Состояние вопроса и задачи исследований

Классификация и области применения стальных стержневых пространственных плит покрытий

Такие конструкции, называемые также «структурными плитами», стали применяться в строительстве в 50−60-х годах ХХ века. Они могут быть образованы путем пересечения плоских ферм в двух, трех и более направлениях с разбиением плиты на квадратные, треугольные и шестиугольные ячейки (рис. 1.1). В показанных на рисунке схемах верхние и нижние пояса плоских ферм расположены в одинаковых вертикальных плоскостях.

Рис. 1.1. Схемы структурных плит из вертикальных перекрестных ферм: а, б — при расположении ферм в двух направлениях; в, г — то же, в трех направлениях

Если нижние пояса ферм, например, в схеме рис. 1.1, а, мы сместим на полшага относительно нижних поясов, и разместим раскосы в наклонных плоскостях, то будет получена структура, показанная на рис. 1.2. Аналогично могут быть построены системы иных конфигураций.

В таких системах всегда можно выделить многократно повторяющийся пространственный элемент «кристалл», например, в виде параллелепипеда, пирамиды и т. д. (рис. 1.3). Структуры, собранные из разных кристаллов, показаны на рис. 1.4.

Рис. 1.3. Кристаллы структур

Преимущества структурных конструкций.

Пространственные системы регулярной структуры формируют исходя из принципа многосвязности. Это определяет целый ряд их преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями, скомпонованными из стропильных и подстропильных ферм, а также связей и прогонов.

Материал в такой системе распределяется сравнительно равномерно. При действии на систему подвижных и неравномерно приложенных нагрузок в работу включается большое число стержней, что позволяет создавать достаточно легкие конструкции несущих покрытий с многоопорным подвесным транспортом и другие эффективные системы. Наличие частой сетки узлов в уровне поясов структурной плиты упрощает применение подвесного транспорта.

Кроме того, к преимуществам этого класса конструкций можно отнести повышенную надежность, определяемую той же многосвязностью (многократной статической неопределимостью). Резерв живучести многосвязных систем заключается в возможности перераспределения усилий после выхода из строя или после перехода в пластическую стадию деформирования отдельных перегруженных элементов.

Архитекторов структурные конструкции привлекают своеобразием и многообразием рисунков кристаллической структуры, возможностью варьирования формы поверхностей в плане и в разрезах зданий или, иными словами, архитектурной выразительностью.

Структурные конструкции благодаря многосвязности и пространственной работе более жесткие, чем плоские, что позволяет проектировать покрытия с высотой 1/15−1/25 пролета, что примерно вдвое меньше высоты традиционных плоских ферм.

Регулярность структур определяет повторяемость размеров и, как следствие, максимальную унификацию стержней и узлов, что делает возможной организацию поточного высокомеханизированного производства, позволяющего существенно снизить удельные трудозатраты на изготовление.

Удобство транспортирования структур, состоящих из отдельных стержней и узловых элементов, определяется возможностью упаковки в ящики или компактные пакеты. При компоновке конструкций из укрупненных элементов типа пирамид возможно использование «принципа матрешки» для их транспортирования, т. е. можно вкладывать их одна в другую с образованием также довольно компактного пакета из пирамид. Монтаж пространственно жестких конструкций осуществляется крупными блоками, конвейерным способом и без всякого усиления для устойчивости при монтаже.

Узловые сопряжения.

Важное значение для структурных конструкций имеет конструкция узлов, которая определяет, трудоемкость сборки конструкций на монтажной площадке. Наиболее характерные узлы показаны на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Наиболее характерные узловые сопряжения стержней структурных плит: а, б, в, г — болтовые; д, е, ж, и — комбинированные: к, л — сварные

Приведем краткую характеристику этих узлов:

• а) Соединение уголковых стержней на болтах внахлест; применяется в нижних узлах структурных конструкций системы «ЦНИИСК» (Россия), работающих преимущественно в одном направлении (рис. 1.5, а);
• б) Соединение типа «Юнистрат», разработанное фирмой «Unistrul Corporation» совместно с лабораторией стальных конструкций Мичиганского университета (США). Узловая фасонка выполнена штамповкой с отверстиями и шпонками для соединения на болтах стержней из гнутого профиля (рис. 1.5, б).
• в) Соединение системы «Сокол» (Россия), состоящее 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 нормальной точности (рис. 1.5, в).

г) Узловое соединение «Триодетик» фирмы «Fentiman» (Канада). 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, соединенных болтом (рис. 1.5, г).

