konstrukcii_iz_dereva_i_plastmass / 49,50(обеспечение пространственной неизменяемости плоскостных конструкций)

49. Обеспечение поперечной и продольной

неизменяемости и устойчивости зданий и сооружений

Плоскостные конструкции (балки, арки, рамы, фер­мы и т. д.) предназначены для восприятия нагрузок, дей­ствующих в их плоскости. В зданиях или сооружениях различные плоскостные конструкции при взаимном сое­динении образуют пространственную конструкцию, кото­рая должна обеспечить надежное восприятие внешних сил любого направления при наиневыгоднейшем сочета­нии их в соответствии с условиями эксплуатации. При этом передача усилий от одних частей сооружения на дру­гие вплоть до его основания должна проходить без какого-либо нарушения пространственной неизменяемости, ус­тойчивости, жесткости и прочности всей пространствен­ной конструкции в целом и отдельных ее частей.

При транспортировании и монтаже сборных конст­рукций может возникнуть необходимость устройства спе­циальных креплений, обеспечивающих неизменяемость, прочность и устойчивость этих конструкций.

Принципы проектирования конструктивного остова деревянного здания

Общая устойчивость остову деревянного здания мо­жет быть придана следующими способами.

Рис. 1. Поперечное сечение деревянного каркасного здания с защемленными в земле стойками,

имеющими на концах пасынки (деревянные антисептированные, железобетонные или металлические):

1-подкосы; 2-пасынки.

Рис. 2. Каркас здания с кансольно защемленными в фундаментах стойками сплошной или сквозной конструкции

Первый способ. Поперечную и продольную устойчи­вость здания создают пространственным защемлением каждой из стоек каркаса в грунте. Верхние концы стоек связывают через обвязку с элементами покрытия (рис. 1). Во избежание возможного в некоторых случаях перекашивания зданий в связи с деформациями грунта в местах защемления стоек в крайних пролетах продоль­ных и торцовых стен, а также в промежуточных проле­тах целесообразно устанавливать связи с интервалом 20 - 30 м. Для увеличения срока службы такого здания необходимо нижнюю часть стоек, зарытую в землю, антисептировать, чтобы не было быст­рого загнивания. Предпочтительнее нижние концы стоек располагать выше уровня пола и прикреплять их болтами или хомутами к сменяемым деревянным, а еще луч­ше - железобетонным пасынкам. Этот способ получил широкое распространение в строительстве временных зданий.

Второй способ. Поперечная устойчивость здания обеспечивается защемлением в фундаментах плоских деревянных стоек, решетчатых или клееных (см. рис. 2).

Решетчатые стойки защемляют натяжными анкерами. Прикрепление клееных стоек к фундаменту показано на рис. 3.

Рис. 3. Способ защемления деревянных клееных стоек.

Анкерами служат стальные полосы, заделываемые в фундамент и рассчитываемые на максимальное отрывающее усилие N_а, определяемое при наиневыгоднейшем сочетании нагрузок. К анкерным полоскам приварены равнобокие уголки. В опорной части клееная стойка на длине l_ск, определяемой по расчету на скалывание с при­жимом, имеет увеличенную высоту сечения для образо­вания наклонных площадок смятия под углом 30 - 45°, на которые укладывают уголки. Сквозь консольные час­ти уголков с двух сторон стойки проходят перекрестные тяжи с нарезкой на обоих концах. В месте пересечения они приварены к стальным пластинкам, прилегающим вплотную к боковым граням клееной стойки.

Усилие в тяже определяют по формуле

Усилие, воспринимаемое площадкой смятия

Площадка скалывания воспринимает усилие

Продольную устойчивость здания с плоскими стойка­ми создают постановкой связей по продольным стенам и между внутренними стойками, если таковые имеются, в продольном направлении. Для неизменяемости каркас­ных торцовых стен в их крайних пролетах также ставят аналогичные связи.

Третий способ. Поперечную устойчивость здания обеспечивают, применяя простейшие комбинированные и подкосные системы, рамные системы или арочные конструкции, передающие распор непосред­ственно на фундаменты.

Продольная устойчивость здания может быть созда­на постановкой связей по продольным линиям стоек (рис. 4).

Рис. 4. Схема каркасного здания при шарнирном опирании стоек на

фундаменты и шарнирном примыкании к элементам кровельного покрытия.

Стеновые щиты при этом располагают с наружной стороны стоек. Продольную устойчивость зда­нию с арочными конструкциями, опертыми непосредст­венно на фундаменты, придают связи, расположенные в конструкции кровельного покрытия, а пространственную устойчивость нижним поясам - поперечные связи, соеди­няющие арки попарно.

