СП СП 52-117-2008 Железобетонные пространственные конструкции покрытий и перекрытий

13.10 В оболочках с прямоугольным планом для устранения или уменьшения изгибающих моментов в элементах опорного контура могут быть использованы тросы-подборы (рис.13.6), передающие усилия от вант в углы контура.

а - система параллельных вант; б - ортогональная вантовая сеть;
1 - тросы-подборы; 2 - сжатые элементы опорного контура; 3 - ванты
Рисунок 13.6 - Использование тросов-подборов в висячих оболочках на прямоугольном плане​

13.11 Покрытия на прямоугольном плане могут иметь ортогональную сетку вант и при отсутствии тросов-подборов. Вследствие того, что при обычном способе монтажа таких покрытий в опорном контуре возникают большие изгибающие моменты, вызывающие утяжеление контура, при проектировании оболочек рекомендуется предусматривать следующую последовательность монтажа плит: после устройства опорного контура и монтажа вантовой сети укладываются и включаются в работу плиты, смежные с опорным контуром.

Плиты соединяются с контуром, с вантами и между собой. Таким образом, на этой стадии монтажа контур и приконтурные ряды плит образуют жесткую замкнутую раму (рис.13.7), которая воспринимает изгибающие моменты от последующих нагрузок. При этом удается избежать утяжеления контура, так как изгибающие моменты, возникающие при монтаже, воспринимаются контуром совместно с примыкающим к нему рядом плит. Связь между плитами и контуром осуществляется стальными полосами - жесткими в горизонтальной плоскости и гибкими в вертикальной. Поперечное сечение опорного контура назначается из условия работы его в составе оболочки и восприятия изгибающих моментов, возникающих при монтаже первого ряда плит.

1 - опорный контур; 2 - плита; 3 - ванты
Рисунок 13.7 - Опорный контур, усиленный приконтурным рядом плит​

13.12 Опорный контур висячих оболочек рекомендуется проектировать из сборного или сборно-монолитного железобетона. Допускается применение и монолитного железобетона. Поскольку опорный контур работает в основном на сжатие, следует стремиться к применению бетона высокого класса по прочности на сжатие и его эффективному армированию продольными стержнями класса А400 и выше, сетками и др. Рекомендуется также применение трубобетона.

Для облегчения сборных элементов опорного контура они могут предусматриваться корытообразного сечения. Полость стальных или железобетонных корытообразных элементов заполняется бетоном после монтажа.

13.13 Шаг вант и размеры плит следует назначать исходя из необходимости снижения массы оболочки, сокращения сроков ее монтажа, с учетом шага опор по контуру, членения сборных элементов опорного контура и расположения сосредоточенных нагрузок, которые целесообразно передавать в узлы пересечения вант.

13.14 В оболочках с параллельно расположенными вантами, в швах, перпендикулярных вантам, и в оболочках с радиальными вантами, в кольцевых швах рекомендуется устанавливать конструктивную арматуру, общая площадь поперечного сечения которой принимается не менее 15% площади поперечного сечения вант. В качестве такой конструктивной арматуры рекомендуется использовать и арматуру, с помощью которой плиты крепятся к вантам.

13.15 Для несущих элементов висячих покрытий следует применять:

• стержневую горячекатаную арматурную сталь классов А500 и выше;
• канаты одинарной свивки по ГОСТ 3062; 3063; 3064;
• канаты двойной свивки по ГОСТ 3066, 3067, 3068, 3081, 7669, 14954;
• канаты одинарной свивки по ГОСТ 3064 из круглой оцинкованной по группе ЖС проволоки диаметром 2,6 мм и более;
• канаты закрытые несущие по ГОСТ 3090, 7675, 7676, 18901;
• пучки и пряди параллельных проволок, формируемых из канатной проволоки, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 7372, и параллельно уложенных оцинкованных проволок по ГОСТ 3617*.

________________
* На территории Российской Федерации документ не действует. Заменен на ТУ 14-4-1383-86.

13.16 Стальные канаты для устранения неупругих деформаций должны быть подвергнуты предварительной вытяжке усилием, равным половине установленного государственными стандартами или техническими условиями разрывного усилия каната в целом (а при его отсутствии в нормах - половине агрегатной прочности витого каната).

Рекомендуется преимущественно применять оцинкованные канаты с максимальным шагом свивки и линейным касанием проволок.

Применение канатов, пучков и прядей из проволоки диаметром менее 2,5 мм не рекомендуется.

13.17 При определении расчетного сопротивления стального витого каната с металлическим сердечником учитываются значение разрывного усилия каната в целом, установленное государственным стандартом или техническими условиями на канаты (а при его отсутствии в нормах - агрегатной прочности витого каната) и коэффициент надежности γₘ = 1,6.

Модуль упругости пучков и канатов из параллельно уложенных проволок следует принимать равным 2,01х10⁵ МПа.

Расчетные сопротивления и модули упругости стержневой арматурной стали всех классов и арматурной проволоки классов А и В, арматурных канатов класса К принимают в соответствии с п.2.2.2 СП 52-102.

Коэффициент условий работы вант принимается γс = 0,9 для всех видов арматурных изделий диаметром до 40 мм и γс = 0,85 для стальных канатов диаметром свыше 40 мм.

 

13.18 В опорных конструкциях ванты закрепляются при помощи анкерных устройств. По крайней мере на одном из концов ванты должно быть регулируемое анкерное устройство, обеспечивающее возможность регулировки длины вант во время монтажа и предварительного напряжения. Для компенсации потерь усилий натяжения по длине вант, возникающих за счет сил трения в узлах их пересечений, рекомендуется в напрягаемых конструкциях с ортогональной вантовой сетью предусматривать регулируемые анкерные устройства с обоих концов ванты.

Для вант из стержневой стали рекомендуется применять в качестве регулируемых анкерных устройств хвостовики и втулки с резьбой, соединяемые с вантами сваркой (рис.13.8). Приваренные к вантам шайбы или коротыши (рис.13.9) могут служить нерегулируемыми анкерами. Конструкция анкера не должна снижать несущей способности вант.

а - с расчетным сопротивлением, равным расчетному сопротивлению материала вант; б - с расчетным сопротивлением, меньшим расчетного сопротивления материала вант
1 - ванта; 2 - хвостовик; 3 - контактная сварка; 4 - то же, дуговая
Рисунок 13.8 - Анкеры вант из стержневой стали,
регулируемые с помощью хвостовиков из стали


а - коротышей; б - шайбы; 1 - ванта;
2 - коротыши; 3 - сварка; 4 - шайба
Рисунок 13.9 - Нерегулируемые анкеры вант из стержневой стали,
выполняемые с помощью приваренных элементов​

Для вант из горячекатаных арматурных сталей при соединении стержней и присоединении к ним хвостовиков из равнопрочного металла рекомендуется применять контактную стыковую сварку.

Ванты из стержневой стали с перегибами проектировать не рекомендуется.

Для вант из стальных канатов рекомендуется применять гильзоклиновые анкеры (рис.13.10) или анкеры, заливаемые сплавами.

Для заливки концов стальных канатов в анкерах рекомендуется применять сплав марки ЦАМ 9-1,5Л по ГОСТ 21437.

1 - ванта; 2 - гильза; 3 - клин; 4 - опорная гайка
Рисунок 13.10 - Гильзоклиновой анкер для вант
из высокопрочной проволоки и стальных канатов​

Для деталей анкеров стальных канатов рекомендуется применять сталь марки 295-III 09Г2С-4 по ГОСТ 19281, а также сталь марок 20-б-Т и 45-б-Т по ГОСТ 1050 в нормализованном состоянии.

13.19 Ванты из стержневой арматурной стали должны, как правило, располагаться внутри бетона и иметь защитный слой толщиной не менее 25 мм. Для этого оболочка в большинстве случаев должна быть ребристой. При этом ребра могут входить в состав плит покрытий или конструироваться в виде отдельных элементов, подвешенных к вантам. В этом случае сами плиты целесообразно проектировать гладкими. Как ребристые, так и гладкие плиты рекомендуется предусматривать из легкого бетона с укладкой по ним эффективного утеплителя. Возможно совмещение в легкобетонных плитах несущих и ограждающих (теплоизолирующих) функций.

13.20 Для защиты вант из высокопрочной стали от коррозии рекомендуется применять преимущественно оцинкованные канаты.

Ванты также могут быть пропущены внутри трубок, заполняемых после натяжения вант цементным раствором под давлением или специальными антикоррозионными составами.

13.21 Эффективным способом защиты вант от коррозии является предварительное напряжение оболочки.

Предварительное напряжение висячих оболочек рекомендуется осуществлять домкратами, с помощью пригрузки (временной нагрузкой или вертикальными оттяжками), с помощью укладки в швы между плитами бетона на напрягающем цементе. Величину предварительного напряжения назначают с учетом нормативной временной нагрузки и потерь напряжения.

При использовании напрягающего цемента ширина швов между плитами и их армирование назначают из условия достижения необходимой величины самонапряжения.

При предварительном напряжении с помощью домкратов замоноличивание кольцевых стыков между плитами предусматривается до натяжения вант с пропусками в местах, препятствующих натяжению вант.

При предварительном напряжении с помощью пригрузки, укладываемой на плиты, подвешиваемой к вантам или создаваемой оттяжками, закрепленными в нижележащих конструкциях, стыки между плитами замоноличивают согласно рекомендациям п.13.12 настоящего СП.

13.22 При проектировании висячих оболочек отрицательной гауссовой кривизны, предварительное напряжение которых осуществляется с помощью пригрузки, вызывающей уменьшение усилий в напрягаемых вантах, рекомендуется принимать во внимание, что работа осуществляется в следующем порядке:

• укладка и закрепление плит покрытия на смонтированной и выверенной вантовой сети;
• пригрузка покрытия;
• замоноличивание швов, располагаемых нормально к несущим вантам, т.е. кольцевых швов в шатровых покрытиях и швов, расположенных вдоль стабилизирующих вант, в седловидных покрытиях;
• освобождение покрытия от временной нагрузки после набора бетоном в швах необходимой прочности;
• замоноличивание всех остальных швов, бетон которых не получает предварительного напряжения, однако возможность раскрытия в нем трещин в значительной мере уменьшена общим повышением жесткости оболочки.

13.23 Во всех случаях проектирования висячих оболочек рекомендуется бетон в швы, расположенные между опорным контуром и крайними плитами, укладывать в последнюю очередь с целью уменьшения краевых изгибающих моментов. Для замоноличивания этих швов рекомендуется использовать бетон на расширяющемся или напрягающем цементе.

13.24 В пределах площади плит разрешается предусматривать проемы при условии, что это не отражается на их несущей способности в процессе монтажа. В плитах, примыкающих к контуру, не рекомендуется устраивать большие проемы, способствующие ослаблению сечения плиты более чем на 50%.

 

Рекомендации по расчету

13.25 Расчет железобетонных висячих оболочек производят по предельным состояниям согласно требованиям СНиП 52-01. При этом усилия в элементах висячего покрытия в монтажной стадии определяют для вантовой сети в соответствии с рекомендациями пп.13.26-13.41 настоящего СП. Указанные расчеты являются предварительными, т.к. ведутся в линейной постановке. Окончательный расчет при проектировании рекомендуется выполнить с применением ЭВМ по деформированной схеме с учетом геометрической и физической нелинейности.