• д) Узловые соединения системы «МЕРО», разработанные в Германии (система «Веймар» и др.). Аналогичные системы «МАрхИ» и «Кисловодск» разработаны в России (рис. 1.5, д).
• е) Соединение на фланцах. Разработано в ЦНИИПСК и ЛенЗНИИЭП (Россия) 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. 1.5, е).
• ж) Соединение уголковых профилей на болтах при помощи листовых фасонок, приваренных в заводских условиях к длинноразмерным поясам. Соединение применяется в верхних узлах конструкций системы «ЦНИИСК» (Россия), работающих преимущественно в одном направлении (рис. 1.5, ж);
• и) Соединение на болтах при помощи пространственных фасонок, свариваемых в заводских условиях из отдельных листов (рис. 1.5, и).
• к) Соединение конструкции «Октаплатт», разработано в Германии фирмой «Маннесман». К узловому элементу в виде полого шара привариваются по периметру трубчатые стержни (рис. 1.5, к);
• л) Соединение системы «ЦНИИСК» (Россия). Концы трубчатых стержней сплющиваются и собираются в пространственном узле; образовавшееся между концами стержней пространство заполняется расплавленным металлом с помощью ванной сварки (рис. 1.5, л).

Опирание структурных конструкций.

Удачный выбор схемы опирания конструкции и правильное проектирование опорной зоны позволяют повысить ее технико-экономические показатели с учетом технологических и планировочных параметров проектируемого здания. Экономичные по расходу материалов решения могут быть получены как при расположении опор по контуру, так и внутри контура (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Варианты опирания структурных плит: а, б, в — контурные; г, д, е — внутриконтурные; ж, и, к — смешанные; л — произвольные

В последнем случае консольные свесы разгружают пролетную часть конструкции; дополнительный пригруз консолей позволяет регулировать усилия в стержнях. Возможно также опирание через стержневые капителями.

Расположение опор структурных плит по отношению к контуру конструкции подразделяется на четыре основных класса (рис. 1.6):

• 1) контурное опирание, при котором опоры, поддерживающие конструкцию, расположены по периметру (рис. 1.6, а, б, в);
• 2) внутриконтурное опирание с консолями (рис. 1.6, г, д, е);
• 3) смешанное опирание при котором опоры расположены частично по контуру и частично внутри контура конструкции, образуя регулярную (рис. 2.2, ж, и) или нерегулярную сетку колонн (рис. 1.6, к);
• 4) свободное опирание, при котором внутренние опоры, а в некоторых случаях и наружные, ставятся произвольно в соответствии с технологическими особенностями проектируемого здания (рис. 1.6, л).

Опирание структурных плит на колонны осуществляется через выступающую опорную капитель в узлы верхнего или нижнего пояса и через встроенную в структурную плиту капитель в виде пирамиды или крестовины. При необходимости более полного использования внутреннего габарита, а также наличии подвесных кран-балок рекомендуется безкапительный вариант опирания непосредственно на узлы (без капителей). В гражданском строительстве, а также строительстве специальных промышленных сооружений можно для опирания структурных плит использовать имеющиеся внутренние стены или опоры технологического оборудования (рис. 1.6, л). Этот прием может быть рекомендован при одинаковой податливости этих опор и основных колонн сооружения.

Недостатки структурных систем вытекают из их основных особенностей, связанных с наличием большого числа стержней и узлов. В узлах структур сходятся шесть, а иногда и более стержней. От конструкции узла, от того, сколь высокую точность при изготовлении она предполагает, зависит и сложность, а значит и трудоемкость изготовления. Отметим, что в узлах с использованием монтажной сварки не требуется столь высокая точность изготовления элементов, но при этом в конструкции развиваются значительные сварочные напряжения, снижающие ее несущую способность. Наличие большого числа стержней во многих случаях ведет к неполному использованию несущей способности элементов, многие стержни недогружены и их сечения подбирают по предельной гибкости. Это приводит к тому, что структурные плиты оказываются во многих случаях тяжелее, чем системы, составленные из плоских конструкций. Пространственно-стержневые системы регулярной структуры предполагают использование относительно тонкостенных профилей, например, круглых или прямоугольных труб, которые не всегда имеются в наличии по приемлемым ценам. Некоторые из указанных недостатков существенно смягчаются большой повторяемостью стержней и узлов, что дает конструктору найти удачную конструкцию, обеспечивающую достаточно высокую технологичность как при изготовлении, так и при сборке структур.

Области применения структурных конструкций.

Области применения структурных конструкций довольно разнообразны. Они широко применяются как в промышленных, так и в гражданских зданиях с пролетами 24−84 м. Наиболее распространенными являются структурные плиты на квадратном плане размерами 24×24, 30×30 и 36×36 м. В меньшей степени применяются структуры на прямоугольном или многоугольном плане, хотя примеры таких конструкций также имеются. Структурные плиты хорошо вписываются в уникальные строительные объекты большепролетных зданий с различной, иногда сложной компоновкой основных строительных объемов. Здесь возможны пролеты до 84 м при самой разнообразной форме плана. Назначение таких зданий — это объекты транспорта, торговли, зрелищные и спортивные сооружения. Отметим, что структурные конструкции широко применяются и в Узбекистане. Например, крытые рынки и автовокзалы в Ташкенте и Самарканде, целый ряд производственных и спортивных зданий в различных городах Республики построены с применением таких конструкций покрытий. Перспективы дальнейшего применения таких конструкций в нашей Республики также весьма хорошие ввиду отмеченных выше достоинств таких систем. Здесь следует также иметь в виде повышенную жесткость и, вследствие этого, повышенную сейсмостойкость структур.