СП СП 494.1325800.2020 Конструкции покрытий пространственные металлические. Правила проектирования

9.1.9 Мембранные полотнища следует соединять между собой и с контуром внахлестку на сварке (непрерывным угловым швом, точечной сваркой проплавлением) или на высокопрочных болтах (рисунок 9.5).

а – без «постели»; б – с «постелью», внахлестку полотнищ мембраны; в – с «постелью», внахлестку на направляющих элементах;
1 – мембрана; 2 – направляющие элементы «постели»; 3 – болты или сварные точки; 4 – сварка
Рисунок 9.5 – Узлы сопряжения полотнищ мембраны
​

9.1.10 Один из концов направляющих элементов следует заканчивать стержнем с нарезкой, для подтяжки к упорам на контуре, а другой крепить на монтажной сварке. Изгибно-жесткие направляющие элементы следует крепить к опорному контуру с применением шарнирного узла.

9.1.11 В пролетной конструкции, на участках удаленных от контура, допускается устройство проемов для установки зенитных фонарей, пропуска коммуникаций и т. п. При наличии элементов «постели», проемы следует располагать между ними. Проемы в плоскости мембраны следует усиливать листом с площадью поперечного сечения не менее половины площади ослабления мембраны (рисунок 9.6). Проемы следует проектировать круглой, овальной или многоугольной формы с закругленными углами.

1 – мембрана; 2 – лист усиления
Рисунок 9.6 – Узел усиления проемов в мембране
​

9.1.12 Крепление технологического оборудования к покрытию следует осуществлять на гибких подвесках к элементам «постели» (рисунок 9.7, а) или непосредственно к мембране с использованием распределительных шайб (рисунок 9.7, б), диаметр и толщину которых следует подбирать в зависимости от нагрузки на подвеску.

а – к элементам «постели»; б – к мембране;
1 – мембрана; 2 – поперечный элемент «постели»;
3 – распределительная шайба; 4 – подвеска
Рисунок 9.7 – Узлы крепления подвесок к мембране
​

9.1.13 Опорный контур следует проектировать замкнутым или разомкнутым. При проектировании следует учитывать, что в первом случае распоры воспринимают в уровне покрытия и на нижележащие конструкции передают в основном вертикальные усилия. Во втором – распоры передают на нижележащие конструкции.

9.1.14 Форму контура следует определять линией пересечения поверхности покрытия со стеновым ограждением. Контур с осью в виде плоской или пространственной кривой для упрощения изготовления следует проектировать из прямолинейных отрезков.

9.1.15 Опорный контур мембранных покрытий следует выполнять из железобетона или металла. Длину сборных элементов необходимо увязывать с шагом, расположенных по контуру опор.

9.1.16 Форму поперечного сечения железобетонного контура следует принимать прямоугольной (сплошной или пустотелой), двутавровой, трапециевидной, круглой (трубобетон) (рисунок 9.8). Для облегчения сборных элементов контура следует принимать корытообразное сечение с последующим заполнением полости монолитным бетоном на проектной отметке (рисунок 9.8, б). Допускаются решения, когда контур бетонируют в металлической опалубке (рисунок 9.8, д). Корытообразные сборные железобетонные элементы и металлическую опалубку железобетонного контура необходимо дополнительно рассчитывать на вес свежеуложенного бетона. На эксплуатационные нагрузки их следует рассчитывать, как составное сечение, обеспечивая их совместную работу.

а – сборный или монолитный; б – сборно-монолитный; в – двутавровый;
г – трубобетонный; д – монолитный в металлической опалубке
Рисунок 9.8 – Железобетонный опорный контур
​

9.1.17 В мембранных покрытиях малых и средних пролетов металлический контур следует выполнять в виде балок из прокатных или сварных профилей (рисунок 9.9 а, б), а в покрытиях больших пролетов – коробчатого сечения из листов усиленных ребрами и диафрагмами (рисунок 9.9, в). При существенной разнице в величинах усилий по длине контура металлические коробчатые элементы следует проектировать с несколькими типами поперечного сечения (приопорным и пролетным), отличающимися толщиной листов при сохранении габаритных размеров. При определении сечения контура следует учитывать, что кручение контура вызывает в нем дополнительные моменты в вертикальной плоскости.

а, б – прокатной или сварной элемент; в – коробчатый сварной элемент
Рисунок 9.9 – Металлический опорный контур
​

9.1.18 Соединение мембраны с контуром следует выполнять непрерывным, с использованием опорного столика. Конструкция узла должна обеспечивать надежную передачу цепных (нормальных и касательных) усилий с пролетной конструкции (рисунок 9.10). При проектировании необходимо предусмотреть надежную анкеровку закладных деталей и усиление стенки стального короба в местах установки столика.

Плоскость опорного столика следует выполнять с наклоном, соответствующим углу касательной к поверхности мембранной оболочки в месте примыкания к контуру под максимальной нагрузкой. Линия действия усилий в мембране должна иметь минимальные отклонения от центра тяжести поперечного сечения контура. Опорный столик следует назначать толщиной не менее 1,3 толщины мембраны, шириной до 400 мм, подкрепленный вертикальными ребрами не реже чем через 300 мм (рисунок 9.10, а). Присоединение мембраны к опорному столику допускается выполнять через листовую подкладку шириной не менее 150 мм (рисунок 9.10, б).

9.1.19 При проектировании следует учитывать, что:

• сечение контура необходимо определять расчетом с учетом податливости;
• при монтаже в контуре могут возникать моменты, превышающие моменты от эксплуатационных нагрузок;
• устойчивость контура в покрытиях на круглом и овальном плане обеспечивается его совместной работой с мембраной. Прямоугольный в плане контур, с недостаточной жесткостью, может потерять устойчивость;
• мембранное покрытие в своей плоскости является жестким диском;
• колонны и стены кроме вертикальных нагрузок воспринимают горизонтальные воздействия от перемещения контура (обжатие, изгибные деформации и температурные воздействия, давление ветра на стеновое ограждение и, при наличии, сейсмические воздействия);
• колонны, при λ ≥ 100, следует соединять с опорным контуром и фундаментом жестко, а при λ < 100 шарнирно с фундаментами и жестко с опорным контуром.

1 – мембрана; 2 – опорный контур; 3 – опорный столик; 4 – накладка
Рисунок 9.10 – Узел примыкания мембраны к опорному контуру
​

9.1.20 Расчетные длины колонн следует определять с учетом:

• шарнирного сопряжения колонн с контуром из плоскости стен, и соотношений изгибных жесткостей колонн и контура в плоскости стен;
• соединения колонн с фундаментами в расчетной схеме в соответствии с проектным решением (шарнир, упругое или жесткое защемление).

На стадии монтажа колонну следует рассматривать как консоль, защемленную в фундаменте. Если высота колонн более чем в 1,5 раза превышает шаг их расположения в плане, то по периметру сооружения следует вводить дополнительные горизонтальные распорки, уменьшающие расчетные длины стоек.

9.1.21 При проектировании необходимо обеспечивать общую устойчивость сооружения в период его монтажа и эксплуатации, за счет:

• вертикальных связей между колоннами по осям симметрии сооружения;
• вертикальных диафрагм, совмещенных со стенами лестничных клеток или другими конструктивными элементами. В круглых (овальных) в плане покрытиях контур следует крепить к вертикальным диафрагмам с помощью связей, допускающих радиальные перемещения, но препятствующих его тангенциальным перемещениям.