Расчет стальных деталей и элементов, входящих в состав висячего покрытия и работающих в процессе монтажа или эксплуатации без учета окружающего бетона, должен производиться согласно требованиям СНиП II-23.

При определении расчетных усилий в опорном контуре и вантах предварительно напрягаемых конструкций необходимо учитывать усилия, возникающие в процессе монтажа конструкции и зависящие от принятого в проекте способа ее преднапряжения.

Расчет оболочек с радиальной и перекрестной системами вант

13.26 Простейшим видом радиальной сетки, широко используемой при строительстве висячих оболочек положительной гауссовой кривизны (см. рис.13.2), является сетка, в которой ванты расположены с одинаковым угловым шагом, а образованная ими под равномерной нагрузкой поверхность имеет в центре горизонтальную касательную плоскость (рис.13.11). Единственной формой сжатого условно безмоментного опорного контура такой равномерно нагруженной сети является эллипс, центр которого совпадает с горизонтальной проекцией узла сети (и окружность, т.е. эллипс, эксцентриситет которого равен единице). Распор H (горизонтальная проекция усилия) ванты определяют по формуле

H = qαr³/6f, (13.1)​

где α - угловой шаг вант, рад;

r - расстояние между проекциями на горизонтальную плоскость узла сети и точки крепления ванты к опорному контуру (радиус-вектор);
f - стрела провисания вант.​

1 - опорный контур; 2 - центральное кольцо; 3 - ванты
Рисунок 13.11 - Радиальная вантовая сеть с горизонтальной касательной в узле​

Длина вант L может быть вычислена по формуле

L = r√(1 + 9/5 η²), (13.2)​

где η = f/r.

Величину продольной силы N, действующей в любом сечении опорного контура и центрального кольца при условии отсутствия в них изгибающих моментов, находят из выражения

N = (qb/6f)√(a⁴ - x²(a² - b²)). (13.3)​

Максимальное и минимальное значения N равны

Nₘₐₓ = qa²b/6f; Nₘᵢₙ = qab²/6f, (13.4)​

и имеют место соответственно в точках с координатами (x = 0; y = ±b); (x = ±a; y = 0).

13.27 В рассматриваемой сети при очертании опорного контура, отличающемся от кругового, усилия в вантах не одинаковы. Для того чтобы радиальная равномерно нагруженная сеть с постоянным угловым шагом вант при равенстве усилий в вантах имела сжатый условно безмоментный контур, необходимо соблюдение следующих условий:

а) нагрузка на оболочку должна быть равномерно распределенной;

б) проекция узла сети в плане должна совпадать с одним из фокусов эллипса, который и в этом случае является единственно возможной формой безмоментного контура (рис.13.12);

в) угол подхода β вант к узлу в вертикальной плоскости должен изменяться по закону​

β = η(r³/b³ - 1). (13.5)


Рисунок 13.12 - Радиально-вантовая система с узлом в фокусе эллипса​

Распор вант H такой сети определяют по формуле

H = qαb³/6f. (13.6)​

13.28 При круговом очертании опорного контура и расположении узла радиальной сети в центре круга a = b = R, β = 0; H и L определяют по формулам (13.1) и (13.2) при r = R = const

N = qR³/6f. (13.7)​

13.29 Критическую продольную силу Ncr в плоскости кривизны кругового опорного контура рекомендуется определять по формуле

Ncr = 2√(Ak₁), (13.8)​

где k₁ = 5q/24η³;

A - изгибная жесткость контура.​

13.30 Форма висячей шатровой оболочки кругового очертания в плане (см. рис.13.3) и величина расчетных усилий в ее элементах при заданной нагрузке определяются следующими геометрическими параметрами:

• радиусом контура R;
• величиной подъема центрального кольца над уровнем контурного кольца f₁;
• углом наклона вант у контурного кольца α₁ или у центрального кольца β₁.

При равномерной нагрузке на покрытие величины η₁ = f₁/R, α₁, и β₁ связаны между собой отношениями

β₁ = (3η₁ - α₁)/2; (η₁ - α₁)/2 = (β₁ - α₁)/3 = ν. (13.9)​

Для обеспечения наружного водоотвода с покрытия должно выполняться условие

α₁ ≥ 0, (13.10)​

а уклон кровли в центре не должен превышать предельно допустимого нормами значения [β₁], т.е. β₁ ≤ [β₁].

 

13.31 Проектная геометрия покрытия обеспечивается точным назначением

L = R√(1 + η₁² + 1,8ν²). (13.11)​

Распор вант H определяют по формуле

H = qR²α/6ν. (13.12)​

Расчетную продольную силу N в контурном и центральном кольцах определяют по формуле

N = qR²/6ν. (13.13)​

13.32 При выполнении условия (13.10) вес покрытия передается на центральную опору. Осадка ее основания может оказаться при этом существенно большей, чем осадка опор контура.

Подбор сечений элементов при этом ведется по усилиям, соответствующим очертанию покрытия, до проявления осадок. Геометрические параметры начального очертания могут быть найдены по формулам:

ν = (f₁/2R)√(1 - 10Rξ/f₁ - 5(Rξ/f₁)²); (13.14)

η₁ = f₁/R + ξ​

при условии, что

η₁ ≥ k₃ξ/(k₃ - 1). (13.15)​

В выражениях (13.14, 13.15):

k₃ = 1,1√((3Q₁ + qᵩR)²/((3Q₁ + qᵩR)² + 0,2qᵩ²R²)), (13.16)​

где Q₁ - вес участка опорного контура с длиной, равной шагу вант;

ξ = eₛ/R;
eₛ - взаимная осадка центральной и периферийной опор;
qᵩ = qαR.​

13.33 При действии равномерно распределенной нагрузки критическую продольную силу Ncr в опорном контуре шатровой оболочки в плоскости его кривизны определяют по формуле (13.8) при

k₁ = 5q/3η₁³. (13.17)​

При той же нагрузке критическую продольную силу Ncr в контуре из плоскости его кривизны определяют по формуле

Ncr = ( n₁² - 1)²BC/(B + Cn₁²)R² + k₂R²/n₁², (13.18)​

где n₁ - количество волн при потере устойчивости, зависящее от наличия и количества связей;

​

B - жесткость кольца на изгиб из плоскости его кривизны;
C - жесткость на кручение;
​

k₂ = 1,2η₁²k₁. (13.19)​

13.34 При расчете центральной опоры необходимо учитывать случайный эксцентриситет продольного усилия, величина которого принимается равной 0,1 радиуса круглой опоры или 0,1 радиуса вписанной окружности, если поперечное сечение опоры имеет форму многоугольника.

13.35 На очертание условно безмоментного опорного контура радиальной вантовой сетки и на положение ее центрального узла никаких ограничений не накладывается (ось кольца может состоять из любого числа прямолинейных и криволинейных отрезков, сопряженных между собой плавно или с углом перелома).

Заданной форме контура отвечает определенная система распоров, направленных в заданный полюс, однако заданной системе распоров соответствует целое семейство замкнутых кривых, по которым может быть очерчена ось безмоментного контура.

Для радиальной вантовой сети система погонных распоров HS, обеспечивающая условную безмоментность контура плавного очертания, определяется выражением

HS = C₁/ρr sin²γ, (13.20)​

где γ - угол между проекцией ванты (радиусом-вектором r точки) и положительным направлением касательной;

C₁ - произвольная постоянная, равная моменту продольной силы в контуре относительно центрального узла сети;
ρ - радиус кривизны кольца.​

Соответствующую систему распоров Hᵩ на единицу угла определяют по формуле

Hᵩ = C₁/ρ sin³γ (13.21)​

или

Hᵩ = C₁(r² + 2r'² - rr")/r³, (13.22)​

где r' и r'' - первая и вторая производные по φ - углу между начальным фиксированным направлением и радиусом-вектором.

Нагружение радиальными силами в соответствии с этими формулами является необходимым и достаточным условием условной безмоментности контура произвольной формы.

При заданном графически очертании опорного контура в плане или громоздкости его аналитического выражения контур разбивается на отрезки, после чего необходимые для подстановки в формулы значения r' и r'' вычисляют разностным методом.

Связь между погонным и угловым распорами определяется выражением

HS r = Hᵩ sinγ. (13.23)​

Системы распоров H, обеспечивающие условную безмоментность участков контура, имеющих очертания:

• прямолинейные H = 0;
• дуги окружности, центр которой совпадает с полюсом сил Hᵩ = C₁/ρ = const (обратное положение несправедливо). Из того, что на каком-либо участке кольца Hᵩ = const, не следует, что этот участок обязательно должен быть очерчен по дуге окружности.

Случаю скачкообразного изменения радиуса кривизны в какой-либо точке при сохранении плавности поворота касательной отвечает разрыв функции H.

При переломе оси контура для сохранения его незначительных моментов в точке перелома необходимо приложить сосредоточенную силу H, определяемую по формуле

H = (C₁/r)(ctgγ₁ - ctgγ₂), (13.24)​

где γ₁ и γ₂ - углы между радиусом-вектором r и касательными в точке перелома.

В частном случае контура полигональной формы с незначительными моментами на протяжении каждой его стороны нагрузки должны отсутствовать, могут действовать лишь приложенные в вершинах сосредоточенные усилия, определяемые по формуле (13.24). Величину продольной силы N, действующей в любом сечении контура, определяют по формуле

N = Hᵩ ρ sin²γ / r = HS ρ sinγ. (13.25)​

13.36 Висячие оболочки с ортогональной системой вант целесообразно проектировать в виде поверхностей эллиптического параболоида, гиперболического параболоида или параболоида вращения, уравнения которых, соответственно, имеют вид:

z = f(x²/a² + y²/b²);

z = fₓ(x²/a²) - fᵧ(y²/b²);

z = f(x² + y²)/R², (13.26)​

где f - стрела провиса в центре эллиптического параболоида или параболоида вращения;

fₓ, fᵧ - стрелы провиса вант, параллельных оси x и y гиперболического параболоида;
x, y, z - декартовы координаты;
a и b - полуоси контурного эллипса;
R - радиус контурной окружности.​

Уравнения дают описания поверхности при полном нагружении вант.

Погонные распоры Hₓ, Hᵧ в вантах определяют по формулам:

• для эллиптического параболоида

Hₓ = qa²/4f ; Hᵧ = qb²/4f ; (13.27)​

• для гиперболического параболоида

Hₓ = (q + p)a²/2fₓ ; Hᵧ = pb²/2fᵧ ; (13.28)​

• для параболоида вращения

H = qr²/4f, (13.29)​

где p - дополнительная нагрузка от напрягающих вант на 1 м².

Распор в вантах определяют как произведение соответствующего погонного распора на расстояние между вантами.

Системы погонных распоров Hᵧ и Hₓ для различных очертаний опорного контура ортогональной вантовой сети с одной и двумя осями симметрии, а также для перекрестной косоугольной вантовой сети с двумя осями симметрии приведены в Руководстве (п.47 приложения Б).

