СТРУКТУРНІ ПОКРИТТЯ 2

1

Структурні покриття

1.Історія розвитку та формоутворення структурних покриттів

2.Елементи та вузли структурних покриттів

3.Визначення навантажень на структурні покриття

4.Розрахунок та конструювання структурних покриттів

1. Історія розвитку та формоутворення структурних покриттів

Стержень як конструктивний елемент може бути довільним чином розташований у просторі. Відтоді із стержнів можна утворювати просторові регулярні і нерегулярні направлені несучі системи. Утворені системи можуть бути локалізовані у вигляді плит, оболонок, складок тощо будь-якої конфігурації, перекривати великі прольоти, маючи при тому значну жорсткість і світлопроникність. Такі конструкції прийнято називати структурними або ж скорочено «структурами». Ця має походження із біології, де простіші одноклітинні організми – радіолярії мають регулярну будову із форм, що повторюються. Французький інженер Роберт Ле Ріколє (Robert Le Ricolais), спостерігаючи за цими організмами, запропонував на початку 1940 року перехресно-стержневу систему з дерева, назвавши її структурою, став одним із апологетів біоніки. Втім перші стержньові системи, виконані із металевих стержнів (рис. 1) були розроблені ще у 19 ст. французьким архітектором Віолет-ле-Дюком (Violet-le Duc) та інженером Александром Ейфелем

(Alexandre Eiffel).

а б Рис.1. Вузли сполучення просторових металевих стержнів В.Дюка (а) та А.Ейфеля (б),

19ст.

У 1938..1942 роках спеціаліст зі сталевих конструкцій, доктор інженерних наук Макс Менгерингаузен (Max Mengeringhausen) у Німеччині створив перше вирішення стержневої структури у металі для швидкомонтованих авіаукриттів. Його фірма МЕРО-ТСК (MEROТSK), відтворена після війни у 1946 році і зараз є одним зі світових лідерів у виробництві структурних конструкцій. До Менгерингаузена структуроподібні конструкції для літакобудування пропонував ще у 1900 році Олександр Грахам Бел (Alexander Graham Bell). На початку 1950-х років у США Конрад Ваксман (Konrad Wachsmann) розробив перехресно-стержневу регулярну констуркцію ангару із консольними звисами розмірами 116х236 м (рис. 2). Пізніще ідеї К.Ваксмана були розвинені Б.Фулером (Buckminster Fuller), Дж.Чілтоном (John Chilton) та іншими видатними інженерами.

2

Рис.2. Авіаційний ангар, виконаний у структурних конструкціях, США, 1954 р.

Із появою комп’ютерних методів розрахунку та ускладненням архітектурних форм, починаючи із 60-х років структурні конструкції набувають все більшого поширення у світі. Однією з найбільших структур є покриття пасажирського терміналу аеропорту Тайпей (КНР) із розмірами в плані 210х170 м (рис.3). Сучасний літній амфітеатр «Слов’янський базар» у м. Вітебськ (Білорусь) має просторове структурне покриття складної форми із розмірами у плані 110х60м та чарункою поясів 3х3 м (рис.4). Світлопрозоре покриття виконане із тонованого полікарбонату, закріпленого до верхнього поясу.

Рис.3. Структурне покриття пасажирського терміналу аеропорту Тайпей із розмірами 210х170 м, Китай, 1997р.

3

Рис.4. Структурне покриття літнього амфітеатру у м. Вітебськ (Білорусь), 2007 р.

В Україні структурні конструкції також знайшли застосування у багатьох галузях народного господарства – як покриття виставкових, торговельних залів, спортивних стадіонів; як перекриття багатоповерхових будівель та конструкції атріумів, кінотеатрів, готелів, оранжерей тощо. Навіс над трибунами стадіону «Арена-Львів», побудованого до футбольного чемпіонату «Євро-2012» має консольні ферми змінної висоти вильотом 53 м, на які спирається структурне покриття «MERO-TSK» (рис.5). Чарунки мають розміри 3х3 м, а загальна вага конструкцій покриття складає 2700 т. Стержневі елементи структури за допомогою накінечників болтового типу кріпляться до спеціальних вузлових деталей із болтами підвищеної міцності з контрольованим зусиллям натягу 15% їх несучої здатності.