9.1.22 При проектировании следует учитывать, что стальные мембранные оболочки без огнезащиты имеют предел огнестойкости R 45.

 

9.2 Мембранные висячие покрытия разных типов. Особенности конструктивных решений

9.2.1 Цилиндрические (нулевой гауссовой кривизны) мембранные висячие оболочки

9.2.1.1 Цилиндрические оболочки разделяются на:

• покрытия с замкнутым контуром на прямоугольном (рисунок 9.11, а) или овальном (рисунок 9.11, б) плане;
• покрытия с разомкнутым контуром прямоугольные в плане (рисунок 9.11, в). В этом случае пролетную часть следует подкреплять вантовыми (рисунок 9.11, г) или жесткими фермами.

Покрытия с замкнутым контуром возможно выполнять составным, в виде комбинации цилиндрических поверхностей (рисунок 9.11, д).

9.2.1.2 Оболочки с замкнутым прямоугольным контуром следует применять для покрытий пролетом до 120 м, вытянутых в плане вдоль провисающей стороны покрытия при соотношении сторон 1 ÷ 5 или вдоль прямолинейной образующей при соотношении сторон 1 ÷ 1,5.

Овальные в плане оболочки следует применять для покрытий пролетом до 200 м с соотношением осей до 1,5 и расположением провисающего направления вдоль короткой оси.

9.2.1.3 Цилиндрические покрытия следует выполнять со стрелой провиса f/L от 1/20 до 1/10. В них следует предусматривать мероприятия по их стабилизации в соответствии с 9.1.5.

а, б – на прямоугольном и овальном плане с замкнутым опорным контуром;
в, г – на прямоугольном плане с разомкнутым опорным контуром;
д – составные цилиндрические оболочки на прямоугольном плане
Рисунок 9.11 – Типы конструкций цилиндрических мембранных покрытий
​

9.2.1.4 Цепные усилия с цилиндрической мембраны с разомкнутым контуром, работающей в одном направлении, следует воспринимать нижележащими конструкциями пилонов (рисунок 9.11, в) или оттяжками (рисунок 9.11, г). Рационально в качестве опор использовать рамные конструкции пристроек, трибун и т.п.

9.2.1.5 Пролетная конструкция в цилиндрических оболочках с замкнутым контуром работает на растяжение в двух направлениях. Поверхность оболочки на овальном (рисунок 9.12) или прямоугольном (рисунок 9.13) плане следует задавать с небольшой вспарушенностью. Стрелу провиса f₁ следует принимать в интервале от а/10 до а/5; стрелу вспарушенности f₂ = f₁/5, где а – половина пролета покрытия в провисающем направлении.

9.2.1.6 Пролетную конструкцию оболочек с замкнутым контуром на прямоугольном плане следует собирать на ортогональной системе элементов «постели» из прямоугольных полотнищ, располагая их, в зависимости от направления максимальных усилий, вдоль (рисунок 9.13, а) или поперек пролета (рисунок 9.13, б).

В углах контур следует уширять или вводить распорки для восприятия изгибающих моментов. Длину углового уширения контура следует принимать 0,2 пролета, соответствующую ширину – в три раза больше ширины контура в пролетной части. Прямолинейные бортовые элементы следует выполнять повернутыми внутрь по касательной к поверхности оболочки в месте примыкания к контуру.

1 – мембрана; 2 – элементы «постели»; 3 – опорный контур; 4 – дополнительная затяжка;
а – половина пролета покрытия в провисающем направлении;
b – половина пролета покрытия в вспарушенном направлении
Рисунок 9.12 – Цилиндрическое покрытие на овальном плане


а – металлический опорный контур и продольное расположение полотнищ мембраны;
б – железобетонный опорный контур и поперечное расположение полотнищ мембраны;
Размер покрытия в плане: 2а – в провисающем направлении, 2b – в вспарушенном направлении;
1 – мембрана; 2 – элементы «постели»; 3 – опорный контур; 4 – распорки; 5 – регулирующая монтажная затяжка
Рисунок 9.13 – Цилиндрическое покрытие на прямоугольном плане
​

9.2.1.7 Сочлененные оболочки, образованные комбинацией цилиндрических поверхностей (рисунок 9.11, д), следует применять для покрытий зданий пролетом до 100 м с соотношением сторон от 1:1 до 1:2.

При проектировании следует учитывать, что пролетная конструкция в этих системах в каждом из секторов между диагональными элементами, работает в одном направлении, а цепные усилия с мембраны через диагональные элементы передают в углы опорного контура. Поверхность оболочки следует задавать пониженной в середине сторон контура, по отношению к центру покрытия. Крепление мембраны к криволинейному контуру следует осуществлять с применением листовых компенсаторов.

 

9.2.2 Тонколистовые висячие оболочки положительной гауссовой кривизны

9.2.2.1 Провисающие мембранные оболочки на круглом или овальном плане следует применять в покрытиях пролетом до 250 м. Относительную стрелу провиса следует назначать от D/30 до D/20, меньшая величина соответствует покрытиям меньших пролетов.

9.2.2.2 Пролетную конструкцию следует собирать из прямоугольных или трапециевидных тонколистовых полотнищ, подкрепленных ортогональной (диаметром до 100 м) или радиально-кольцевой системой (диаметром более 100 м) элементов («постель») (рисунок 9.14). В последнем случае в середине покрытия следует устанавливать кольцо.

а – ортогональная система; б – радиально-кольцевая система; в – разрез;
1 – контур; 2 – мембрана; 3 – направляющие; 4 – второстепенные элементы; 5 – кольцо
Рисунок 9.14 – Схемы расположения подкрепляющих элементов
​

9.2.2.3 Площадь сечения направляющих элементов, следует включать в работу оболочек, что при радиально-кольцевой системе «постели» обеспечивает переменную приведенную толщину пролетной конструкции соответствующую эпюре радиальных усилий в оболочке.

9.2.2.4 Форму центральной плиты следует принимать подобной очертанию наружного контура, а размеры определять из условия закрепления в ней радиальных элементов подкрепления и мембраны, но не менее 0,1 диаметра покрытия. Центральную плиту следует проектировать плоской из прокатных или сварных профилей (рисунок 9.15, а, б). Внутри кольца следует располагать балочную клетку. Мембрана должна примыкать к плите по центру контура (рисунок 9.15, в), натяжные болты (хвостовики), которыми заканчиваются радиальные направляющие «постели», следует устанавливать со стороны центральной плиты (рисунок 9.15, г).

а – план плиты; б – разрез; в – узел примыкания мембраны;
г – узел примыкания радиального элемента «постели»; 1 – мембрана;
2 – контурная балка центральной плиты; 3 – балочная клетка;
4 – радиальный элемент «постели»; 5 – натяжной болт
Рисунок 9.15 – Центральная плита
​

9.2.3 Тонколистовые шатровые оболочки

9.2.3.1 Шатровые оболочки на круглом плане применяют в покрытиях зданий и сооружений пролетом от 30 до 350 м. Конструкция (рисунок 9.16) состоит из мембранной оболочки, наружного контура и внутреннего кольца, опертого на центральную опору. Мембрану следует подкреплять радиальнокольцевой системой «постели», которую включают в работу пролетной конструкции. Внутреннее кольцо следует устанавливать выше отметки наружного опорного контура, с учетом относительной стрелы подъема оболочки в интервале от D/15 до D/7. Общую устойчивость сооружения следует обеспечивать пространственной мембранной, изгибной жесткостью периметральных колонн и центральной опоры.