 

Расчет оболочек с полигональной системой вант

Расчет полигонально-вантовой сети

13.37 Полигонально-вантовая сеть висячей оболочки должна быть рассчитана по несущей способности на полную расчетную нагрузку от собственного веса покрытия и снега, расположенного на всей его поверхности. Кроме того, должны быть учтены возможные неравномерности снеговых отложений согласно СНиП 2.01.07. Контурные и угловые ванты рассматривают как систему гибких нитей, прикрепленных к узлам общей вантовой сети. В основе расчета лежат условия равновесия узлов системы. В качестве примера на рис.13.13 приведена схема несущей системы рассматриваемого висячего покрытия для квадратного здания размером 48x48 м в плане. Контурные ванты расположены с шагом 3 м по периметрам квадратов, угловые - по направлениям диагоналей плана (рис.13.13, а). По вантам уложены железобетонные плиты (рис.13.13, б).

а - схема вантовой сети; б - схема железобетонной оболочки
Рисунок 13.13 - Конструктивная схема полигонально-вантового
висячего покрытия для здания размером 48x48 м в плане​

13.38 Расчет конструкции рекомендуется начинать исходя из заданной формы равновесия висячего покрытия при полной равномерно распределенной расчетной нагрузке. Затем последовательно определяют:

• расчетные усилия во всех элементах системы и площади их поперечных сечений;
• исходную (начальную) геометрию системы;
• длины заготовок контурных и угловых вант до приложения нагрузки.

При этом предполагается, что материал вант в рассматриваемом диапазоне нагружения следует закону Гука, а исходная геометрия конструкции соответствует форме равновесия вантовой сети из нерастяжимых нитей, длина которых равна длине заготовки.

Зная исходную геометрию системы, определяют форму ее равновесия и находят перемещения при всех монтажных состояниях нагружения.

13.39 Расчет контурных вант производят следующим образом: задают величину стрелки провеса f₁ первой (от опорного контура) контурной ванты и определяют распор H₁ первой контурной ванты по формуле

H₁ = qₚᵣ l₁² / 8f₁, (13.30)​

где qₚᵣ - равномерно распределенная расчетная нагрузка на 1 м длины горизонтальной проекции ванты;

l₁ - величина пролета первой контурной ванты;​

задаются условием равенства распоров H всех контурных вант

Hᵢ = H = qₚᵣ l₁² / 8f₁, (13.31)​

затем определяют стрелки провеса fᵢ контурных вант по формуле

fᵢ = f₁(lᵢ²/l₁²), (13.32)​

где i - номер контурной ванты (от 1 до k₀), считая от контура (см. рис.13.13);

k₀ - количество контурных вант на каждом участке между угловыми вантами (т.е. количество гибких контуров в системе);
lᵢ - величина пролета контурной ванты i.​

Расчетное продольное усилие Tᵢ в произвольном сечении контурной ванты i определяют по формуле

Tᵢ = √(H² + Qᵢ²), (13.33)​

где Qᵢ - поперечная сила в однопролетной шарнирно-опертой балке при нагрузке qₚᵣ.

Ординаты линии равновесия yᵢ контурных вант, измеренные от горизонтали, проходящей через центры узлов сопряжения контурных вант с угловыми при расчетной нагрузке, определяют по формуле

yᵢ = Mᵢ/H, (13.34)​

где Mᵢ - изгибающий момент в сечении x однопролетной шарнирно-опертой балки пролетом lᵢ и при нагрузке qₚᵣ.

Соответствующие значения тангенсов углов наклона контурной ванты i находят по формуле

tg αᵢ = Qᵢ/H. (13.35)​

13.40 Для определения формы равновесия системы угловых вант при расчетной нагрузке:

а) определяют величины сосредоточенных нагрузок, передающихся в узлах сопряжения от примыкающих контурных вант (рис.13.14); при этом величины горизонтальной и вертикальной составляющих узловой нагрузки определяют отдельно. Горизонтальную составляющую узловой нагрузки HD для квадратного плана определяют как геометрическую сумму распоров, примыкающих к узлу контурных вант, по формуле​

HD = 1,41H. (13.36)


Рисунок 13.14 - Расчетная схема системы угловых вант в полигонально-вантовой системе​

Вертикальная составляющая узловой нагрузки Vᵢ равна арифметической сумме вертикальных составляющих опорных реакций двух примыкающих к узлу контурных вант плюс нагрузка от веса узловой конструкции и других элементов покрытия, опирающихся непосредственно на узел;

б) по найденным величинам узловых нагрузок определяют опорные реакции ∑V, ∑HD системы угловых вант из выражений:​

∑V = ∑Vᵢ = V₁ + V₂ + ... + Vₖ₀; (13.37)

∑HD = k₀HD; (13.38)​

в) находят тангенсы углов наклона системы угловых вант (см. рис.13.14) на всех участках между узлами по формулам:​

tg φ₁ = ∑V/∑HD; tg φ₂ = (∑V - V₁)/(∑HD - HD); tg φ₃ = (∑V - V₁ - V₂)/(∑HD - 2HD) и т.д., (13.39)​

где i - номер узла;

г) зная углы наклона φ и величины расстояний между узлами по горизонтали, определяют ординаты линии равновесия системы угловых вант. Полученная ломаная линия соответствует форме равновесия нижней угловой ванты. Все остальные угловые ванты располагаются выше на расстояниях, равных принятому шагу угловых вант по вертикали.​

13.41 Для подбора сечений необходимо определить максимальные продольные усилия в вантах. Для контурных вант их определяют по формуле (13.33), подставляя вместо Qᵢ вертикальную составляющую опорной реакции ванты. Усилия в угловых вантах достигают максимального значения на участке 0-1 (см. рис.13.14), примыкающем к опорному узлу системы, где продольное усилие TD(0-1) в каждой угловой ванте равно

TD(0-1) = HD/cos φ₁. (13.40)​

Сечения контурных и угловых вант подбирают по усилиям, полученным при расчете системы на полную расчетную нагрузку по всей площади покрытия.

После определения геометрических параметров висячей системы в расчетном предельном состоянии и подбора сечений ее основных элементов определяют длины заготовок вант (т.е. длины вант в исходном ненагруженном состоянии).

 

Расчет жесткости и трещиностойкости оболочки

13.42 Контроль жесткости и трещиностойкости оболочки осуществляют в соответствии с усилиями, найденными по теории расчета оболочки в упругой стадии на нагрузки, приложенные после замоноличивания оболочки.

При этом экспериментально подтверждено, что:

• каждый квадрант оболочки (участок между угловыми вантами) можно рассматривать отдельно;
• в упругой стадии (при достаточной высоте ребер) оболочка работает линейно;
• в поперечном направлении (вдоль контурных вант) оболочка работает в основном на растяжение, а в продольном - на изгиб; деформации сдвига в оболочке практически отсутствуют;
• влиянием вертикальных перемещений угловых вант на напряженное состояние оболочки можно пренебречь, поскольку эпюры этих перемещений имеют малую кривизну.

13.43 Предварительным конструктивным критерием допустимости расчета оболочки как линейно деформируемой системы может служить высота ребер, которую рекомендуется назначать не менее 1/250 величины L - общего пролета конструкции.

Для решения этого вопроса в общем виде (применительно к покрытию на квадратном плане при опирании оболочки по контуру) рекомендуется приближенный эмпирический критерий, так называемый критерий жесткости, который позволяет судить о деформативности оболочки при различных размерах ее элементов. Величину этого критерия KS определяют по формуле

KS = Eb Ired nᵣ / L², (13.41)​

где Ired - приведенный момент инерции поперечного сечения продольного ребра оболочки с учетом полки плит;

nᵣ - количество продольных ребер оболочки в одном направлении;
L - величина общего пролета оболочки (см. рис.13.13).​

При KS > 1,2 кН геометрическую схему оболочки можно считать недеформируемой. При несоблюдении этого условия высоту ребер плит оболочки рекомендуется увеличить. Критерий KS действителен, когда величина равномерно распределенной нагрузки от снега не превышает нагрузки от собственного веса покрытия, что соответствует большинству практических случаев.

13.44 При расчете рассматривается предварительно напряженная оболочка, опертая на систему угловых вант и по контуру. Опоры на контуре принимают подвижными в продольном и поперечном направлениях. Считается, что согласно формуле (13.41) критерий жесткости удовлетворен. По результатам эксперимента расчетная схема рассматриваемой висячей оболочки представлена в виде перекрестной вантобалочной системы. Учитывая пологость вант, реакции взаимодействия между вантами и балками предполагаются вертикальными, тангенциальные связи исключены. Задача решается методом сил. В качестве лишних неизвестных приняты величины распоров контурных вант. Таким образом, задача расчета покрытия, например пролетом 48 м, имеет всего 7 неизвестных.

Реакции взаимодействия между вантами и балками определяют по формуле

Rᵢₖ = (8fᵢ/lᵢ²)Hᵢ b₀, (13.42)​

где Rᵢₖ - реакция взаимодействия ванты i с балкой k;

Hᵢ - распор ванты i;
b₀ - шаг балок (продольных ребер оболочки).​

Из формулы (13.42) следует, что величины реакций взаимодействия вдоль каждой ванты постоянны. Полагая, что H₁ = 1, можно определить узловые нагрузки от единичных неизвестных в основной системе и построить соответствующие эпюры моментов в балках и нормальных сил в вантах.

Расчет оболочки по несущей способности

13.45 Для определения несущей способности висячей оболочки полигонально-вантового типа применяется метод предельного равновесия в сочетании с общим решением задачи о расчете гибкой упругой нити. Практический способ расчета основан на следующих экспериментально обоснованных положениях:

• каждый квадрант оболочки рассматривается как висячая конструкция с несмещаемыми опорами, расположенными по линиям угловых вант;
• в предельном состоянии оболочка разделяется трещинами на продольные полосы, опертые на контурные ванты, и работает как ванто-балочная система;
• исчерпание несущей способности оболочки наступает вследствие одновременного появления текучести в контурных вантах и образования пластических шарниров в продольных ребрах (балках);
• пластические шарниры в продольных ребрах располагаются на линии пересечения этих ребер с одной из ближайших к опорному контуру вант;
• в предельном состоянии участки поверхности оболочки между линией расположения пластических шарниров и опорами остаются по форме близкими к цилиндрическим.

Расчет опорного контура

13.46 Расчетные сжимающие усилия в опорном контуре полигонально-вантовой системы определяют путем геометрического разложения опорных усилий угловых вант по направлениям элементов узла сопряжения угловых колонн с опорным контуром с учетом усилий в контуре от температурных и других воздействий. При необходимости рекомендуется производить проверку контура по деформированной схеме с учетом его совместной работы с колоннами.

13.47 Опорный контур полигонально-вантовой системы рассчитывается на внецентренное сжатие согласно СНиП 52-01. При этом расчетную длину l₀ опорного контура в горизонтальной плоскости рекомендуется принимать равной ¼ периметра здания, а в вертикальной плоскости - расстоянию между колоннами. Размеры поперечного сечения элементов опорного контура рекомендуется назначать равными не менее l₀/20.

 

Конструирование

Конструирование оболочек с радиальной и перекрестной системами вант

13.48 При выборе системы вант следует иметь в виду, что по расходу арматуры на оболочку в целом, а также по расходу бетона на опорный контур оболочки с радиальной системой вант примерно в полтора раза экономичнее оболочек, имеющих перекрестную систему вант.