Четвертый способ. Устойчивость каркасного здания при шарнирном опирании стоек на фундаменты и шар­нирном примыкании их к элементам покрытия можно создать лишь в том случае, если конструктивные элемен­ты покрытия и стен не только будут достаточно прочны­ми, жесткими и устойчивыми для восприятия всех дейст­вующих на них нагрузок, но и создадут неизменяемые, жесткие и устойчивые диафрагмы, образуя тем самым неизменяемую, жесткую и устойчивую пространственную коробку. Для этого в плоскости покрытия можно исполь­зовать применяемый в качестве основы под рулонную кровлю щитовой настил, связанный гвоздями с прогона­ми; в стенах могут быть использованы косые обшивки или специальные связи между стойками каркаса (см. рис. 2 и 4).

Участие ограждающих частей здания в обеспечении его пространственной устойчивости, которую устанавли­вают поверочным расчетом, возможно только при отно­сительно малых размерах здания.

Устойчивость и жесткость зданий, собираемых из го­товых щитов дощато-гвоздевой или клеефанерной конст­рукции заводского изготовления, перекос которых предотвращается устройством внутренних раскосов, диа­гональной обшивкой или оклейкой фанерой, может быть обеспечена, как и в предыдущем случае, жесткой горизон­тальной диафрагмой чердачного перекрытия или наклон­ным кровельным покрытием, надежно сопротивляющим­ся перекосу стен. Для этого необходимо, чтобы жесткость и устойчивость поперечных стен была доста­точной для восприятия в своей плоскости горизонталь­ных сил от ветра, передающихся от продольных стен через горизонтальную диафрагму (рис. 5). При этом щиты продольных стен, непосредственно восприни­мающих ветровую нагрузку, работают как однопролет­ная плита, опертая внизу на фундамент, а вверху на горизонтальную диафрагму. Щиты поперечных стен, па­раллельных направлению ветра, работают в своей плос­кости на перекос и опрокидывание.

Рассматривая устойчивость поперечной стены как суммарную устойчивость составляющих ее щитов, свя­занных между собой нащельниками на гвоздях, опреде­ляем расчетное ветровое давление, воспринимаемое по­перечной стеной

где n - число щитов в поперечной стене; G₁ - постоянная вертикаль­ная нагрузка от веса перекрытия и кровли, передающаяся через верхнюю обвязку на один щит; G₂ - вес одного щита; b - ширина щита; h - высота стены; Т_гв - расчетное усилие, воспринимаемое одним гвоздем; n_гв - количество гвоздей, прикрепляющих нащельник к одному щиту; W₁ - ветровая нагрузка с наветренной стороны на 1 м длины верхней обвязки продольной стены; W₂ - то же, с за­ветренной стороны; l - расстояние между поперечными стенами; k_З - коэффициент запаса на опрокидывание, принимаемый 1,4.

Рис. 5. Расчетная схема работы стеновых щитов на ветровую нагрузку:

1-щиты чердачного покрытия; 2-стеновые щиты.

50. Пространственные связи в покрытиях и принципы их расчета.

Ветровое давление, передающееся на деревянную торцовую стену каркасной конструкции небольшой вы­соты, распределяется между фундаментом и верхним по­крытием с помощью работающих на изгиб вертикальных стоек каркаса. Конструкция покрытия в этом случае должна передавать ветровое давление че­рез верхнюю обвязку продольным стенам, которые, в свою очередь, должны иметь в своей плоскости связи, рассчитанные на передачу этих усилий фундаментам. При устройстве в качестве основы под рубероидную кровлю щитового перекрестного настила покрытие пре­вращается в неизменяемую и жесткую диафрагму. В этом случае расчет сводится к проверке прочности:

а) прикрепления верхних концов стоек каркасной стены к прогонам на передачу ветрового давления;

б) гвоздевой пришивки прогонов к щитовому насти­лу, скрепленному диагональными элементами;

в) соединения гвоздями обоих щитовых настилов для перекрытия их стыков, расположенных вразбежку;

г) прикрепления настила, связанного с диагональны­ми элементами, к верхней обвязке каркасных деревян­ных стен.

Указанное решение покрытия обеспечивает хорошее закрепление плоских деревянных конструкций в проект­ном положении.

Жесткость покрытий с одинарным настилом или с об­решеткой без диагональных элементов недостаточна для восприятия ветровой нагрузки и закрепления плоскост­ных деревянных конструкций в проектном положении. В этом случае при наличии деревянных каркасных стен необходимо устройство в плоскости верхних поясов несу­щих конструкций горизонтальных связей, располагаемых в торцовых частях здания и по его длине на расстоянии не более 20 м (рис. 1).