9.2.3.2 Геометрию шатрового покрытия следует определять, используя уравнение оси гибкой нити, подвешенной к двум точкам на разных уровнях, под действием трапецеидальной монтажной нагрузки. При этом необходимо соблюдение условия наклона касательной к меридиану оболочки в месте примыкания к наружному контуру – около 5° для обеспечения наружного водоотвода.

1 – наружный опорный контур; 2 – мембрана; 3 – внутреннее кольцо;
4 – периметральные колонны; 5 – центральная опора; 6 – радиальные и кольцевые элементы «постели»
Рисунок 9.16 – Конструктивная схема шатрового мембранного покрытия
​

9.2.3.3 Внутреннее кольцо следует проектировать металлическим из прокатных или сварных профилей двутаврового сечения. Диаметр кольца следует определять из условия закрепления в нем радиальных направляющих элементов и мембраны или технологических требований в интервале от 0,05 до 0,15 наружного диаметра покрытия. Внутреннее кольцо следует свободно устанавливать на центральную опору. В период монтажа внутреннее кольцо должно быть зафиксировано временными креплениями.

9.2.3.4 Высоту опоры следует определять, как сумму высоты периметральных колонн и стрелы подъема покрытия. Для покрытий диаметром менее 100 м центральную опору допускается выполнять из трубобетона (рисунок 9.17).

1 – мембрана; 2 – натяжной болт; 3 – внутреннее кольцо; 4 – трубобетонная стойка
Рисунок 9.17 – Конструкция центральной опоры при диаметре покрытия до 100 м
​

При больших размерах покрытия центральную опору следует выполнять в виде круговой железобетонной рамы со стойками, объединенными кольцевыми ригелями, диаметром равным диаметру внутреннего кольца (рисунок 9.18). Крепление центральной опоры к фундаменту следует выполнять жестким.

1 – мембрана; 2 – внутреннее кольцо; 3 – центральная опора
Рисунок 9.18 – Конструкция центральной опоры при диаметре покрытия более 100 м​

 

9.2.4 Мембранные оболочки седловидной формы

9.2.4.1 Мембранные оболочки седловидной формы следует применять:

• в покрытиях многопролетных зданий с укрупненной сеткой колонн 18×18, 24×24 м (рисунок 9.19, а, б);
• в покрытиях отдельно стоящих зданий в виде одной (рисунок 9.19, в) или системы сочлененных оболочек на прямоугольном (рисунок 9.1, ж) или овальном (рисунок 9.2, е, ж, и) планах пролетом от 30 до 100 м.

9.2.4.2 Седловидное покрытие состоит из пролетной конструкции (мембраны) и опорного контура в виде замкнутой прямоугольной в плане депланированной рамы, плоских арок или пространственных замкнутых кривых. Для восприятия горизонтальных усилий, передающихся с опорного контура на нижележащие конструкции, необходимо предусматривать постановку затяжек или пилонов, соединяющих нижние углы покрытия.

а – многопролетное покрытие из сочлененных оболочек; б – конструктивные элементы секции сочлененных оболочек;
в – схема покрытия отдельно стоящего здания на прямоугольном плане; 1 – наружный опорный контур;
2 – внутренний опорный контур; 3 – ячейки (мембранные оболочки); 4 – затяжки
Рисунок 9.19 – Мембранные оболочки отрицательной гауссовой кривизны
​

9.2.4.3 Пролетную конструкцию собирают из тонколистовых прямоугольных полотнищ, располагаемых вдоль линейной образующей. Ширина полотнищ определяется геометрией поверхности покрытия, исходя из условия ограничения зазоров между стыкуемыми полотнищами и составляет менее 1/10 размера стороны покрытия. Стрелу провиса/подъема мембраны, в вогнутом и выпуклом направлении, следует принимать соответственно равной от 1/20 до 1/15 пролета.

9.2.4.4 При проектировании следует учитывать, что оболочка в одном из направлений всегда сжата, что приводит к потере ее местной устойчивости. Для предотвращения этого и включения в работу мембраны в обоих направлениях ее следует предварительно напрягать.

Для упрощения монтажа допускается применение оболочки без предварительного напряжения, работающей в основном в одном растянутом направлении.

9.2.5 Первоначально плоские мембранные оболочки

9.2.5.1 Такие оболочки следует применять в покрытиях многопролетных зданий с укрупненной сеткой колонн 18×18, 24×24 м (рисунок 9.20), а также отдельно стоящих зданий на прямоугольном или овальном плане пролетом от 30 до 70 м при соотношении сторон до 1:1,5.

9.2.5.2 Конструкцию следует собирать на спланированной поверхности земли или подмостях. После подъема покрытия на проектную отметку или раскружаливания мембрана провисает со стрелой провиса не менее 1/60 пролета. Большие складки в углах покрытия длиной до 1/10 диагонали следует удалять.

Рисунок 9.20 – Первоначально плоские многопролетные
мембранные покрытия зданий с укрупненной сеткой колонн
​

9.2.5.3 Сопряжение бортовых элементов в углах следует выполнять с применением вутов, высотой не менее трети высоты контура и размером в плане не менее 1/10 его длины, располагая вут симметрично относительно нейтральной оси контурного элемента. В случае выполнения опорного контура из металла или сборного железобетона вуты допускается заменять распорками.

9.2.5.4 Мембрана, закрепленная по всему периметру к опорному контуру, обеспечивает его устойчивость в плоскости мембраны. В случае сравнительно гибкого контура он может потерять устойчивость в горизонтальной плоскости.

 

10 Комбинированные системы

10.1 Основные положения

10.1.1 Комбинированные системы пространственных покрытий включают структурно объединенные растянутые элементы и элементы, работающие на сжатие и изгиб.

10.1.2 В комбинированных системах используют соединение распорной (арка, висячая система) с безраспорной системой (балка, ферма). Элементарные схемы разнообразными способами объединяют в сложные пространственные структуры.

10.1.3 Область применения комбинированных систем – покрытия пролетом до 300 м. По конструктивным особенностям комбинированные системы разделяют на: арочно-вантовые, шпренгельные, подвесные и консольные, «Тенсегрити»-системы.

10.2 Арочно-вантовые системы

10.2.1 Арочно-вантовые комбинированные системы состоят из жесткого криволинейного верхнего пояса, растянутого нижнего пояса, объединенных между собой гибкими элементами в виде затяжек, подвесок или сжатых распорок (рисунок 10.1).

10.2.2 Верхний пояс (арку) следует выполнять сплошного или сквозного сечения, постоянной или переменной высоты, равной соответственно от L/80 до L/50 или от L/60 до L/30, определяемой расчетом, в зависимости от пролета (L), соотношения величин постоянной и временной нагрузок. Пояса и решетку арок сквозного сечения следует выполнять из труб, двутавров, парных уголков или швеллеров. Решетку следует проектировать треугольной (с дополнительными стойками) или раскосной. Стойки следует устанавливать нормально к поясам, так же как и прогоны покрытия, которые (совместно со связями) одновременно обеспечивают устойчивость плоских арок из их плоскости. Размер панелей решетчатых арок следует принимать равной высоте арочной фермы.