13.49 Для радиальной вантовой системы круговое очертание опорного контура (частный случай эллипса) является оптимальным, поскольку позволяет максимально унифицировать все элементы оболочки и обеспечить работу контура при небольших моментах практически на любой стадии монтажа. Для этого плиты оболочки необходимо монтировать кольцами, т.е. перед укладкой очередного ряда плит (кольца) все предыдущие должны быть закончены (замкнуты).

13.50 Связь опорного контура с вантами и плитами практически исключает возможность потери им устойчивости, вследствие чего его поперечное сечение можно при необходимости развивать в вертикальном направлении.

13.51 Если оболочка с радиальной системой вант имеет эллиптическое очертание в плане, то следует стремиться к тому, чтобы внутреннее кольцо имело также форму эллипса, подобного наружному.

13.52 Внутреннее кольцо в оболочках с радиальной вантовой сетью работает главным образом на растяжение.

Минимальный периметр внутреннего кольца определяют из условия размещения в нем анкеров вант.

Поперечное сечение кольца рекомендуется развивать в вертикальном направлении, обеспечивая распределение усилий от анкеров вант на всю высоту сечения. Конструкция кольца должна обеспечивать его жесткость в горизонтальной плоскости при монтаже вант и плит.

13.53 Большие сосредоточенные нагрузки на оболочки с радиальной сетью вант рекомендуется предусматривать в области, ограниченной внутренним кольцом.

13.54 Центральную опору шатровых оболочек рекомендуется проектировать железобетонной с круглым поперечным сечением из бетонов высокого класса по прочности на сжатие или трубобетонной.

13.55 Закрепление вант в контуре можно проектировать как с упором в опорную плиту на наружной грани контура, так и соединением с выпусками на его внутренней стороне.

Первое решение конструктивно проще и применяется при относительно небольшой ширине сечения опорного контура. Для этого в контурном кольце предусматриваются закладные трубки диаметром, достаточным для пропуска анкерных устройств вант.

Угол наклона трубок к горизонту следует принимать равным наклону касательной к поверхности покрытия у контура при расчетной равномерной нагрузке.

Закрепление вант в опорном контуре и внутреннем кольце должно проектироваться таким образом, чтобы линия действия усилия в ванте проходила через центр тяжести поперечного сечения (рис.13.15). В противном случае необходимо учитывать возникающие вследствие отсутствия центрировки крутящие и изгибающие моменты.

1 - центральная колонна; 2 - ванта; 3 - верхний пояс центрального кольца;
4 - нижний пояс центрального кольца; 5 - соединительные опорные планки; 6 - шайба;
7 - гайка; 8 - хвостовик; 9 - опорный контур; 10 - закладная трубка для пропуска ванты;
11 - закладная деталь, распределяющая нагрузку от ванты; 12 - патрубок для инъекции раствора
Рисунок 13.15 - Крепление вант к опорному контуру и центральному кольцу​

13.56 Опорную плиту под анкер, как правило, проектируют перпендикулярно к оси закладной трубки, иначе под анкер следует устанавливать клиновидные шайбы.

Размеры опорных плит выбирают на основании расчета на местное сжатие. В необходимых случаях местное упрочнение контура под плитой может быть достигнуто с помощью дополнительной арматуры в виде сеток.

С целью защиты вант от коррозии после окончания их регулировки и замоноличивания швов между плитами необходимо предусматривать возможность заполнения полости анкерных закладных трубок цементным раствором через патрубок, выведенный на верхнюю или боковую поверхность контура (рис.13.15).

Анкеры вант должны быть обетонированы или надежно защищены от коррозии иным способом.

13.57 Конструкция узлов пересечения вант должна обеспечить совместную работу вант в нормальном, а в необходимых случаях и в тангенциальном направлениях к поверхности покрытия.

В местах пересечения вант предусматриваются специальные хомуты или штампованные косынки (рис.13.16), используемые также для опирания плит.

а - с применением хомутов; б - то же, штампованных стальных косынок;
1 - несущая ванта; 2 - напрягающая ванта; 3 - хомут; 4 - косынка
Рисунок 13.16 - Узлы пересечения вант​

В конструкциях деталей, изменяющих направление стального каната или проволоки в канате (анкерных устройств), а также обжимающих канат (сжимов, хомутов подвесок и т.п.), следует применять желоба криволинейного поперечного сечения со скруглениями у торцов (в месте выхода каната) и укороченными (по сравнению с основанием) прижимными накладками, прокладки из алюминия или другого мягкого материала. При этом для исключения электрохимической коррозии контактирующие с алюминием стальные канаты и стальные детали указанных выше устройств должны быть защищены покрытиями из кадмия или цинка толщиной не менее 20 мкм.

Сборные плиты могут быть подвешены к вантам при помощи выпусков рабочей арматуры, стальных крюков, привариваемых к арматуре плит и изготовленных из арматуры класса А240, или других специальных деталей. При подвеске в четырех точках каждый крюк рассчитывают на 1/3 нагрузки, приходящейся на плиту (рис.13.17).

а - плоская плита; б - ребристая плита; 1 - железобетонная плита; 2 - ванта; 3 - крюки;
4 - бетон шва; 5 - армирование шва; 6 - ребро плиты; 7 - детали крепления плит к вантам
Рисунок 13.17 - Крепление плит к вантам​

 

Конструирование оболочек с полигональной системой вант

13.58 Висячие оболочки полигонально-вантового типа применяются для покрытий с многоугольным планом (см. рис.13.5). Их применение наиболее целесообразно в зданиях с квадратным и прямоугольным планами. Несущей основой конструкции служит гибкая полигонально-вантовая сеть при равномерно распределенном действии нагрузки с безмоментным в плане опорным контуром, опирающимся на колонны. Возможность применения такой вантовой системы для зданий с произвольным полигональным планом обеспечивается таким расположением несущих вант, при котором все усилия передаются только на углы опорного контура, вызывая в нем напряжения сжатия в основном без изгиба в горизонтальной плоскости.

13.59 Несущая система покрытия (см. рис.13.5) состоит из контурных и угловых вант. В горизонтальной проекции контурные ванты расположены параллельно сторонам опорного контура и образуют полигональные гибкие контуры. Угол каждого гибкого контура соединен угловой вантой с соответствующим углом опорного контура. Угловые ванты располагаются по биссектрисам углов опорного контура (при прямоугольном плане - по диагоналям). Помимо основных возможно применение дополнительных угловых вант, проходящих непрерывно от угла к углу сооружения под основными угловыми вантами. Дополнительные угловые ванты рекомендуется применять в тех случаях, когда требуется уменьшить стрелу провиса центра покрытия по отношению к углам сооружения с целью увеличения уклона кровли по направлению к опорному контуру. Контурные и угловые ванты имеют на концах стальные анкерные детали, предназначенные для соединения вант между собой и для их крепления в углах сооружения.

Ванты могут быть одиночными или двойными, состоящими из одного или двух расположенных близко канатов, стальных арматурных стержней или других гибких элементов. Величины стрелок провиса контурных вант целесообразно выбирать таким образом, чтобы уклоны покрытия имели направления к сторонам опорного контура, что обеспечивает наилучшие условия для организации водоотвода с покрытия. При этом величины стрелок провиса контурных вант назначают таким образом, чтобы величины их распоров были одинаковыми. В этом случае форма поверхности покрытия между угловыми вантами близка к цилиндрической, что обеспечивает простейшее решение конструкции оболочки.

13.60 При проектировании вант (рис.13.18) рекомендуется учитывать следующее их расположение в вертикальной плоскости: диагональные - в нижнем ярусе, угловые центрального гибкого контура - во втором ярусе, угловые следующего (от центра) контура - в третьем и т.д. Контурные ванты опираются сверху на систему проходящих ниже угловых вант, которые выполняются двойными, что обеспечивает устойчивость узла.

1 - угловые ванты; 2 - узлы сопряжения контурных вант с угловыми; 3 - диагональные ванты
Рисунок 13.18 - Расположение угловых вант
полигонально-вантовой системы в вертикальной плоскости​

Возможен и обратный порядок расположения угловых вант, при котором узлы сопряжения подвешиваются снизу к проходящей над ними системе угловых вант. Конструкция узлов сопряжения контурных вант с угловыми должна обеспечивать свободу поворота концевых сечений контурных вант в вертикальной плоскости. Узлы могут быть запроектированы с применением болтов, сварки или стальных отливок (на основе принципа работы цилиндрических или листовых шарниров), желательно с устройством для регулировки длины вант.

13.61 Опорный контур и каркас здания могут быть выполнены из сборного, сборно-монолитного или монолитного железобетона. Опорный контур поддерживается колоннами, расположенными по периметру здания с шагом 6 м. Угловые колонны целесообразно выполнять двойными, что обеспечивает возможность монтажа всей вантовой системы на полу и подъема ее в готовом виде путем перемещения анкерных устройств сети по направляющим элементам угловых колонн. Опорный контур может быть запроектирован не только в виде горизонтального, но и полигонального ригеля, связанного с колоннами (рис.13.19) и образующего вместе с ними многопролетную раму, в среднем пролете которой рекомендуется предусматривать вертикальные связи, повышающие горизонтальную устойчивость каркаса здания.

1 - опорный контур; 2 - угловые (двойные) колонны; 3 - промежуточные колонны;
4 - вертикальные связи; а - с горизонтальным контуром; б - с полигональным контуром
Рисунок 13.19 - Конструктивные схемы опорного контура
полигонально-вантового покрытия в вертикальной плоскости​

Основными элементами висячей оболочки (см. рис.13.13) в данном случае служат железобетонные ребристые плиты трех типоразмеров: основной размером 3x3 м (или 3x6 м) и два доборных, имеющих форму трапеции в плане. Плиты для оболочки целесообразно выполнять из бетона не ниже класса В25 по прочности на сжатие на легких заполнителях. Армирование плит предусматривается без предварительного напряжения. Узел опирания плит на двойные ванты приведен на рис.13.20. В швах между плитами устанавливают дополнительную конструктивную, а в продольных швах оболочки - расчетную арматуру. Для обеспечения трещиностойкости оболочки в стадии эксплуатации или для уменьшения ширины раскрытия трещин до замоноличивания швов предусматривается предварительное напряжение вантовой сети при помощи пригрузки или другим способом. Возможно применение оболочек и без предварительного напряжения при надлежащем обосновании расчетом и защите вант от коррозии. Швы между плитами рекомендуется заполнять бетоном того же класса на сжатие, что и бетон плит. Для обеспечения устойчивости опорного контура оболочек с полигональной системой вант его поперечное сечение должно быть развито в горизонтальной плоскости.

а - узел опирания железобетонных плит на контурные ванты;
б - поперечное сечение продольного ребра оболочки (балки);
1 - железобетонные ребристые плиты; 2 - контурные ванты; 3 - крюк жесткой конструкции;
4 - отверстие для строповки плит; 5 - дополнительная арматура в поперечных швах оболочки;
6 - рабочая арматура продольных ребер (балок)
Рисунок 13.20 - Конструктивное решение основных узлов
висячей оболочки полигонально-вантового типа​

13.62 Конструкция опорного узла рассматриваемой висячей системы должна обеспечивать возможность монтажа вантовой сети до замоноличивания стыков опорного контура. В углах контура рекомендуется предусматривать зазоры для прохода системы угловых вант, заанкеренных в специальном анкерном устройстве. В зазорах должны быть предусмотрены монтажные стальные распорки, способные воспринимать усилия сжатия в углах опорного контура от собственного веса вантовой сети. После монтажа вантовой сети зазоры в углах опорного контура замоноличиваются бетоном того же класса, что и бетон ригелей опорного контура.