Рис.5. Навіс над трибунами Львівського футбольного стадіону на стадії монтажу, 2011 р.

Футбольний стадіон у м. Донецьку також перекритий структурним покриттям «MERO-TSK» по консольним фермам із перемінним вильотом від 16 до 57 м (рис.6). Загальна вага конструкцій покриття складає біля 3800 т.

Основними перевагами структурних конструкцій, завдяки яким вони знайшли широке застосування, є:

4

∙Архітектурна виразність та гнучкість у застосуванні щодо створення різних конструктивних форм, адаптивність у переплануванні

∙Висока просторова міцність, стійкість та жорсткість

∙Вільність планувальних рішень та можливість формування відкритого функціонального простору

∙Уніфікованість та типізація елементів за рахунок регулярності їх розташування

∙Індустріальність виготовлення та можливість поставки на майданчик поелементно малогабаритним транспортом

∙Технологічність збирання та монтаж укрупненими блоками, а також мобільність Структурні конструкції, як і всі багатов’язеві системи мають значну живучість –

здатність не руйнуватися і зберігати основні експлуатаційні якості при виключенні із роботи головних елементів за рахунок перерозподілу зусиль. Таким чином структури добре захищені від небезпеки прогресуючого руйнування.

Недоліками структур є дещо підвищена трудомісткість виготовлення вузлів та іноді металоємність при порівнянні із традиційними вирішеннями будівель. Разом з тим структурні конструкції залишаються єдиним можливим вирішенням для низки архітектурних рішень та особливих умов будівництва.

Згідно загально прийнятої класифікації несучих систем Х.Енгеля конструкції стержневих структур є активними за вектором зусилля. Вони розподіляють дискретно зусилля всередині системи, заземляючи їх потім на опори. Сила, прикладена до будь-якого вузла структури і довільншо спрямована, викликає зусилля в першу чергу у елементах, що безпосередньо примикають до цього вузла, тобто просторову реакцію всієї системи, що схоже на реакцію суцільного середовища.

Рис.6. Покриття футбольного стадіону «Донбас арена», 2009 р.

Ідея структур перейнята у Природі, що вибудовує несучі елементи із елементарних орієнтованих частинок. Будова структур подібна до кристалічної решітки металів, до груп клітин водоростей-«вольвокс», до кореневих систем міцелію грибів тощо.

Основне поширення набули структури у вигляді стержневих плит, що забезпечує площинність утворених поверхонь і уніфікацію елементів. Структурні плити мають підвищену жорсткість, зазвичай для них рекомендується відношення будівельної висоти до прольоту h/l = 1/20…1/40. Це дозволяє значно зменшити експлуатаційні витрати у опалюваних приміщеннях. З іншої сторони, значне зменшення висоти структурних плит призводить до квадратичного зростання кількості елементів та вузлів, що викликає додаткові трудовитрати.

Структурні конструкції не мають характерних для традиційних вирішень в’язей, а при розмірах чарунок 2…3 м не мають прогонів, якщо верхній пояс виконується

5

нерозрізним або із гнутозварних замкнених профілів. Структурні конструкції застосовують також у якості крупних стінових блоків.

При розрахунку зазвичай вважають, що структурні покриття мають шарнірні приєднання у вузлах. Задля забезпеченості геометричної незмінюваності, просторові стержні об’єднують у піраміди, що можуть мати квадратну, трикутну або шестикутну основу. Шестикутну основу ще називають гексагональною. Відповідно структурні плити можуть бути побудовані на основі пентаедрів, тетраедрів або гептаедрів.

Рис. 7. Схеми стержневих структур на основі пірамід: а, б – на основі пентаедрів, в – тетраедрів, г- гептаедрів

За рахунок описаної властивості значної жорсткості у стержневих регулярних двошарових системах можуть бути улаштовані розрідження, які використовуються для організації ліхтарів, пропуску комунікацій тощо (рис. 8). Також розрідження дозволяє досягти рівнонапруженості несучого каркасу та скоротити кількість відправних марок.