1 – жесткий криволинейный верхний пояс; 2 – растянутый нижний пояс;
3 – подвески; 4 – распорки; 5 – лучевые затяжки; 6 – веерные затяжки
Рисунок 10.1 – Варианты арочно-вантовых комбинированных систем
​

10.2.3 Нижний пояс (затяжки, в том числе лучевые и веерные) следует выполнять из предварительно напряженных стальных канатов. Рациональное решение сечения нижнего пояса – две полосы, расположенные вертикально и объединенные между собой прокладками (рисунок 10.2, а), шагом равным 80i, где i – минимальный радиус инерции сечения одной полосы. Монтажный стыковой шов (рисунок 10.2, б).

а – промежуточная прокладка; б – стыковой шов 1 – растянутые полосы; 2 – прокладки; 3 – стыковой сварной шов
Рисунок 10.2 – Вариант сечения нижнего пояса из двух полос, расположенных вертикально
​

10.2.4 Арки следует устанавливать шагом от L/10 до L/5, с уменьшением шага при увеличении пролета покрытия. Высоту подъема арки следует принимать в интервале от L/10 до L/5.

Возможны схемы, где вспарушенную затяжку объединяют с аркой при помощи подвесок (рисунок 10.1, а), на которых следует устанавливать фаркопы для регулирования геометрии арки и предварительного натяжения затяжки. Предварительное напряжение комбинированной системы с криволинейным верхним поясом и провисающей затяжкой (рисунок 10.1, б), объединенных сжатыми стойками следует выполнять за счет раздвижки стоек.

10.2.5 При проектировании следует учитывать, что лучевые и веерные предварительно напряженные затяжки (рисунок 10.1, г, д) обеспечивают общую устойчивость арки в ее плоскости, уменьшают свободную длину отдельных участков, повышают жесткость арки при неравномерной нагрузке, уменьшают в ней величины изгибающих моментов.

В веерной схеме (рисунок 10.1, д) с точкой схода затяжек по середине пролета, подъем центрального узла пересечения затяжек, относительно опор, следует принимать равным четверти подъема верхнего арочного пояса, а число панелей верхнего пояса – до 9.

 

10.3 Шпренгельные системы

10.3.1 Комбинированные шпренгельные системы (рисунок 10.3) включают верхний и нижний пояса, объединенные между собой двумя парами V-образных стоек. Расстояние между поясами в середине пролета следует принимать от L/10 до L/8. 10.3.2 Верхний пояс ломаного очертания следует проектировать из прокатного или сварного двутавра высотой от L/90 до L/60, а нижний пояс в соответствии с 10.2.4, из двух вертикальных полос толщиной от 20 до 50, высотой от 200 до 500 мм (рисунок 10.2). V-образные стойки выполняют из труб, прокатных (сварных) двутавров. Соотношение пролетов L₂/L₁ (рисунок 10.3) следует принимать по расчету в интервале от 1,0 до 1,25.

1 – жесткий криволинейный верхний пояс; 2 – растянутый нижний пояс; 3 – V-образные стойки
Рисунок 10.3 – Комбинированная шпренгельная система
​

10.3.3 Узлы сопряжения нижнего пояса с верхним поясом и Vобразными стойками следует выполнять шарнирными (рисунок 10.4). Для упрощения изготовления конструкций допускается применение жестких узлов. Одну из опор шпренгельной системы необходимо выполнять шарнирно неподвижной, а другую – шарнирно подвижной.

а – опорный узел объединения нижнего и верхнего поясов; б – узел объединения нижнего пояса со стойками;
в – узел объединения верхнего пояса со стойками; 1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – цилиндрический шарнир;
4 – опорная часть; 5 – V-образная стойка, 6 – прокладка
Рисунок 10.4 – Конструктивные узлы
​

10.3.4 Устойчивость сжато-изогнутого верхнего пояса в горизонтальной плоскости следует обеспечивать прогонами и связевым блоком в средней части покрытия. В случае стрелы провиса нижнего пояса более L/30 и отсутствии динамических воздействий на несущие конструкции покрытия, связи из его плоскости возможно не устанавливать.

10.3.5 Расчеты комбинированных арочно-вантовых систем следует выполнять с учетом геометрической нелинейности и последовательности монтажа.

10.3.6 Для включения в работу нижнего пояса, его следует выполнять прямолинейным без начальных отклонений от проектной геометрии и погибей в обеих плоскостях. В ряде случаев, с этой же целью, систему следует предварительно напрягать увеличением длины телескопических стоек.

10.3.7 Для овального в плане покрытия, включающего центральный прямоугольный участок с двумя полукругами по торцам, несущие конструкции следует выполнять из однотипных элементов, расположенных параллельно в центральной части покрытия и радиально на закругленных торцах сооружения (рисунок 10.5). Эти элементы состоят из сжатоизогнутого верхнего пояса – полуарки и растянутого провисающего нижнего пояса, объединенных V-образной распоркой. В средней части покрытия следует располагать центральное ядро, в виде пространственной стержневой конструкции. Общую устойчивость сооружения следует обеспечивать четырьмя связевыми блоками, которые устанавливают между опорными колоннами по осям симметрии системы, кольцевыми распорками и жестким диском покрытия.

1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – V-образные стойки; 4 – центральное ядро
Рисунок 10.5 – Пространственная комбинированная шпренгельная система
​

10.3.8 Варианты пространственных комбинированных шпренгельных систем показаны на рисунке 10.6.

а – пространственная ортогональная система; б – система с плитным
стержневым верхним поясом; в – система с диагональными элементами
Рисунок 10.6 – Варианты пространственных комбинированных шпренгельных систем
​

10.4 Подвесные и консольные системы

10.4.1 Подвесные комбинированные системы представляют собой жесткую пролетную конструкцию, подвешенную к внешним вантам, закрепленным на стойках или пилонах выше уровня крыши. Наиболее простые схемы показаны на рисунке 10.7, более сложные схемы – на рисунке 10.8.

а – вантовые; б – висячие
Рисунок 10.7 – Подвесные комбинированные системы


Рисунок 10.8 – Варианты конструктивных схем подвесных комбинированных систем
​

10.4.2 При проектировании следует учитывать, что в таких системах распор воспринимается балкой (фермой) жесткости, а подвески являются для них упругими опорами. В качестве жесткой конструкции может быть использована структурная плита. 10.4.3 В подвесных покрытиях с параллельным расположением несущих систем шаг конструкций следует принимать не менее 10 м. Для увеличения жесткости конструкций стрелу провиса вант (смотри рисунок 10.7, б) следует принимать от 1/12 до 1/8 пролета, а угол наклона вант не менее 30° (рисунки 10.7, а, и 10.8) Строительную высоту жесткой конструкции, в зависимости от расстояния между подвесками, следует назначать от 1/12 до 1/10 этого расстояния.

 

10.5 «Тенсегрити»-системы

10.5.1 Конструкция типа «Тенсегрити» представляет собой комбинацию из элементарных типовых модулей (симплекс-элементов), состоящих из растянутых канатов и сжатых стоек, которые совместно образуют пространственную решетку.