 

14 Панели-оболочки "на пролет здания" и сводчатые конструкции из них

14.1 Панели-оболочки КЖС

Основные положения

14.1.1 Панель-оболочка КЖС (крупноразмерная, железобетонная, сводчатая) представляет собой короткий цилиндрический пологий предварительно напряженный свод-оболочку с двумя ребрами-диафрагмами сегментного очертания (рис.14.1, 14.2), в нижней утолщенной части которых располагается предварительно напряженная арматура. Номинальные размеры панелей в плане рекомендуется принимать равными 3x12; 3x18 и 3x24 м.

Рисунок 14.1 - Панель-оболочка КЖС


1 - вертикальное ребро жесткости; 2 - разбивочная ось; 3 - напрягаемая рабочая арматура
Рисунок 14.2 - Поперечное сечение панели-оболочки КЖС
​

Высоту поперечного сечения панели в середине пролета принимают равной 1/20-1/15l₀ в зависимости от величины нагрузки и размера пролета. Очертание верхней поверхности оболочки рекомендуется принимать по квадратной параболе.

14.1.2 Панели-оболочки КЖС предназначаются для покрытий промышленных, общественных, сельскохозяйственных и других зданий с пролетами 12, 18 и 24 м, а при необходимости и для покрытий зданий других пролетов. Применение панелей КЖС предусматривается в покрытиях однопролетных и многопролетных зданий с фонарями и без фонарей верхнего света, бескрановых, а также оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью до 30 т или подвесным транспортом грузоподъемностью до 5 т.

Покрытия рассматриваемого типа проектируются из панелей КЖС и поддерживающих продольных конструкций. В простейшем случае панели опираются на продольные несущие стены; такое решение наиболее целесообразно для невысоких зданий сельскохозяйственного строительства, невысоких складских и ряда других зданий.

В промышленном строительстве при шаге колонн 6 м панели опирают на продольные железобетонные балки прямоугольного сечения высотой 500-600 мм. При шаге колонн 12 м применяют предварительно напряженные железобетонные двутавровые балки с сечением высотой 1000-1200 мм или фермы раскосно-шпренгельного типа с предварительно напряженной арматурой (рис.14.3).

Рисунок 14.3 - Продольная предварительно напряженная балка и ферма
для покрытий из панелей-оболочек КЖС при шаге колонн 12 м
​

Рекомендации по расчету

14.1.3 Расчет пологой цилиндрической панели-оболочки КЖС производят по методике расчетных предельных состояний с учетом изменений геометрической схемы конструкции в процессе нагружения. Методика расчета основана на подтвержденной экспериментом статической гипотезе, что вдоль пролета панели действуют только продольные силы, а поперек (т.е. вдоль образующей оболочки) - только поперечные силы и изгибающие моменты. Таким образом, оболочка рассматривается как цилиндрический свод, работающий совместно с деформирующимися диафрагмами.

Излагаемый ниже метод расчета разработан для панелей-оболочек КЖС, у которых отношение l₀/b₀ ≥ 4, опирающихся на продольные несущие конструкции согласно п.14.1.2 настоящего СП.

 

Расчет панели-оболочки КЖС по несущей способности и устойчивости

14.1.4 Необходимо, чтобы несущая способность оболочки была достаточной для восприятия усилий сжатия и изгибающих моментов, возникающих при воздействии на систему "свод-диафрагмы" расчетных нагрузок в наименее благоприятных сочетаниях. Тогда общая несущая способность панели-оболочки КЖС может быть выражена величиной предельного изгибающего момента, воспринимаемого системой в целом.

В соответствии с этим необходимые площади сечения Aₛ рабочей арматуры диафрагм и толщины оболочки δ (рис.14.4) определяют из условий:

а - продольный разрез; б - план опорной части; 1-5 - номера характерных точек
продольного сечения по оси панели; 6 - ось напрягаемой арматуры диафрагмы; 7 - ось оболочки
Рисунок 14.4 - Геометрическая схема панели-оболочки КЖС

Aₛ ≥ M/zRₛ; (14.1)

δ₄₋₅ ≥ M/zbf Rb γ₀γb1, (14.2)​

где M - изгибающий момент в рассматриваемом сечении панели;

z - расстояние по вертикали от оси оболочки до оси рабочей арматуры диафрагмы;
Rₛ - расчетное сопротивление рабочей арматуры диафрагм;
bf - ширина панели поверху;
γ₀ - коэффициент условий работы тонкой оболочки, принимаемый равным для панелей шириной 3 м - 0,75; 2 м - 0,9; 1,5 м - 1;
γb1 - коэффициент условий работы бетона, принимаемый согласно п.5.1.10 СП 52-101.​

Рекомендуемая геометрическая схема конструкции приведена на рис.14.4. Верхняя поверхность оболочки между точками 1 и 2 очерчена по квадратной параболе. Очертание нижней поверхности оболочки между точками 4 и 5 параллельно этой кривой.

Необходимую толщину оболочки в средней части пролета определяют по формуле (14.2); толщину оболочки δ₃₋₄ на участке, примыкающем к опоре, определяют с учетом усилий, действующих в опорной зоне.

На рис.14.4 обозначены:

x - расстояние от рабочей поверхности анкера рабочей арматуры диафрагмы до рассматриваемого сечения;
α - угол наклона нижней поверхности оболочки у торца панели; tgα ≤ 0,5;
aᵣ - расстояние по горизонтали от оси рабочей арматуры диафрагмы до продольной грани панели на опоре;
z₀ - стрела подъема оболочки (т.е. расстояние от оси оболочки до оси рабочей арматуры диафрагмы в середине пролета).​

14.1.5 Помимо расчета по формуле (14.2) толщину оболочки следует проверить на условные критические напряжения сжатия по формуле

δ₄₋₅ ≥ 0,8lb√(M₀ⁿy₀/Eb Ired0), (14.3)​

где lb - расчетный пролет оболочки, равный расстоянию в свету между вутами (см. рис.14.2);

M₀ⁿ - изгибающий момент от расчетных нагрузок в середине пролета панели при коэффициенте надежности по нагрузке γf = 1;
y₀ - расстояние от центра тяжести приведенного сечения панели в середине пролета до оси оболочки;
Ired0 - момент инерции приведенного поперечного сечения панели в середине ее пролета.​

14.1.6 Площадь сечения стержней торцевой арматуры при опирании на продольные несущие конструкции согласно п.14.1.2 подбирают по большему из усилий Nₑ, полученных по формулам:

Nₑ = (g + 2)l²bₛ/64z₀; (14.4)

Nₑ = RₛAₛbₛ / 8bₛᵤₚ, (14.5)​

где g - расчетная нагрузка от веса панели, кН/м²;

l - расчетный пролет панели;
bₛ - расстояние между осями рабочей арматуры диафрагм;
bₛᵤₚ - ширина панели на опоре;
2 - сопротивление отрыву, кН/м², при съеме панели с формы.​

Для торцевой арматуры рекомендуется применять сталь класса не ниже А400.

 

Расчет диафрагм на поперечную силу

14.1.7 Расчет диафрагм панели-оболочки КЖС на поперечную силу производят с учетом разгружающего действия вертикальных составляющих сил сжатия в оболочке. Часть поперечной силы Qd, воспринимаемую диафрагмами, определяют по формуле

Qd = Q₀ - (M/z)tgφ, (14.6)​

при этом должно быть проверено условие

Qd/2b'dh₀ ≤ 0,5Rbt. (14.7)​

В формулах (14.6 и 14.7)

Q₀ - полная величина поперечной силы в рассматриваемом сечении панели;
φ - угол наклона оси оболочки;
b'd - ширина диафрагмы в самом узком месте рассматриваемого сечения (см. рис.14.2);
h₀ - рабочая высота сечения. ​

При соблюдении условия (14.7) на участках диафрагм длиной 0,1l, примыкающих к опорам, во всех случаях необходимо устанавливать конструктивную поперечную арматуру диаметром не менее 5 мм из проволоки класса В500 с шагом 100 мм, а при наличии на участках диафрагм сосредоточенных нагрузок от подвесного транспорта - не менее ∅ 6А400 с шагом 100 мм. Кроме того, при выборе шага поперечных стержней должны быть учтены указания раздела "Поперечное армирование" п.83 СП 52-101. Также следует установить стержни-подвески в вертикальных ребрах жесткости диафрагм (см. рис.14.5), располагаемые с шагом 1,5-1,6 м. При наличии подвесного транспорта эти подвески делаются двойными.

1 - напрягаемая арматура диафрагмы; 2 - анкер; 3 - арматурная сетка оболочки;
4 - поперечная арматура диафрагмы (на участке Т устанавливается только при наличии
подвесного транспорта); 5 - подвеска наружная; 6 - подвеска внутренняя; 7 - сетка в вуте;
8 - торцевая арматура (сечение IV'-IV' при наличии подвесных кранов и для сегментных сводов)
Рисунок 14.5 - Армирование панели-оболочки КЖС размером 3х18 м​

Во всех случаях, где условие (14.7) не соблюдается, рекомендуется устанавливать поперечную арматуру, при этом необходимая площадь сечения поперечной арматуры в диафрагмах принимается по формуле

fₓ = |Qd|u / 2Rsw z(1 ± tgφ), (14.8)​

где fₓ - площадь сечения одного поперечного (вертикального) стержня каркаса диафрагмы;

|Qd| - абсолютная величина части поперечной силы, воспринимаемой обеими диафрагмами панели, определяется по формуле (14.6);
z - плечо внутренней пары сил (расстояние по вертикали от оси напрягаемой арматуры до оси оболочки в рассматриваемом сечении);
u - шаг поперечных стержней каркаса диафрагмы.​

При этом в знаменателе формулы (14.8) знак плюс для левой половины панели принимается в тех случаях, когда величина Qd положительна, и минус - когда величина Qd отрицательна.

Расчет анкеров

14.1.8 Площадь рабочей поверхности анкера рабочей арматуры каждой диафрагмы рекомендуется проверять исходя из условия

Aₗₐₙ ≥ M₁/2z₁Rb γb1, (14.9)​

где M₁ - изгибающий момент на всю ширину панели в сечении, расположенном на расстоянии 1,5 м от рабочей поверхности анкера;

z₁ - расстояние по вертикали от оси рабочей арматуры диафрагмы до оси оболочки в этом же сечении.​

При нагрузках от подвесных кранов изгибающий момент M₁ и величину z₁ рекомендуется вычислять в сечении под грузом, ближайшим к опоре.