Окрім того, модульна система вузлів дозволяє зазвичай спряжіння елеемнтів структур зі зміною напрямку не тільки у площині, але і із площини, що дозволяє формувати ламані та сегментно-криволінійні абриси покриттів (рис.9)

Рис. 8. Схеми розрідження стержневих структур на основі пірамід: а,б,в – при пентаедрах; г – при тетраедрах (товсті суцільні лінії – верхні пояси, тонкі суцільні – розкоси, пунктирні – нижні пояси)

6

Рис.9. Варіанти використання перехресно-стержневих конструкцій у покриттях із поперечним перерізом різного абрису: а – односкатні покриття, б - двоскатні, в – шедові, г – складної форми

Конструктивна характеристики плит

Чарункова будова та модульність стерженвих структур дозволяє компонувати покриття квадратної , прямокутної, трикутної, шестикутної форми у плані , та багатьох інших , у тому числі криволінійного та довільного абрису. При цьому слід дотримувати принципу просторової роботи, при якому вхідні потоки зусиль рівномірно розподіляються стержневою системою у двох або трьох напрямках.

При квадратній чарунці найбільш раціональною видається квадратна форма плану, що забезпечує рівноміцність плити у обох напрямках. У прямокутному плані згинальні моменти у короткому та довгому напрямках стають різними.

Структури із квадратною та шестикутною чарунками складаються із стержневих призм або пірамід які є геометрично змінюваними, через що вони не можуть працювати під навантаженням на крутіння. При призначенні різних консольних звисів покриттів та перекриттів необхідно слідкувати за тим, щоб згин консольних ділянок був в основному вздовж вильоту. В основному висоту структури при цьому приймають із вильотом у співвідношенні 1/5.

Структури із трикутними чарунками мають набагато більшу жорсткість , аніж із чотирикутною. Вони мають також більшу гнучкість у організації різноманітних архітектурних планів та улаштуванні консолей. В той же час, при трикутній чарунці збільшується число елементів структури, що призводить до зростанння конструктивної складності вузлів та трудомісткості виготовлення і монтажу.

Просторова робота стержневої плити дозволяє приймати її раціональну висоту h у межах 1/15..1/30 прольоту. Прикінцева виисота приймається із урахуванням архітектурних і конструктивних вимог на основі розрахунку та порівняльного техніко-економічного аналізу варіантів.

Іншим головним розміром плити є розмір поясної чарунки, який зазвичай призначається у межах 1,2…3 м. Це забезпечує конструктивну легкість і достатні експлуатаційні якості. У складних, великопрольотних покриттях при необхідності застосовують більші розміри чарунок, що дозволяє концентрувати зусилля та зименшує кількість елементів, одночасно збільшуючи можливості технологічного використання простору між стержнями. В той же час для організації у структурах сходів, ліхтарів, вентиляційних блоків не збільшують розмір чарунки а користуються прийомом розрідження сітки, описаним вище.

Якщо покриття монтують не блоками заводської готовності, а окремими стержнями розсипом, то доцільно уніфікувати довжину розкосів і елементів поясів. Зокрема при пентаедрах із однотипних стержнів розмір панелі поясів складає h/cos450 = 1.4142h h/sin540 44’08”= 1.2247h.

Спирання стержневих плит

Розташування опор для стержневих плит визначається архітектурно-планувальним вирішенням приміщень. Одна із істотних переваг плит – можливість розміщення опор у будь-якій зоні конструкції у відповідності із архітектурним задумом. При цьому ураховують також конструктивні вимоги, зумовлені просторовою роботою структури, типами фундаментів, ґрунтовими умовами тощо.

На рис. 10 показані основні варіанти симетричного розміщення колон для покриттів із стержневих плит із простим абрисом у плані. При складній формі у плані, вона як правило, може бути розбита на прості. Складні, криволінійні поверхні структурних покриттів можуть вимагати нерегулярних, індивідуальних вирішень опор та континуального спирання усією структурою.

7

Рис.10. Варіанти симетричного розміщення колон для покриттів із стержневих плит із квадратним та трикутним абрисом у плані: а- у кутах будівлі; б,г – при кутових консолях; в,д – по периметру будівлі; е,ж – із консольними звисами; з – багатопрольотні схеми

Рис.11. Варіанти вирішення опор для стержневих плит: а- колони у вузол плити; б – колони із решітчастими капітелями; в – колони із жорсткими капітелями; г - через опорний стояк, д– просторові опори

Рис. 12. Варіанти комбінованих опор для стержневих плит із застосуванням: а,б,в,г – вант; д – підкроквяних ферм; е – арок

8

При сильно розрідженому спиранні або розміщенні опор по кутах, у структурних покриттях виникають значні зусилля, що погіршує економічність конструкції. Щоби зробити заземлення силового потоку більш рівномірним, у колонах застосовують розвинуті капітелі або просторове вирішення (рис. 12).