10.5.2 Элементарный модуль включает три и более сжатых, не пересекающихся друг с другом стержней, объединенных, образующими сеть, тросами. Для равновесия нерегулярной системы элементарных модулей, на концах сжатых стержней необходимо закрепление трех или более тросов. Неизменяемость системы следует обеспечивать предварительным напряжением, прямолинейностью элементов, проектными размерами.

10.5.3 Построение системы следует выполнять двумя способами: длину растянутых элементов сохраняют постоянной, а длину сжатых стержней изменяют телескопическим устройством; или длину стоек сохраняют постоянной, а изменяют длину растянутых элементов предварительным напряжением. «Тенсегрити»-системы следует моделировать стержнями (сжатыми распорками и непрерывными растянутыми тросами) с антифрикционными узлами. Из элементарных модулей «Тенсегрити», соединенных друг с другом, собирают различные пространственные структуры, в частности стержневые плиты (рисунок 10.9). Пространственные стержневые системы «Тенсегрити» следует применять для перекрытия зданий пролетом от 50 м и выше с различной формой плана: прямоугольной, круглой, овальной, при относительно пологой поверхности покрытия.

Рисунок 10.9 – Стержневая плита «Тенсегрити»
​

10.5.4 Конструкции покрытий «Тенсегрити» подразделяют на системы с параллельным или радиальным расположением элементов (купольные системы со стойками или кольцевыми фермами). Нижние и верхние параллельные или радиальные несущие элементы следует выполнять из канатов, стойки – из труб.

10.5.5 Наиболее простая конструктивная форма «Тенсегрити», купол «Гейгера», включает: растянутые тросы (радиальные хребтовые, диагональные и кольцевые) и сжатые элементы (стойки-распорки и наружный контур). Растянутые кольца связаны с верхним тросом стойками и диагональными тросами (рисунок 10.10). Эффективная форма плана – круг. За счет раздвижки распорок все тросы предварительно напрягают. Недостаток системы – низкое сопротивление горизонтальным нагрузкам.

10.5.6 Более сложная конструктивная форма «Тенсегрити», купол «Фуллера» (рисунок 10.11). Включением в систему дополнительных диагональных элементов образуется пространственная звездчатая схема.

10.5.7 Оптимальные конструктивные параметры куполов «Тенсегрити»:

• диаметр покрытия до 250 м и выше, допускается овальный план;
• количество кольцевых участков от 3 до 6;
• количество секторов на плане покрытия от 8 до 24 с учетом диаметра купола и величины внешних нагрузок;
• уклон диагональных тросов в центре покрытия – между 13° и 17°;
• отношение стрелы подъема (от уровня наружного опорного контура) к пролету (диаметру) покрытия от 1/12 до 1/8;
• провис конструкции ниже уровня наружного опорного контура, зависит от уклона диагональных тросов 1-го яруса;
• уровень предварительного напряжения определяется требованием обязательного растяжения всех тросов.

а – поперечное сечение; б – общий вид; 1 – верхний радиальный пояс; 2 – кольцевой элемент;
3 – диагональный радиальный элемент; 4 – стойка; 5 – центральная ферма; 6 – наружный опорный контур
Рисунок 10.10 – «Тенсегрити» купол Гейгера


а – общий вид; б – план; 1 – верхний радиальный пояс; 2 – кольцевой элемент; 3 – диагональный
радиальный элемент; 4 – стойка; 5 – центральная ферма; 6 – наружный опорный контур
Рисунок 10.11 – «Тенсегрити» купол Фуллера​

 

11 Узлы и детали

11.1 Основные положения

11.1.1 При проектировании узлов пространственных металлических конструкций необходимо учитывать следующие факторы:

• пространственное расположение большого количества элементов, объединенных одним узлом, усложняет механизм взаимной передачи усилий;
• углы между осями смежных стержневых элементов, объединенных в узле, должны быть между 30° и 150°;
• стесненное расположение примыкающих к узлу элементов, препятствующих выполнению болтовых и сварных соединений, а также осмотрам и восстановлению антикоррозионной защиты;
• исключение зон, в которых возможно скопление воды и загрязнений;
• сокращение до минимума количества монтажных узлов, с учетом вопросов транспортирования и монтажа.

11.1.2 Для повышения выносливости и хладостойкости узлов конструкций, снижения отрицательного влияния остаточных деформаций и напряжений от сварки, следует предусматривать соответствующие конструктивные и технологические мероприятия.

11.1.3 В деталях конструкции не должно быть негерметизированных соприкасающихся частей, а также щелей, зазоров, пазух и корыт. В местах возможного скопления влаги следует устраивать дренажные отверстия диаметром не менее 50 мм.

11.1.4 Сварные, болтовые и специальные монтажные соединения следует выполнять в соответствии с СП 16.13330, СП 294.1325800.

11.1.5 В расчетах, для учета эффекта совместной работы узловой детали и примыкающих элементов, следует рассматривать три возможные модели соединения:

• шарнирный узел, не передающий изгибающий момент;
• жесткий узел, не влияющий на результаты статического расчета;
• полужесткий узел, при котором следует учитывать влияние податливости узла на расчет.

Жесткие соединения элементов в узлах стержневых конструкций допускается принимать при расчете шарнирными, если при таком допущении конструкция сохраняет свою неизменяемость. При этом отношение высоты сечения к длине элементов должно быть, как правило, не менее 1:15.

11.1.6 Расчеты наиболее сложных узлов металлических конструкций, пространственных деталей, а также узловых фасонок, следует выполнять МКЭ с учетом 6.3.10.

11.2 Узлы пространственных стержневых конструкций

11.2.1 При проектировании следует учитывать, что:

• в двухслойных системах узловое соединение работает в основном на сжатие, а в однослойных системах узел воспринимает также изгибающие и крутящие моменты;
• расход металла на узлы пространственных стержневых конструкций составляет от 5% до 7%, а в некоторых системах – более 10% от общего веса конструкции покрытия.

11.2.2 Все соединения разделяются на три категории: с одной узловой деталью; без дополнительных элементов (ванная сварка, соединение стержней внахлест и т. д.); с предварительно изготовленными элементами, с узловой деталью.

11.2.3 В зависимости от способа соединения на монтаже они подразделяются на комбинированные, болтовые и сварные соединения.

Для болтовых соединений характерна податливость соединений из-за разности диаметра отверстия в фасонке и диаметра болта.

Сварные соединения позволяют объединять разное количество элементов в пространстве практически под любым углом, при этом следует учитывать сложность их выверки и жесткие требования к длинам стержней.

11.3 Узловые болты-шарниры

11.3.1 Узловые болты-шарниры следует применять для обеспечения свободного вращения соединяемых элементов относительно друг друга (рисунок 11.1). Болты-шарниры следует применять и для упрощения работы конструкции, исключая дополнительные напряжения из-за погрешностей монтажа. Один из элементов имеет конец в виде вилки с проушинами, через которые проходит ось. Если необходимо гарантировать вращение узла между соединяемыми деталями следует устанавливать шайбы из коррозионностойкого материала.

1 – вилкообразное анкерное устройство; 2 – канат; 3 – болт-шарнир
Рисунок 11.1 – Схема узлового болта-шарнира
​

11.3.2 При проектировании следует учитывать, что болты-шарниры кроме работы на срез и изгиб должны воспринимать поперечную нагрузку в ортогональной плоскости, равную не менее 10% срезающего усилия. Боковые пластины соединения должны иметь достаточные размеры для восприятия проектных усилий и исключать эксцентриситет.