Расчет панели-оболочки КЖС по деформациям

14.1.9 Прогиб w₀ₛₕ в середине пролета предварительно напряженной панели-оболочки КЖС при кратковременном действии равномерно распределенной на 1 м длины панели нагрузки qⁿ рекомендуется определять по формуле

w₀ₛₕ = qⁿl⁴/48Eb1 Ired0, (14.10)​

где qⁿ - равномерно распределенная расчетная нагрузка при коэффициенте надежности по нагрузке γf = 1; Eb1 = 0,85Eb;

Ired0 - момент инерции приведенного поперечного сечения панели КЖС в середине пролета.​

Величину прогиба w₀ₗ панели в середине пролета с учетом длительного действия нагрузки и предварительного напряжения определяют по формуле

w₀ₗ = (b₀[qₛₕ + (1 + φb,cr)qₗ - qₑ]l⁴)/48Eb1 Ired0 - (Δσₛₚ₍₂₎ - Δσ'ₛₚ₍₂₎)l²/6Eₛh0c, (14.11)​

где qₛₕ - кратковременно действующая часть нагрузки;

φb,cr - коэффициент ползучести бетона (см. табл.5.2 и п.5.6 настоящего СП);
qₗ - длительно действующая часть нагрузки;
qₑ - эквивалентная по моменту в середине пролета равномерно распределенная нагрузка от сил предварительного напряжения, определяемая по формуле​

qₑ = 8P₍₁₎ e₀ₚ / l², (14.12)​

Δσₛₚ₍₂₎ = Δσₛₚ₅ + Δσₛₚ₆ - сумма потерь предварительного напряжения рабочей арматуры от усадки и ползучести бетона согласно СП 52-102;
Δσ'ₛₚ₍₂₎ - то же для напрягаемой арматуры, если бы она имелась на уровне крайнего сжатого волокна бетона;
Eₛ - модуль упругости рабочей арматуры диафрагм;
h0c - рабочая высота поперечного сечения панели в середине пролета;
P₍₁₎ - равнодействующая усилий в напрягаемой арматуре до обжатия бетона, определяемая при коэффициенте точности натяжения γₛₚ = 1;
e₀ₚ - расстояние от оси напрягаемой арматуры до центра тяжести приведенного сечения панели в середине пролета.​

Расчет панели-оболочки КЖС по образованию трещин

14.1.10 Расчет по образованию трещин в диафрагмах панелей КЖС рекомендуется производить согласно требованиям раздела 6.3 СНиП 52-01 с учетом следующих особенностей:

а) во всех случаях при определении потерь предварительного напряжения в арматуре рекомендуется учитывать разгружающее действие веса панели при γₛₚ = 1;

б) величину момента сопротивления Wₚₗ приведенного сечения панели для растянутой грани с учетом неупругих деформаций бетона допускается определять по формуле​

Wₚₗ = 1,3W, (14.13)​

где W - момент сопротивления для растянутой грани сечения, определяемый в соответствии с правилами сопротивления упругих материалов по формуле​

W = Ired0/(e₀ₚ + a), (14.14)​

где a - расстояние от нижней грани ребра до оси напрягаемой арматуры (см. рис.14.2).​

 

Расчет поля оболочки на изгиб вдоль образующей

14.1.11 Короткую цилиндрическую оболочку между диафрагмами рекомендуется рассчитывать на изгиб в направлении ее образующей. При этом необходимо учитывать изменения геометрической схемы конструкции вследствие роста прогибов, появления и развития трещин в диафрагмах и уменьшения кривизны оболочки в процессе ее нагружения на всех стадиях - от начала нагружения до появления признаков предельного состояния.

Расчет производят путем определения "изгибающей нагрузки" qb, передающейся на диафрагмы за счет изгиба оболочки, и сравнения этой нагрузки с несущей способностью оболочки на изгиб, определяемой методом предельного равновесия. Несущую способность оболочки на изгиб рекомендуется проверять при следующих схемах нагружения:

• при нагрузке, равномерно распределенной по всей поверхности оболочки;
• при снеговой нагрузке, расположенной на половине пролета с учетом коэффициента снегоотложения μ = 1, на участках нижних покрытий при перепаде высот - с учетом коэффициента μ, определяемого согласно Приложению 3 СНиП 2.01.07;
• при нагружении диафрагм сосредоточенными нагрузками от симметрично расположенных подвесных кранов;
• при нагружении сосредоточенными нагрузками от стоек каркаса фонаря и т.п.

Перечисленные нагрузки следует учитывать в наименее благоприятных сочетаниях. Коэффициенты сочетаний принимают по СНиП 2.01.07. Поскольку при расчете оболочки решается нелинейная задача, то не допускается производить расчет на воздействие отдельных видов нагружения с последующим суммированием. В каждом случае необходимо производить расчет на возможные комбинации нагрузок.

При этом следует иметь в виду следующее: при нагрузке, приложенной к полю оболочки, изгибающая нагрузка положительна (направлена вниз), при нагрузке, приложенной к диафрагмам, - отрицательна (направлена вверх). Снеговая нагрузка, приложенная на одной половине пролета, создает на ней положительную изгибающую нагрузку, на другой - отрицательную. Силы предварительного напряжения рабочей арматуры диафрагм создают положительную изгибающую нагрузку на оболочку.

14.1.12 При равномерном нагружении (рис.14.6) решение нелинейной задачи для определения максимальной величины qb,max - расчетной изгибающей нагрузки на 1 м² - имеет вид

qb,max = qM - (1 - w₀ₘₐₓ/z₀)(q + qN)χ, (14.15)​

где qM - расчетная равномерно распределенная нагрузка на 1 м², приложенная непосредственно к оболочке с учетом ее веса (без учета веса диафрагм);

w₀ₘₐₓ - расчетный прогиб панели в середине пролета, определяемый по формуле (14.16);
q - эквивалентная по моменту в середине пролета расчетная равномерно распределенная нагрузка на 1 м² с учетом веса панели;
qN - вертикальная нагрузка на 1 м², эквивалентная по нормальной силе, возникающей в оболочке от предварительного напряжения панели, определяемая по формуле (14.20);
χ - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения сил сжатия в оболочке, определяемый по формуле (14.21).​

1 - ось оболочки; 2 - ось рабочей арматуры диафрагмы
Рисунок 14.6 - Расчетная схема панели-оболочки КЖС​

Величины, входящие в уравнение (14.15), определяют по формулам:

w₀ₘₐₓ = wᵧ - (wᵧ - wₚ)√(1 - q/qᵤ); (14.16)

wᵧ = (0,173l²/z₀Eₛ)[σᵧ(1 + αAₛ/A̅b) - σₛₚ₂ + 0,002Eₛ]; (14.17)

wₚ = -Pe₀ₚl²/6Eb1 Ired0; (14.18)

A̅b = bf δ₀; α = Eₛ/Eb; qᵤ = 8RₛAₛz₀/b₀l², (14.19)​

где σᵧ - предел текучести арматуры диафрагм, принимаемый по соответствующим ГОСТам;

wᵧ - прогиб панели, соответствующий началу текучести арматуры диафрагм;
wₚ - выгиб панели от сил предварительного напряжения;
Eₛ - модуль упругости рабочей арматуры диафрагм;
σₛₚ₂ - величина предварительного напряжения в арматуре с учетом всех потерь, определяемая по СП 52-102;​

qN = (8P/b₀l²)(Ired0/y₀Ared0 - e₀ₚ); (14.20)

χ = bf δ₀ y₀ z₀ / Ired0, (14.21)​

где δ₀ и Ared0 - толщина оболочки и площадь приведенного сечения панели в середине ее пролета;
P - равнодействующая усилий в напрягаемой арматуре с учетом всех потерь предварительного напряжения.​

Если в соответствии с формулой (14.21) χ > 1, то следует принимать χ = 1.

При определении изгибающей нагрузки qb,max величины σₛₚ₂ и P, входящие в формулы (14.17), (14.18) и (14.20), вычисляют при γₛₚ = 1,1.

14.1.13 Минимальную величину изгибающей нагрузки qb,max при равномерном нагружении панели определяют по формуле

qb,max = qM - (1 - w₀ₘᵢₙ/z₀)(q + qN)χ, (14.22)​

где w₀ₘᵢₙ - расчетный прогиб панели в середине пролета при нагрузке, равной q, определяемый по формуле

w₀ₘᵢₙ = wᵧ - (wᵧ - wₚ)√(1 - q/q'ᵤ), (14.23)​

здесь wᵧ, wₚ, qN, χ определяют по формулам (14.17), (14.18), (14.20), (14.21); σₛₚ₂, P определяют при γₛₚ = 0,9.

q'ᵤ = 8σᵧAₛ z₀/b₀l². (14.24)​

14.1.14 При нагружении панели-оболочки постоянной равномерно распределенной нагрузкой g в сочетании с нагрузкой от снега p, расположенной на левой половине пролета (рис.14.6), изгибающие нагрузки соответственно для левой qb,l и правой qb,r половин пролета определяют по формулам:

qb,l = qM,l - [1 - 2(1 + γ)w₀ₘₐₓ/(2 + γ)z₀][((3 + 2γ)/3)g + qN]χ; (14.25)

qb,r = qM,r - [1 - 2w₀ₘᵢₙ/(2 + γ)z₀][((3 + γ)/3)g + qN]χ, (14.26)​

где qM,l, qM,r - равномерно распределенные нагрузки, приложенные непосредственно к оболочке соответственно на левой и правой половинах пролета с учетом собственного веса оболочки;

γ - отношение временной (снеговой) к постоянной равномерно распределенной нагрузке, определяемое по формуле​

γ = p/g, (14.27)​

здесь w₀ₘₐₓ, w₀ₘᵢₙ - вычисляют по формулам (14.16) и (14.23), заменяя q на qc, определяемую по формуле​

qc = g + 0,5p. (14.28)​

14.1.15 При определении изгибающих нагрузок qb,l и qb,r соответственно вычисляют величины

• w₀ₘₐₓ и qN при γₛₚ = 1,1;
• w₀ₘᵢₙ и qN при γₛₚ = 0,9.

Предельная несущая способность оболочки на изгиб определяется на основе принципа предельного равновесия исходя из характерной схемы разрушения оболочек рассматриваемого типа (рис.14.7).

a - вид на диафрагму; б - план; 1 - оболочка; 2 - рабочая арматура диафрагм;
3 - трещины в диафрагме; 4 - пластические шарниры в оболочке
Рисунок 14.7 - Схема разрушения панели-оболочки КЖС​

В наиболее распространенном случае при армировании одной сварной сеткой с рабочими стержнями, расположенными вдоль образующей оболочки (т.е. поперек панели), и при схеме излома с тремя пластическими шарнирами (по оси панели и по линиям сопряжения оболочки с вутами диафрагм) qᵤ, кН на 1 м² оболочки, определяют по формуле

qᵤ = (8000RₛAₛ/lb²)(δₓ - RₛAₛ/Rb γb1), (14.29)​

где Rₛ - расчетное сопротивление рабочей арматуры оболочки, МПа;

Aₛ - площадь сечения рабочей арматуры, м², на 1 м оболочки;
lb - расстояние в свету между вутами диафрагм, м;
δₓ - толщина оболочки в рассматриваемом сечении, м.​

Абсолютные величины расчетных изгибающих нагрузок, найденные из уравнений (14.15), (14.22), (14.25) и (14.26), не должны превышать предельной изгибающей нагрузки, определенной по формуле (14.29).