Застосування у покриттях консолей у межах 0,2..0,25 прольоту між опорами позитивно впливає на розподіл зусиль у стержневій плиті, призводячи до появи зрівноважуючих моментів завдяки нерозрізній роботі.

Проте слід пам'ятати, що вирішення із розміщення опор усередині плану структури або розрідженим кроком опор призводить до появи окремих контурних фахверкових колон для кріплення фасаду, що веде до здорожчання проекту. Фахверкові колони, як правило, проектують консольними і вони не передають горизонтальні вітрові навантаження на стержні покриття.

Для структурних покриттів можна також використовувати комбіновані опори. Такими опорами можуть слугувати арки, ферми, ванти тощо (рис.12). При цьому ураховують вимоги до архітектурної виразності будівлі в цілому та конструктивні особливості роботи тих чи інших типів опор.

2. Елементи та вузли структурних покриттів

Оскільки елементи просторових стержневих перекриттів як правило з умов закріплення мають відповідати вимогам рівностійкості в усіх площинах, для елементів використовують перерізи із круглих гарячекатаних або прямошовних електрозварних труб. Це дозволяє економити понад 20% металу і трудовитрат у порівнянні із вирішеннями зі стандартних парних кутиків та фасонок, притаманних звичайним покриттям із пласких ферм або деяким рішенням структур. При безпрогонному вирішенні покрівлі раціонально використовувати верхні пояси структур із гнутозварних замкнених профілів квадратного або прямокутного перерізу з метою спрощення спирання настилу покриття.

Геометричні характеристики прямошовних електрозварних труб за ДСТУ 10704-91 та гнутозварних профілів за ДСТУ ____ наведені у додатку __. Також стержні можуть бути призначені із гнутозварних замкнених профілів квадратного перерізу, скомпоновані з кутиків, швелерів тощо. Сталь для елементів як правило призначають із міцністю не нижче С255 або, відповідно, для труб ВСт3пс4 (див. додаток ___).

Рис. 13. Вузли структурних покриттів із примиканням на вузловий елемент у вигляді стержня (1) та сфери (2)

Примикання елементів структурних покриттів із труб, як правило, виконують через спеціальні вузлові елементи, які мають вигляд стержнів із прорізями, до яких

9

приварюються чи заводяться оброблені плющені кінці труб, або сфер чи циліндрів із різьбленими отворами для осьових болтів.

Для конструкцій із помірними навантаженнями можуть бути використані вузли, вигнуті або штамповані із листів. Елементи при цьому можуть бути виконані із швелерів або гнутих профілів.

Вузли структур, організовані на зварюванні дозволяють виконувати прольоти конструкцій покриттів до 100м і більше, оскільки здатні сприймати значні навантаження і створюють достатню жорсткість, що забезпечує найбільшу сумісну роботу елементів. В той же час, слід ураховувати, що виконання зварювальних робіт вузлів безпосередньо на майданчику висуває високі вимоги до виконання зварювальних робіт та вимагає спеціального обґрунтування, оскільки є екологічно шкідливим.

Зменшення трудомісткості монтажу конструкцій може бути досягнуте за рахунок уніфікації елементів та вузлів або поставки на майданчик блоками. Невеликі за прольотом площинні структури можуть бути виготовлені у варіанті трансформованих, розсувних конструкцій, які поставляються на майданчик у складеному компактному вигляді і потім розкладаються до проектного вигляду перед монтажем.

10

Рис. 14. Системи структурних покриттів із пластинчатими зварними вузлами (1) і штампованими із листа з примиканням елементів із гнутих швелерів (2)

Рис. 15. Вузлові з'єднання стержневих плит із елементами із прокатних профілів (1), зварні вузли із центральною кулею, циліндром та кулею (2)

Архітектурні вузли структурних покриттів

По стержневим плитам зазвичай улаштовують полегшену неексплуатовану покрівлю, аналогічну тій що використовується у звичайних покриттях із металевими фермами.