Геометрию узлов растянутых элементов симметричного сечения для болтов-шарниров с проушиной типа «А» (рисунок 11.2, а) или типа «Б» (рисунок 11.2, б) следует определять следующими соотношениями:

• тип А: aₘᵢₙ = N/(2t Rᵧ) + 0,666d; cₘᵢₙ = N/(2t Rᵧ) + 0,333d (11.1)
• тип Б: tₘᵢₙ = 0,7√(N/Ry); d = 2,5t (11.2)

Площадь нетто разреза, проходящего через болтовое отверстие, должна быть не менее 140%, а разреза от торца элемента до болтового отверстия – не менее 100% расчетного сечения элемента. В болтах-шарнирах зазор Δd следует принимать равным 0,1d и менее, но не более 3 мм. Вариант узла с уменьшенной шириной b растянутого стержня (b = 1,46d, d = 2r, d – диаметр отверстия под ось) (рисунок 11.3, а). В ряде случаев, для увеличения площади сечения одиночного растянутого элемента, необходимо использовать усиливающие пластины, которые следует располагать без эксцентриситета (рисунок 11.3, б).

а – с проушиной типа А; б – с проушиной типа Б
1 – звено цепи; 2 – болт-шарнир
Рисунок 11.2 – Геометрия узла с болтом-шарниром


а – с уменьшением ширины растянутого стержня за узлом (b = 2,92 r);
б – с усиливающими пластинами
Рисунок 11.3 – Варианты узла с болтом-шарниром
​

Варианты конструктивного решения оси (шпильки) болта-шарнира приведены на рисунке 11.4.

 

11.3.3 Требования к материалу болтов-шарниров следует принимать по ГОСТ 7062 и ГОСТ 8479. Требования к допускам на форму и расположение поверхности детали следует принимать по ГОСТ 24642 и ГОСТ 30893.2. Требования к шероховатости (чистоте) поверхности следует устанавливать по ГОСТ 2789.

При диаметре оси менее чем 300 мм требования к материалу оси (поковки) следует принимать по 5.4.3.

1 – ось (шпилька); 2 – крышка; 3 – крепежный болт; 4 – паз для замка (шайба)
Рисунок 11.4 – Варианты конструктивного решения оси (шпильки) болта-шарнира
​

11.3.4 Для сооружений с повышенным уровнем ответственности КС-3 при диаметрах осей свыше 300 мм для поковок категории прочности КП 685 и выше следует разрабатывать «Технические условия на изготовление осей» с указанием марки, химического состава и механических свойств стали, технологии изготовления и методики испытаний.

11.3.5 Прочность узлового болта-шарнира следует проверять расчетом по СП 35.13330.2011 (пункт 8.107), в предположении работы болта-шарнира на изгиб как свободно лежащей балки, нагруженной сосредоточенными силами по оси пакетов, соприкасающихся с болтом-шарниром, принимая расчетные сопротивления по СП 35.13330.2011 (таблица 8.7).

Прочность узлового болта-шарнира (рисунок 11.5) с использованием требований СП 35.13330, СП 16.13330, в части применяемых материалов допускается определять по формулам:

• изгиб болта-шарнира Nb = 4WRᵧ / 1,25(t + 2s); (11.3)
• срез болта-шарнира Nb = 0,55RᵧAnₛ; (11.4)
• смятие проушин соединяемых элементов Nb = 1,5Rₚtd, (11.5)

где Nb – несущая способность болта-шарнира, Н;

W = πd³/32 – момент сопротивления сечения болта-шарнира, мм³;
Rᵧ – расчетное сопротивление стали, из которой изготовлен болтшарнир, Н/мм²;
t – наименьшая суммарная толщина проушин, сминаемых в одном направлении, мм;
s – зазор между проушинами, мм;
А – площадь сечения болта-шарнира, мм²;
nₛ – количество плоскостей среза, nₛ = 2;
Rₚ – расчетное сопротивление смятию стали элементов, соединяемых болтом-шарниром, принимаемое по СП 16.13330.2017 (таблица Г.6);
d – наружный диаметр, мм.​

Для болта-шарнира в критических поперечных сечениях должно выполняться условие одновременного действия изгиба и среза:

(М / Мᵧ)² + (V / Vᵧ)² ≤ 1. (11.6)​

Изгибающий момент в плоскости среза (см. рисунок 11.5):

М = N (t₂ + 2s)/8. (11.7)​

Изгибающий момент, воспринимаемый болтом-шарниром:

Мᵧ = WRᵧₙ / 1,25. (11.8)​

Усилие среза, V, Н:

V = 0,5N. (11.9)​

Предельное усилие среза Vᵧ, Н, воспринимаемое болтом-шарниром по одной плоскости:

Vᵧ = АRₛ, (11.10)​

где N – максимальное растягивающее расчетное усилие, Н;

Rᵧₙ – предел текучести стали материала оси, Н/мм2;
Rₛ = 0,55Rᵧₙ – расчетное сопротивление на сдвиг материала оси, Н/мм2;
t₂ – толщина средней проушины, мм;
t₁ = 0,5t₂ – толщина крайней проушины, мм (рисунок 11.5).​

Условие (11.6) не требует проверки, если соотношения М/Mᵧ и V/Vᵧ оказываются менее 0,25.

11.3.6 В ряде случаев (уникальное сооружение, большие усилия, большие диаметры осей) узловое шарнирное соединение следует уточнять расчетом МКЭ с использованием объемных конечных элементов, с учетом контактного взаимодействия между деталями узла, допусков на изготовление и сборку элементов (наличие зазоров и разницы в диаметрах отверстия и вала), трения в узле (μ = 0,15). Расчет узла следует выполнять с учетом геометрической и физической нелинейности на усилия из статического расчета системы. Приведенные напряжения в оси не должны превышать отношения Rᵧₙ/γₘ, где Rᵧₙ – предел текучести материала болта-шарнира, γₘ = 1,2 – коэффициент надежности по материалу. Относительные удлинения в проушине не должны превышать 1%.

Рисунок 11.5 – Схема для определения изгибающего момента в болте​

 

11.4 Опорные части

11.4.1 Выбор марки, типа и расположения опорной части (ОЧ) следует производить исходя из расчетных величин вертикальной и горизонтальных нагрузок и горизонтальных перемещений опорного сечения.

Проектную документацию на конструкцию ОЧ следует разрабатывать применительно к конкретному объекту, а изготавливать их в заводских условиях.

11.4.2 По функциональному назначению ОЧ подразделяются на неподвижные, линейно- и всесторонне-подвижные. Опирание конструкций не должно приводить к появлению в них дополнительных усилий и исключать кинематические перемещения системы.

Для линейных конструкций пролетом свыше 25 м эти условия следует выполнять при установке одной неподвижной и одной одностороннеподвижной ОЧ. При расстоянии между центрами опорных частей, расположенных на одной опоре, свыше 15 м следует обеспечивать также поперечную подвижность одной из ОЧ. Для всех ОЧ должно быть обеспечено требуемое угловое перемещение.

11.4.3 Несвободное опирание (заделка) пролетного строения допускается, если повреждения могут быть компенсированы сварными швами или образованием шарниров вследствие трещинообразования. В этом случае концы пролетных строений должны быть прикреплены к опорам анкерными болтами по расчету.