 

Проверка прочности сопряжения оболочки с диафрагмой

14.1.16 Прочность сопряжения оболочки с диафрагмами рекомендуется проверять расчетом на изгиб сечений II-II и III-III (см. рис.14.5) при действии на оболочку расчетных изгибающих нагрузок, предполагая, что расчет самой оболочки на изгиб проведен заранее и величины расчетных изгибающих нагрузок при наименее благоприятных схемах нагружения известны. При этом принимается, что изгибающие моменты в вертикальном сечении II-II (у начала вута) и горизонтальном сечении III-III (по диафрагме) одинаковы. Величину расчетного изгибающего момента M₂ и M₃ для этих сечений определяют по формуле

M₂ = M₃ = -q[lb²/16 + (ab/2)(ab + lb)], (14.30)​

где q - расчетная изгибающая нагрузка для рассматриваемой схемы нагружения;

ab и lb - см. на рис.14.2.​

Величина изгибающего момента M₂ получается отрицательной, когда преобладающее действие оказывают нагрузки, расположенные на поле оболочки, и положительной, когда преобладают нагрузки, приложенные к диафрагмам. Если изгибающий момент M₂ отрицателен, то растянутой арматурой в сечении II-II (рис.14.5) служат поперечные стержни основной сетки 3 оболочки, а в сечении III-III - наружная подвеска 5, расположенная в вертикальном ребре жесткости диафрагмы. Площадь сечения этих арматурных элементов должна обеспечивать восприятие момента M₂. Если при всех комбинациях нагружения изгибающий момент M₂ остается отрицательным, то установка дополнительных сеток 7 в вутах и внутренних подвесок 6 в диафрагмах не требуется. Их устанавливают (по расчету) только в тех случаях, когда M₂ положителен.

Расчет покрытий на нагрузки от подвесных кранов

14.1.17 Покрытия из панелей-оболочек КЖС могут нести нагрузки от подвесных электрических кранов по ГОСТ 7890. Типовые схемы нагружения приведены на рис.14.8.

Рисунок 14.8 - Типовые схемы нагружения (а, б, в) покрытия
из панелей-оболочек КЖС подвесными кранами​

По схемам а и в максимальная грузоподъемность кранов составляет 5 т, по схеме б - 3,2 т. Балки крановых путей выполняются неразрезными. При расчете принимают, что на каждой колее могут находиться по два максимально сближенных крана. Коэффициенты сочетания крановых нагрузок между собой и коэффициенты их сочетания со снеговой нагрузкой принимаются по СНиП 2.01.07. У поперечного температурного шва следует предусматривать шарнирное соединение концов балок крановых путей, не препятствующее взаимному повороту их концевых сечений, но способное передавать вертикальную поперечную силу, возникающую от крановых нагрузок. При расчете следует учитывать максимально возможное приближение кранов к торцевой стене здания с учетом расположения торцевых упоров на балках крановых путей.

Основной задачей расчета является определение нагрузок, передающихся от кранов на панель-оболочку, находящуюся в системе покрытия. Задача решается по принципу расчета неразрезной балки кранового пути как балки на оседающих опорах, которыми служат диафрагмы панелей-оболочек. При этом связь между опорными давлениями балки и вертикальными перемещениями диафрагм принимается нелинейной. Расчет состоит из определения максимальных нагрузок, передающихся на диафрагмы панелей КЖС, и нагрузок от кранов, при которых возникают наибольшие отрицательные моменты в оболочке. В связи с тем что рассматриваемая задача является нелинейной, то в каждом случае она решается при условии одновременного воздействия нагрузок от покрытия и подвесных кранов в наименее благоприятных сочетаниях. Расчет рекомендуется выполнять численными методами с применением ЭВМ.

Конструирование панелей-оболочек КЖС и покрытий с их применением

14.1.18 Минимальная толщина оболочки должна быть не менее 30 мм; диафрагмы рекомендуется проектировать облегченной кессонированной конструкции с вертикальными ребрами жесткости и минимальной толщиной стенки, равной 40 мм. Минимальная толщина стенки в первом от опоры кессоне диафрагмы принимается равной 50 мм. Сопряжение оболочки с диафрагмами выполняется с применением пологих вутов (i = 1:5), как показано на рис.14.2.

14.1.19 Основную напрягаемую рабочую арматуру панели (рис.14.5) рекомендуется проектировать из двух предварительно напряженных элементов, расположенных в нижней утолщенной зоне диафрагм. Эта арматура проектируется из стержневой свариваемой стали классов А500-А800 и, как правило, выполняется из одного или двух вплотную расположенных стержней в каждом ребре (диафрагме). Возможно также применение в качестве напрягаемой арматуры панелей КЖС холоднодеформированной арматуры периодического профиля классов от Вр1200 до Вр1500 (Вр-II) и канатов К-7, К-19.

По концам напрягаемых элементов рабочей арматуры предусматриваются прикрепленные к ним стальные анкерные детали (см. рис.14.15). Эти детали должны обеспечивать надежное заанкеривание рабочей арматуры в бетоне опорного узла панели, так как эта арматура играет роль затяжек рассматриваемой сводчатой системы.

14.1.20 Армирование оболочки назначается по расчету и выполняется из сварной арматурной сетки рулонного типа. Площадь сечения арматуры (в % полной площади сечения бетона оболочки), расположенной в средней части пролета между точками 4-5 (см. рис.14.4), должна быть не менее: поперечной - 0,3; продольной - 0,2.

Диафрагмы, как правило, следует армировать сварными каркасами только в опорных зонах (на участках длиной 0,1l₀ или более, в зависимости от результатов расчета), а также стержнями-подвесками, расположенными в вертикальных ребрах диафрагм.

14.1.21 Панели КЖС рекомендуется проектировать из бетонов классов В25-В40 на сжатие в зависимости от размеров пролета и нагрузок. В тех случаях, когда это технически и экономически целесообразно в данном районе строительства, рекомендуется проектировать панели-оболочки КЖС из бетонов тех же классов на пористых заполнителях. Рекомендуется также проектировать комплексные панели-оболочки повышенной заводской готовности с эффективным плитным утеплителем (без стяжки) и кровлей, приклеенными на заводе.

Для пропуска вентиляционных шахт и установки крышных вентиляторов предусматривается изготовление панелей с отверстиями диаметрами 400, 700, 1000 и 1450 мм, расположенными по оси панели на различных расстояниях от торца, вокруг которых предусматривается соответствующее усиление оболочки по расчету.

Для устройства светоаэрационных или зенитных фонарей панели следует проектировать с проемами (рис.14.9) размером 2,5x6 м - для панелей размером 3x18 м и 2,5x9 м - для панелей 3x24 м.

а - план; б - продольный разрез по оси панели
Рисунок 14.9 - Панель-оболочка КЖС с проемом для светоаэрационного или зенитного фонаря​

По периметру фонарного проема в оболочке предусматривают плавное утолщение до 70-80 мм; сжатую зону диафрагм в пределах проема рекомендуется соответственно усиливать. В оболочке и в сжатой зоне диафрагм в соответствии с расчетом рекомендуется устанавливать дополнительную арматуру.

14.1.22 Для совместной работы панелей КЖС с каркасом здания должно быть предусмотрено их крепление сваркой во всех четырех углах панели к продольным несущим конструкциям покрытия. Это крепление рекомендуется осуществлять с применением листовых шарниров, обеспечивающих возможность поворота сечения панели в вертикальной плоскости. Листовые шарниры должны быть запроектированы так, чтобы они могли заранее на заводе привариваться к закладным деталям продольных конструкций. Жесткое крепление панелей, создающее их защемление на опорах, не допускается.

При проектировании рабочей арматуры из высокопрочной проволоки или стальных канатов конструкции анкеров должны обеспечивать возможность предварительного напряжения при натяжении арматуры с захватом за анкера арматурных элементов. При подъеме строповку панели следует осуществлять только за отверстия в угловых анкерных деталях (рис.14.5).

На всех стадиях производства, складирования, транспортирования и монтажа панель-оболочка должна опираться только на угловые анкерные детали. Транспортирование панелей КЖС предусматривается на транспортных средствах с жесткой (на изгиб и кручение) грузовой платформой, размеры которой должны быть не менее транспортируемых панелей.

14.1.23 Для производственных зданий, где требуется пропуск коммуникаций в пределах покрытия, разработана панель-оболочка коммуникационного типа (КСО) - короткая складка с двумя продольными диафрагмами в виде безраскосных ферм полигонального очертания (рис.14.10, а). Такие конструкции могут быть применены также и для устройства покрытий зальных помещений гражданских зданий.

а - покрытие с применением только панелей-оболочек КСО; б - покрытие с применением
панелей-оболочек КСО и дополнительных цилиндрических пластин-оболочек;
1 - панели-оболочки КСО; 2 - опорные конструкции в виде ферм;
3 - преднапряженные цилиндрические пластины-оболочки
Рисунок 14.10 - Покрытия с применением панелей-оболочек КСО​

Дополнительное улучшение показателей материалоемкости и стоимость этих покрытий связывают с применением комбинированного варианта. Такое покрытие собирается из панелей КСО и тонкостенных преднапряженных цилиндрических пластин-оболочек, укладываемых на верхние грани двух смежных панелей, раздвинутых на расстояние 3 м (рис.14.10, б).

 

14.2 Сегментные своды из панелей-оболочек КЖС

Общие положения

14.2.1 Сегментный свод из двух панелей-оболочек КЖС проектируется в виде трехшарнирной системы. Своды могут устанавливаться на продольные конструкции и колонны здания (рис.14.11) и служить несущей и ограждающей конструкциями покрытия либо устанавливаться непосредственно на фундаменты (рис.14.12) в случае применения для складов сыпучих материалов и других сооружений. В первом случае свод должен иметь затяжки, которые могут выполняться открытыми стальными или железобетонными с предварительным напряжением. Стрелу подъема свода рекомендуется принимать в пределах от ⅟9 до ⅛ его пролета.

1 - панель-оболочка КЖС; 2 - ключевой шарнир свода; 3 - затяжки; 4 - подвески
Рисунок 14.11 - Конструктивная схема сегментного свода для покрытий,
опирающегося на продольные балки каркаса здания


1 - панель-оболочка КЖС; 2 - ключевой шарнир; 3 - фундамент
Рисунок 14.12 - Конструктивная схема сегментного свода, опирающегося на фундаменты
​

Пролеты сводов, опирающихся на колонны и продольные конструкции, принимают равными 24, 36 или 48 м. При опирании на фундаменты пролеты сводов назначаются в зависимости от технологических требований и размеров применяемых панелей-оболочек КЖС, а также от стрелы подъема сооружения и могут достигать 40- 50 м.

14.2.2 Сегментный свод из трех шарнирно соединенных между собой панелей-оболочек КЖС приведен на рис.14.13. Свод включает в себя затяжки, соединяющие наружные края свода, и систему гибких связей, образующих пространственную связевую систему, которая в плане имеет форму ромбов (рис.14.13, б).

