неизменяемости и устойчивости зданий и сооружений

Обеспечение поперечной и продольной

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1 Скатные деревянные связи в покрытии по стропильным фермам

Рис. 2. Примеры крепления прогонов кровли:

а - к брусчатому верхнему поясу фермы; б - к кирпичным торцевым стенам.

В средней части зданий большой протяженности, кроме того, устраивают связевые фермы на расстоянии обычно не более 20 м от торцовой стены и одни от других (см. рис. 1). Общее требование: шаг таких скатных связевых ферм не должен превышать 30 м.

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

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

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

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

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

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

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

3 - надворотная ветровая ферма; 4 - ворота.

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

Рис. 5. Определение нагрузок на вертикальные поперечные связи

Основы расчета связей

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

Значение q_св определяют по формулам

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

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

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

при отрицательном изгибающем моменте в пролете

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

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

Рис. 6. Схема связей:

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

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

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

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

Бывают случаи, когда даже при отсутствии активных сил, действующих перпендикулярно плоскости конструкции, приходится принимать меры к пространственному креплению ее растянутого контура. Примером таких конструкций являются шпренгельные балки (рис. 7), стойки которых в обязательном порядке должны раскрепляться попарно..

Рис 7. Условие устойчивости и пространственное крепление узла Г

нижнего пояса шпренгельных балок или ферм

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

На практике применяют шпренгельные конструкции с расположением верхнего пояса по схемам, приведенным на рис. 7, а, б. Однако неизбежный прогиб под максимальной нагрузкой превращает схему б в схему в и узел Г становится также неустойчивым. Поэтому варианты б и в требуют обязательного устройства вертикальных связей. Устройство вертикальных связей необходимо при любой схеме конструкции, если к нижнему поясу ее приложены активные силы, действующие перпендикулярно ее плоскости, например силы торможения от подвесного транспортного оборудования. Во многих случаях сечения элементов связей приходится назначать по конструктивным соображениям, при этом предельная максимальная гибкость элементов не должна превосходить значения λ_u = 200.

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

Иллюстрации