11.4.4 Конструкцию и материалы для изготовления ОЧ следует назначать исходя из района строительства, величин усилий, обеспечения расчетных линейных и угловых перемещений опорных узлов. Применяют различные типы ОЧ (рисунок 11.6): тангенциальные, шаровые/сферические, катковые, стаканного типа.

а – тангенциальная; б – шаровая (со сферическим сегментом);
в – катковая; г – стаканного типа
Рисунок 11.6 – Принципиальные конструктивные решения опорных частей
​

11.4.5 Стальные неподвижные ОЧ следует выполнять в виде тангенциальных или шаровых опор, сварными, из листового проката, из низколегированных сталей, или литыми из легированных сталей. Стальное литье для опорных элементов следует использовать при нагрузках более 6000 кН.

11.4.6 Для тангенциальных опор следует применять конструкции, в которых горизонтальные силы воспринимаются вертикальными опорными поверхностями. У тангенциальных ОЧ, обеспечивающих угловые перемещения в одном направлении, опорная поверхность должна быть прямоугольной в плане.

11.4.7 Неподвижные шарнирные опоры следует применять при обеспечении строго равномерного распределения давления под опорой.

11.4.8 При малых расчетных угловых перемещениях (до 1%) следует использовать призматические опоры (рисунок 11.7, а), в противном случае применяют цилиндрические опоры (рисунок 11.7, б). В шаровых опорах угловые перемещения следует обеспечить во всех направлениях, а горизонтальные нагрузки воспринимать сферической поверхностью (рисунок 11.7, в).

а – призматическая опора; б – цилиндрическая опора; в – шаровая опора;
1 – призма; 2 – поперечные упоры; 3 – продольные упоры; 4 – цилиндрическая деталь;
5 – верхняя опорная плита; 6 – шаровая деталь
Рисунок 11.7 – Тангенциальные опоры
​

11.4.9 Конструкция ОЧ должна обеспечивать распределение нагрузки по всей площади опирания узла на опору. Для тангенциальных ОЧ отношение ее ширины к длине следует принимать не менее 0,33. Для шаровых ОЧ отношение радиуса сферической детали к диаметру опорной плиты должно быть не менее 1,5. 11.4.10 Шарнирно-неподвижные опорные узлы стоек при больших углах поворота ОЧ следует проектировать с цилиндрическими шарнирами (цапфами) – балансирные ОЧ (рисунок 11.8, а). Допускается применение упрощенных шарнирно-неподвижных узлов сопряжения стоек с фундаментом и с опорным контуром (рисунок 11.8, б).

а – балансирные, с цилиндрическим шарниром (цапфой);
б – упрощенные, с призматической или цилиндрической пятой;
1 – стойка; 2 – ось (вал) балансира; 3 – цапфа (опорная часть вала);
4 – опорный элемент (призма или цилиндр); 5 – упор; 6 – площадка смятия
Рисунок 11.8 – Шарнирно-неподвижные опорные узлы стоек
​

11.4.11 Скользящие или катковые по ГОСТ Р 53628 подвижные опоры следует применять в случаях, когда нижележащая конструкция должна быть разгружена от горизонтальных усилий. Коэффициент трения в скользящих подвижных опорах следует принимать равным 0,3, в катковых – 0,03.

11.4.12 Тангенциальные и шаровые опоры для обеспечения поворота опорного сечения и горизонтального перемещения следует разделять на два уровня, реализовывающие соответственно поворот и перемещение плит скольжения относительно друг друга.

Для уменьшения сил трения, нижнюю контактную плоскость следует выполнять с плакирующим слоем из нержавеющей стали, а на ответных верхних плоскостях следует формировать антифрикционный слой.

11.4.13 ОЧ стаканного типа (рисунок 11.9) могут быть неподвижными, линейно- и всесторонне-подвижными. Неподвижная стаканная ОЧ состоит из стального стакана (обоймы), заполненного полимерным материалом или резиной, и крышки (нижняя плита опорной части). При взаимном вращении стакана и крышки, материал, заполняющий стакан, деформируется. Углы поворота в стаканных опорных частях конструктивно ограничены величиной 0,01.

Линейно-подвижная и всесторонне-подвижная ОЧ должны включать дополнительно пару скольжения и направляющие элементы.

1 – стакан; 2 – полимерный материал или резина; 3 – уплотнитель;
4 – крышка; 5 – фторопластовая пластина; 6 – стальной полированный лист;
7 – скользящая плита; 8 – транспортный болт
Рисунок 11.9 – Всесторонне-подвижная опора стаканного типа
​

11.4.14 Нижние плиты неподвижных и подвижных ОЧ следует крепить на опорах болтами (анкерными или высокопрочными). Их крепление на сварке не допускается.

11.4.15 Для обеспечения работоспособности ОЧ и исключения возникновения дополнительных усилий следует предусматривать приспособления, обеспечивающие возможность регулирования опорных частей. При проектировании необходимо учитывать температуру наружного воздуха в момент установки и замыкания пролетной конструкции.

11.4.16 Расчет ОЧ и элементов их крепления следует выполнять на вертикальные и горизонтальные силы и воздействия от постоянных и временных нагрузок. Следует учитывать реактивные усилия (силы трения, реактивные моменты), возникающие в ОЧ при угловых и линейных перемещениях опорных сечений.

11.4.17 Для стальных тангенциальных ОЧ следует выполнять следующие виды расчетов:

• на изгиб нижней и верхней плит;
• определение напряжений смятия по линии касания;
• проверку восприятия горизонтальных сил;
• определение напряжений смятия бетона под нижней плитой.

11.4.18 Продольные перемещения подвижных ОЧ следует определять в соответствии с указаниями СП 35.13330 от постоянной и временной вертикальной нагрузки, расчетных температурных воздействий, деформаций опор и их оснований.

Для первоначальной оценки деформаций стальных конструкций на опоре следует принимать: горизонтальные перемещения ± 0,50 мм/м, угол поворота 2%.

11.4.19 Для ОЧ стаканного типа угол поворота должен назначаться с запасом. Угол поворота α, рад, допускается определять по формуле

α = 0,42lMₘₐₓ / EI, (11.13)​

где l – пролет конструкции, м;

Mₘₐₓ – наибольший момент в пролете, кНм;
Е – модуль упругости материала конструкции, кПа;
I – момент инерции сечения пролетной конструкции, м⁴.​

11.4.20 При расчете подвижных опорных частей должны быть учтены указания СП 35.13330.2011 (пункт 6.28) относительно сопротивления от трения, а также эксцентриситеты передачи давления, равные продольным перемещениям катков, секторов и балансиров от нормативных нагрузок и воздействий.

11.4.21 Расчеты на смятие в цилиндрических шарнирах (цапфах) балансирных ОЧ (рисунок 11.8, а) и на диаметральное сжатие катков следует выполнять в соответствии с СП 35.13330.2011 (пункт 8.112).

11.4.22 Расчет упрощенных шарнирно-неподвижных узлов сопряжения стоек с фундаментом и с опорным контуром (рисунок 11.8, б) следует выполнять с учетом дополнительных моментов от эксцентриситета между центром тяжести площадки смятия и основной стойки.