а - вид сбоку; б - план свода, состоящего по длине из 6 панелей-оболочек КЖС;
1 - опорная конструкция; 2 - панели-оболочки КЖС; 3 - затяжки; 4 - наклонные связи,
образующие в плане ромбическую систему связей; 5 - стойки, снабженные напрягающим устройством; 6 - дополнительные стержни, соединяющие нижние углы
треугольной решетки; 6' - опорная связь треугольной решетки
Рисунок 14.13 - Конструктивная система сегментного свода из трех панелей-оболочек КЖС
​

Стрелу подъема сводов, очерченных по дуге окружности, рекомендуется принимать равной 1/7 пролета. При этом пролеты сводов, составленных из панелей-оболочек 3х18 м и 3х24 м, равны соответственно 52 и 69 м между осями опорных конструкций.

Рекомендации по расчету сегментных сводов

14.2.3 Расчеты сводов следует выполнять численными методами с применением ЭВМ с учетом изменений геометрической схемы конструкции в процессе нагружения и к моменту исчерпания его несущей способности. Свод следует проектировать таким образом, чтобы исчерпание его несущей способности начиналось с появления текучести в материале затяжек.

Расчеты сводов выполняются на различные сочетания нагрузок, включающие симметричную и несимметричную снеговые нагрузки, интенсивность которых принимается в соответствии со СНиП 2.01.07 для покрытий сегментного очертания. В расчетах принимается сниженный модуль деформаций бетона в соответствии с п.5.6 настоящего СП.

14.2.4 Вертикальное перемещение wᵧ (осадку) ключевого узла свода из двух панелей-оболочек КЖС в момент начала текучести затяжек определяют по формуле

wᵧ = ½[fc - √(fc² - lcAₜσᵧ(2lₖ/EbA̅b cos²α + lcKₜ/EₛAₜ))], (14.31)
​

где Aₜ - площадь поперечного сечения стальных затяжек или рабочей арматуры железобетонных затяжек одной секции свода;

σᵧ - средний предел текучести материала стальных затяжек или рабочей арматуры железобетонных затяжек, принимаемый по соответствующим ГОСТам;
α и lₖ - см. рис.14.14;
Rᵧ - расчетное сопротивление материала стальных затяжек;
Rₛ - расчетное сопротивление рабочей арматуры железобетонных затяжек;
Eₛ - модуль упругости материала стальных затяжек или рабочей арматуры железобетонных затяжек;​

A̅b = bf δ₄₋₅; (14.32)

Kₜ = 1 - (σₛₚ - Δσₛₚ)/σᵧ, (14.33)​

где σₛₚ - предварительное напряжение в арматуре железобетонных затяжек до обжатия бетона при γₛₚ = 0,9;

Δσₛₚ - потери предварительного напряжения в арматуре затяжек при γₛₚ = 0,9; для открытых стальных затяжек Kₜ = 1.​

1 - панель-оболочка КЖС; 2 - упор затяжки; 3 - закладная деталь с отверстием для шарнира;
4 - ось рабочей арматуры диафрагм; 5 - ось затяжки; 6 - ось опорной конструкции
Рисунок 14.14 - Геометрическая схема трехшарнирного сегментного свода
​

Для определения осадки ключевого узла свода w при расчетных нагрузках в формулу (14.31) вместо σᵧ подставляют величину расчетных напряжений в стальных затяжках или рабочей арматуры железобетонных затяжек в соответствии с СП 52-101 и СП 53-102.

14.2.5 При расчете сегментного свода из трех панелей-оболочек в пролете при несимметричном нагружении в наклонных стержнях треугольной решетки (4) и в дополнительных стержнях (6) (рис.14.13) возможно появление небольших по величине сжимающих усилий, что недопустимо. Для их исключения в процессе сборки свода в них с помощью специальных устройств (см. п.14.29 настоящего СП) создаются предварительные растягивающие усилия, по величине превышающие возможные усилия сжатия, величина которых определяется в процессе расчета свода.

 

Конструирование сегментных сводов

14.2.6 Сегментные своды во всех случаях проектируют из панелей-оболочек КЖС шириной 3 м. Длину панелей для сводов из двух панелей-оболочек принимают равной 12, 18 и 24 м, а для сегментных сводов из трех панелей-оболочек длиной 18 и 24 м. В каждой секции свода из двух панелей-оболочек КЖС (монтажной секции) должны быть предусмотрены две затяжки. В своде, образованном из трех панелей-оболочек КЖС, внутренняя пространственная система, образованная ромбической системой связей, обеспечивает повышенную жесткость сводчатого покрытия, что позволяет располагать затяжки, воспринимающие распор, в швах каждой второй панели.

14.2.7 Опорный и ключевой узлы свода (рис.14.15) проектируют по принципу цилиндрического шарнира, расположенного в закладной детали с отверстием, приваренной к рабочей арматуре диафрагм. В узле соединяются закладные детали двух швов: с одной и двумя пластинами, причем суммарная толщина двух крайних пластин одной из деталей равна толщине средней пластины другой детали (сечение 1-1 на рис.14.15, а). Образование шарнирного соединения двух панелей-оболочек завершается пропуском металлического стержня (шарнира) в совпавшие отверстия пластин двух закладных деталей (рис.14.15, а). Опорный шарнир образован по типу ключевого, причем у крайних панелей опорная закладная деталь имеет две пластины, между которыми располагается металлическая пластина упора затяжки (рис.14.15, б, в). Оси затяжки, опорного шарнира и опорной конструкции сцентрированы в опорном узле свода.

Геометрическая схема сегментного свода приведена на рис.14.14. Схема опорного узла определяется взаимным расположением центра узла (точки C₁) и центра пяты свода (точка C₂). Линия, соединяющая эти точки, должна лежать на кривой давления свода при равномерно распределенной нагрузке, т.е. тангенс угла наклона этой линии к горизонту должен быть равен

tgα₀ = 4fc/lc. (14.34)


а - ключевой узел; б - опорный узел с железобетонными предварительно напряженными
затяжками; в - опорный узел с затяжками из стального проката; 1 - панель-оболочка КЖС;
2 - опорная конструкция; 3 - закладные детали с отверстием для шарнира; 4 - металлический
шарнир; 5 - арматура диафрагм плиты; 6 - затяжки из стального проката; 7 - преднапряженные
железобетонные затяжки; 8 - отверстие для строповки свода; 9 - закладная деталь опорной
конструкции; 10 - металлический упор затяжки
Рисунок 14.15 - Узлы сегментного свода​

14.2.8 Армирование диафрагм и оболочки следует назначать по расчету, но не менее конструктивного минимума, указанного в п.14.1.20 настоящего СП. Стержни-подвески в вертикальных ребрах жесткости диафрагм следует выполнять двойными, а в вутах сопряжения оболочки с диафрагмами - устанавливать конструктивные сетки 7 (см. рис.14.5).

14.2.9 В сегментных сводах, состоящих из трех панелей-оболочек КЖС, предварительные растягивающие усилия (см. п.14.2.5) в стержневых элементах (4) создаются с помощью стоек 5 (см. рис.14.13), оборудованных напрягающим устройством, позволяющим придавать удлинение стойке.

Растягивающее напряжение в стержневых элементах 6 создается с помощью различных устройств, простейшим из которых является талреп.

Монтаж сводчатого покрытия рекомендуется вести укрупненными монтажными блоками, состоящими из двух панелей-оболочек КЖС, соединенных по длинной стороне сваркой закладных деталей с установкой наклонных связей 4 - средний блок или наклонных связей 4 и 6' - крайние блоки, напрягаемых на сборочном стенде удлинением стойки 5.

14.3 Гиперболические панели-оболочки

Общие положения

14.3.1 Гиперболическая панель-оболочка представляет собой длинную оболочку отрицательной гауссовой кривизны, обрамленную продольными бортами и торцевыми диафрагмами (вертикальными или наклонными) с нижними горизонтальными гранями (рис.14.16 и 14.17), служащими для опирания панели-оболочки на поддерживающие конструкции. Линейчатая поверхность оболочки позволяет армировать панель прямолинейной предварительно напряженной арматурой.

a - с вертикальными торцевыми диафрагмами; б - то же, с наклонными;
в - поперечное сечение панели; г - план армирования панели с вертикальными
торцевыми диафрагмами; д - то же, с наклонными; 1 - продольный борт; 2 - диафрагма
вертикальная; 3 - то же, наклонная; 4 - каркас продольного борта; 5 - предварительно
напряженная холоднодеформированная арматура периодического профиля (арматурные
канаты); 6 - сварная сетка оболочки; 7 - арматура торцевой диафрагмы; 8 - верхняя
сварная сетка у торца панели; 9 - арматурная сетка в наклонной диафрагме
Рисунок 14.16 - Гиперболическая панель-оболочка,
армированная пакетами из высокопрочной проволоки


a - общий вид; б - поперечное сечение; в - план армирования; 1 - торцевое ребро;
2 - наклонная торцевая диафрагма; 3 - продольный борт; 4 - киль; 5 - каркас
продольного борта; 6 - сварная сетка оболочки; 7 - предварительно напряженная арматура;
8 - арматура торцевого ребра; 9 - верхняя сварная сетка у торца панели;
10 - то же, нижняя; 11 - верхняя сварная сетка над килем
Рисунок 14.17 - Гиперболическая килевая панель-оболочка​

14.3.2 Панели-оболочки с наклонными торцевыми диафрагмами применяются для покрытий однопролетных и многопролетных зданий, а с вертикальными торцевыми диафрагмами, как правило, только для однопролетных. Панели-оболочки с вертикальными торцевыми диафрагмами рекомендуется применять в покрытиях многопролетных зданий при опирании на широкие балки, что позволяет организовать водоотвод между торцами панелей.

14.3.3 Высоту сечения панели-оболочки в середине пролета рекомендуется принимать в пределах от 1/25 до 1/15 пролета. Стрелу подъема оболочки в продольном направлении рекомендуется принимать в пределах от 1/60 до 1/40 пролета.

Глубину волн f принимают в пределах 1/8-1/4 ширины b₀, ширину прямолинейных участков сечения - продольных бортов - 1/4-1/2 глубины волны f.

14.3.4 Если ширина и глубина волны ограничены, строительную высоту конструкции увеличивают путем введения продольного ребра-киля (см. рис.14.17 и 14.18). Для облегчения съема панели с формы боковые грани киля следует принимать с уклоном 1:50-1:20.

а - пролетом 12 м; б, в - то же, 18 м (со сплошным килем и с отверстиями в нем);
г - то же, 21 м (со сплошным и облегченным килем и с затяжкой);
д - то же, 24 м (с облегченным килем, с отверстиями в нем и с затяжкой)
Рисунок 14.18 - Поперечные сечения гиперболических панелей-оболочек​

С целью уменьшения массы большепролетных панелей-оболочек киль рекомендуется выполнять облегченным: с тонкой стенкой и вертикальными ребрами жесткости (см. рис.14.18, г и д) или с отверстиями (рис.14.18, в, д). Панели-оболочки с отверстиями в киле или с затяжками целесообразно применять при необходимости прокладки коммуникаций в пределах покрытия.

14.3.5 Бескилевые панели-оболочки рекомендуется армировать предварительно напряженной холоднодеформированной арматурой периодического профиля классов Вр1400 - Вр1500 или арматурными канатами классов К-7, К-19 в виде двух пакетов, расположенных по двум системам прямолинейных образующих (см. рис.14.16).

В килевых панелях-оболочках предварительно напряженную арматуру располагают в киле, ширину которого рекомендуется принимать достаточной для возможности размещения арматуры (см. рис.14.17).