками. Составные сечения имеют большую жесткость из плоскости арки, поэтому их целесообразно применять при больших пролетах.

При пролетах более 60 м преимущественно проектируют сквозные арки с параллельными поясами. Сквозные арки имеют меньшую жесткость, поэтому высоту сечения в таких арках увеличивают. Пояса сквозных арок выполняют из уголков, швеллеров, труб и двутавров. При больших пролетах и усилиях сквозные арки делают пространственными в виде треугольного или четырехугольного поперечного сечения. В сквозных арках пояса по вертикали и горизонтали сопрягаются решетчатыми связями треугольного или раскосного типа, выполняемыми из одиночных уголков, швеллеров или двутавров.

Сечения сплошных и сквозных арок рекомендуется принимать постоянными по всей длине. Однако в двух- и трехшарнирных арках с целью экономии металла допускается проектировать серповидные или сегментные очертания .

Распор в арочной конструкции воспринимается затяжкой, устраиваемой на уровне опорных узлов. Однако затяжка препятствует нормальной эксплуатации всего помещения и требует дополнительного расхода материала на подвески. В большепролетных общественных и промышленных зданиях освобождаются от затяжки путем передачи распора на жесткие опоры в виде поперечных рам, пилонов, трибун или непосредственно фундаментов. Во избежание чрезмерного смещения фундамента в слабых грунтах подпольная затяжка может устраиваться при значительных распорных усилиях.