 

Приложение А

Технические характеристики стальных канатов
​

Таблица А.1​

Закрытый канат с двумя слоями клиновидной и одним слоем
Z-образной проволоки (по ГОСТ 7676)

​

Таблица А.2​

Закрытый канат с двумя слоями Z-образной проволоки (по ГОСТ 18901)

​

Таблица А.3​

Закрытый канат с Z-образной проволокой в наружном слое

​

Таблица А.4​

Закрытый канат с омегообразными проволоками

​

Таблица А.5​

Сокращенные технические данные для спиральных канатов

​

Таблица А.6​

Сокращенные технические данные для закрытых спиральных канатов
​

 

Приложение Б

Модули упругости стальных канатов
​

Таблица Б.1​

​

Таблица Б.2​

​

 

Приложение В

Конструктивные схемы куполов​

В.1 Купольные покрытия проектируют по нескольким конструктивным схемам: ребристыми, ребристо-кольцевыми и сетчатыми.

В.2 Ребристый купол – система, состоящая из радиальных ребер (полуарок), объединенных внизу и в центре опорными кольцами. К ребрам купола шарнирно крепят прогоны и связи, не включающиеся в пространственную работу конструкции.

В.3 Ребристо-кольцевой купол (см. рисунок В.1, а) образуют включением в систему жестко соединенных с ребрами колец, работающих не только на местный изгиб в качестве прогонов, но и на кольцевые усилия растяжения-сжатия, обеспечивая пространственную работу конструкции, снижая изгибающие моменты и продольные усилия в радиальных ребрах.

В.4 В ребристых и ребристо-кольцевых куполах необходимо в нескольких секторах устанавливать связи по поясам ребер, для обеспечения общей устойчивости покрытия и устойчивости ребер из плоскости.

В.5 Формообразование ребристых и ребристо-кольцевых куполов определяют формой плоской арки, образованной из двух диаметрально расположенных ребер. Рекомендуется, для минимизации количества типоразмеров элементов, меридиан принимать в виде дуги окружности, а узловые точки располагать на равных расстояниях друг от друга.

В.6 Статические недостатки первых двух конструктивных схем компенсируются технологическими выгодами (минимальное количество типоразмеров элементов и узлов, простота узловых соединений между элементами). Эти схемы следует применять в покрытиях относительно небольших пролетов.

В.7 Сетчатый купол следует образовывать включением во все панели дополнительных связей (рисунок В.1, б, в, г, д, е).

В.8 Для сокращения числа конструктивных элементов сетчатых куполов следует применять циклически симметричные схемы на основе поверхностей вращения. Сетчатая схема куполов значительно более рациональна по статической работе, но приводит к усложнению технологии изготовления и монтажа.

В.9 Основные схемы сетчатых куполов – купол Шведлера (рисунок В.1, б); звездчатая (купол Феппля) (рисунок В.1, д); схема Кайвитта (рисунок В.1, г); схема «ромб» (рисунок В.1, в).

В.9.1 Купол Шведлера образуют установкой диагональных или крестовых связей в каждой ячейке ребристо-кольцевого купола (рисунок В.1, б).

В.9.2 Звездчатую схему (купол Феппля) образуют из схемы Шведлера поворотом каждого горизонтального кольца на угол π/n, где n – число граней купола (рисунок В.1, д). Длину всех стержней, кроме кольцевых, следует принимать одинаковой.

В.9.3 Купол Кайвитта (рисунок В.1, г) состоит из нескольких секторов (от 6 до 12 в зависимости от диаметра купола). Первичная разбивка – меридиональная. Основание каждого сектора делят на равные отрезки, число которых равно числу кольцевых сечений. В каждом последующем кольцевом сечении сектора число отрезков уменьшают на единицу. Таким образом, каждый сектор равномерно разбит на треугольные ячейки, основание которых вдоль каждого яруса имеют одинаковый размер. Однако треугольники неравнобедренные, поэтому число их типоразмеров соответствует квадрату числа ярусов. В схеме Кайвитта устраняется сгущение элементов в центральной части купола.

В.9.4 Схема «ромб» образуется перекрестной системой полуарок, расположенных в трех направлениях (рисунок В.1, в). В результате такой разбивки получается достаточно равномерная сеть из равнобедренных треугольников, число типоразмеров которых приблизительно в два раза меньше, чем в системе Кайвитта. Основания ячеек купола не совпадают с кольцевыми сечениями, а стороны образуют пространственную (неплоскую) кривую и соответствующую форму плана в виде правильного многоугольника (рисунок В.2).

а – ребристо-кольцевая; б – ребристо-кольцевая со связями (сетчатый купол Шведлера);
в – схема «ромб»; г – схема Кайвитта; д – звездчатая система; е – геодезический купол
Рисунок В.1 – Варианты конструктивных схем металлических куполов


Рисунок В.2 – Купол с формой плана в виде правильного многоугольника
​

В.10 Геодезические купола строят на основе многогранника (геометрическое тело, ограниченное со всех сторон плоскими многоугольниками – гранями) в виде икосаэдра (двадцать равносторонних треугольных граней (рисунок В.3, а)) или додекаэдра (двенадцать пятиугольных граней (рисунок В.3, б)).

а – икосаэдр; б – додекаэдр
Рисунок В.3 – Многогранники
​

В.11 Первичную разбивку сети следует проводить по геодезическим линиям, проведенным через вершины вписанных многогранников. Рекомендуется использовать первый тип многогранника, так как второй – приводит к чрезмерной длине стержневых элементов.

В.12 При проецировании икосаэдра на сферу, сеть купола образует 20 правильных равносторонних сферических треугольников (рисунок В.4, а), каждый из которых может быть расчленен на более мелкие треугольники, деля пополам стороны каждого треугольника, формируя 15 окружностей равных диаметров, регулярно расположенных на поверхности сферы (рисунок В.4, б).

В.13 Грани основного треугольника разделяют на модули (рисунок В.4, в), число которых зависит от размеров купола, его пролета и ограждающей конструкции покрытия. Членение сферической поверхности следует назначать с учетом длины стержневых элементов, оптимизируемой по прочности, экономичности, трудоемкости изготовления и монтажа, после чего криволинейные проекции ребер заменяют прямыми стержнями. Конечные треугольники не являются равносторонними.

а, б – правильные равносторонние сферические треугольники;
в – варианты частоты (повторяемости) разбиения ячеек
Рисунок В.4 – Сеть геодезического купола
​

В.14 В зависимости от членения сферических треугольников на мелкие ячейки могут быть получены треугольные, квадратные, пятиугольные, шестиугольные и ромбические сетки, в которых большинство стержней имеют равные длины, а остальные стержни незначительно отличаются по длине друг от друга. Для двухслойных куполов возможны решения, когда наружная сетка треугольная, а внутренняя – шестиугольная.

В.15 Расчет геометрических параметров всех рассмотренных схем следует выполнять численными методами ввиду большого объема вычислений.

Первичная разбивка такой системы – меридиональная. На сферический сегмент наносят сеть меридианов. Каждый полученный участок следует делить четырехугольными ячейками таким образом, чтобы два противоположных узла ячейки располагались на одном меридиане, а два других – на одной параллели.

* * *

Библиография
​

[1] СП 53-101-98 Изготовление и контроль качества стальных строительных конструкций

[2] СП 31-114-2004 Правила проектирования жилых и общественных зданий для строительства в сейсмических районах

---