Для покрытия, выполненного из разрезных кровель­ных панелей, жестких и неизменяемых в своей плоско­сти, требуется установка монтажных связей, которые прикрепляют непосредственно к основной несущей кон­струкции (рис. 1, б).

Горизонтальные связи, воспринимающие ветровую нагрузку, образуют в плоскости верхних поясов двух со­седних несущих конструкций решетчатую ферму, которая передает действующие в ее плоскости усилия на продольные стены. При жестких торцовых стенах, вос­принимающих ветровую нагрузку, и небольшой длине здания (до 20 м) устойчивость плоских деревянных кон­струкций может быть создана прогонами кровли, на­дежно скрепленными с верхним поясом фермы и заанкеренными своими концами в торцовые каменные стены (рис. 2). При этом стыки разрезных или консольно-балочных прогонов должны быть перекрыты накладками на гвоздях.

В средней части зданий большой протяженности, кроме того, устраивают горизонтальные связи (см. рис. 1) на расстоянии около 20 м от торцовой стены и. одни от других.

На рис. 3 показана пространственная схема здания с покрытием по пятиугольным фермам; в торце зда­ния сделан проем для ворот. Ветровую нагрузку, прихо­дящуюся на площадь F₁, воспринимают нижние опорные устройства раздвижных ворот. Давление на площадь F₃ передается через прогоны бесчердачному покрытию, а давление на площадь F₂ воспринимается специальной горизонтальной надворотной фермой, подвешенной к ос­новным фермам на уровне затяжек и передающей ветро­вую нагрузку продольным стенам здания.

Кровельное покрытие, воспринимающее давление ветра с площади F₃, не примыкает непосредственно к настенному брусу. Для передачи этого ветрового давле­ния на настенный брус в панелях фонаря должны быть предусмотрены связи. Для большей светопрозрачности фонаря такие связи часто выполняют перекрестными из круглой стали (рис. 4).

Рис. 2. Примеры крепления прогонов кровли:

а-к ферме; б-к торцевым стенам.

Рис. 3. Устройство ветровых связей при покрытии по пятиугольным фермам:

1-связи в плоскости покрытия (также связи должны быть с противоположного конца, на рисунке не показаны); 2-вертикальные связи (см. рис. 4.); 3-надворотная ветровая ферма; 4-ворота.

Рис. 4. Перекрестные связи световой плоскости фанарей (к рис. 3.)

Обеспечение пространственной устойчивости плоскостных деревянных конструкций

Рассмотренные ранее пространственные крепления. воспринимающие ветровые усилия, в то же время слу­жат для предупреждения выпучивания сжатого контура плоскостных деревянных конструкций. В большинстве случаев сжатый пояс в них раскрепляют прогонами кровли, которые должны быть прочно прикреплены к верхнему поясу, и настилам кровли.

В арочных конструкциях помимо верхних (сжатых) поясов следует раскреплять и нижние сжатые пояса арок, а в некоторых рамных конструкциях - внутренний контур рамы, который может быть сжат на всей своей длине или на части ее, особенно при несимметричном приложении нагрузок. Нижние пояса раскрепляют (при пространственно устойчивом верхнем покрытии) устрой­ством вертикальных связей. Учитывая деформации в соединениях связей, за расчетную длину сжатого нижне­го пояса при проверке его устойчивости следует прини­мать расстояние между связями, увеличенное на 25 %.

Основным типом поперечных вертикальных связей являются жесткие связи, соединяющие попарно вдоль здания соседние конструкции (рис. 5). Вертикаль­ные связи не следует делать непрерывными по всей дли­не здания, так как при обрушении по какой-либо причи­не одной из несущих конструкций она перегрузит через связи соседние конструкции, что может привести к по­следовательному обрушению всего покрытия.

Рис. 5. Вертикальные поперечные связи:

а-правильно; б,в-неправильно.

Устройство вертикальных связей в виде подкосов (рис. 5, б) нецелесообразно. Если по длине здания будет действовать снеговая нагрузка различной интен­сивности (рис. 5, в), то подкосы не предупредят, а наоборот, будут способствовать выпучиванию закрепля­емого ими пояса фермы.

Связи рассчитывают на усилия, направленные пер­пендикулярно плоскости раскрепляемой конструкции. В случае раскрепления верхнего сжатого пояса ферм связями, расположенными в плоскости покрытия, рассто­яние между узлами закрепления b устанавливают в со­ответствии с условиями гибкости пояса из плоскости фермы. При этом каждый узел закрепления рассчитыва­ют на силу Q = bq_св. Значение q_св определяют по форму­лам

а) в покрытиях по фермам, однопролетным балкам и пологим аркам (f / l < 1 / 6)

б) в покрытиях по трехшарнирным рамам и высоким аркам (f / l < 1 / 3)

в) в покрытиях по консольным балкам и рамам при положительном изгибающем моменте в пролете

при отрицательном изгибающем моменте в пролете

Узловую нагрузку на связевую поперечную ферму или на точку крепления элементов покрытия к несущим конструкциям определяют по формуле

где q_в - расчетная равномерно рас­пределенная вертикальная нагрузка на 1 м горизонтальной проекции несущей конструкции покрытия, Н/м; при наличии иных видов на­грузок (сосредоточенной, распределенной на части пролета и т п) они должны быть приведены к эквивалентной равномерно распре­деленной по всему пролету; п - общее число основных несущих конструкций на всю длину здания в рассматриваемом пролете; t - общее количество поперечных связевых ферм (в том числе заменя­ющих их торцовых стен) на всю длину здания в одном пролете; S_св - горизонтальная проекция длины панели связевой фермы или расстояние между точками крепления элементов покрытия к несу­щим конструкциям, м.

Рис. 6. Схема связей:

а-поперечные связи; б-связи, располагаемые в плоскости сжатых нижних поясов.

При раскреплении нижних поясов ферм арочной кон­струкции попарно поперечными связями (рис. 6, а) последние воспринимают, таким образом, горизонталь­ные силы Q от двух смежных поясов и передают их в плоскости верхних поясов или на жесткую систему кро­вельного покрытия, образуемую щитовым настилом, ли­бо на ветровые фермы или специальные связи.

Близко расположенные друг от друга арочные или рамные конструкции иногда соединяют попарно решет­чатыми связями, располагаемыми в плоскости нижних сжатых поясов (рис. 6, б). Такие связи рассчиты­вают как горизонтальные фермы, имеющие пролет, рав­ный длине нижнего пояса полуарки. Такое решение свя­зей менее рационально. При этом связи по верхнему поя­су должны быть рассчитаны на восприятие не только го­ризонтальных сил от закрепляемых узлов верхнего пояса, но и от реактивных сил в верхнем шарнире и от горизонтальных ферм по нижнему поясу.

Если к одной системе связей прикреплены сжатые контуры нескольких плоских конструкций, то усилия, пе­редающиеся на узлы связей, принимают равными nQ {п - количество раскрепляемых конструкций).

Бывают случаи, когда даже при отсутствии активных сил, действующих перпендикулярно плоскости конструк­ции, приходится принимать меры к пространственному креплению ее растянутого контура. Примером таких кон­струкций являются шпренгельные системы (рис. 7).

Рис 7. Условие устойчивости и пространственное крепление узла Г

нижнего пояса шпренгельных ферм

Шпренгельные конструкции характеризуются пони­женным по отношению к линии опор расположением нижнего пояса в средней части пролета и по крайней мере одним переломом в его очертании - в месте сжатой стойки. Если при. этом верхний пояс расположен выше уровня опор, то равновесие узла Г устойчивое (рис. 7, а). При отклонении узла Г из плоскости систе­мы он стремится вернуться в прежнее положение. Если верхний пояс расположен ниже уровня опор, узел Г на­ходится в неустойчивом положении (рис. 7, в). При прямом верхнем поясе равновесие узла Г становится без­различным (рис. 7, б).

На практике применяют шпренгельные конструкции с расположением верхнего пояса по схемам, приведен­ным на рис. 7, а, б. Однако неизбежный прогиб под максимальной нагрузкой превращает схему б в схему в и узел Г становится также неустойчивым. Поэтому вари­анты б и в требуют обязательного устройства вертикаль­ных связей. Устройство вертикальных связей необходимо при любой схеме конструкции, если к нижнему поясу ее приложены активные силы, действующие перпендику­

лярно ее плоскости, например силы торможения от под­весного транспортного оборудования. Во многих случа­ях сечения элементов связей приходится назначать по конструктивным соображениям, при этом предельная максимальная гибкость элементов не должна превосхо­дить 200.

При применении в конструкции покрытия кровельных панелей последние могут быть использованы также для закрепления сжатого контура плоских деревянных кон­струкций. При этом связи, соединяющие панели с закреп­ляемым сжатым элементом, располагают равномерно по всей его длине и рассчитывают на усилие q.