Рамы и арки.
Здания производственного и гражданского назначения часто проектируются таким образом, что колонны и ригели, шарнирно или жестко соединяясь между собой, работают совместно, образуя рамную конструкцию.
Такая совместная работа значительно снижает изгибающие моменты в ригеле и повышает поперечную жесткость и устойчивость сооружения.
Рамы могут иметь различные очертания, могут выполняться одно- и многопролетными, различной этажности. Расчет рам состоит из статического (определение М, Q, N в ригеле и стойке) и конструктивного (подбор сечений ригеля и стойки) расчетов.
Рамы выполняются из стали, дерева или железобетона. Выбор материала зависит от технологичности изготовления и монтажа, а также способа транспортирования.
Система плоских рам, объединенная в пространственную конструкцию называется каркасом.
Стальные рамы применяют в качестве каркасов с большими пролетами (самолетные ангары, выставочные павильоны) или
каркасов для цехов с большими крановыми нагрузками, в высотных зданиях.
Деревянные рамы выполняются главным образом из клееной древесины для перекрытия складов, гаражей, с/х построек пролетами 12-30 метров (до 60 метров) с шагом от 3 до 6 метров. Достойнства: легкость и простота монтажа.
Железобетонные рамы выполняются монолитными и сборными. Более распространенными являются сборные рамы, являющиеся частью каркаса здания.
Каркас одноэтажного промышленного здания разбивается на поперечные и продольные рамы. Поперечная рама является основным элементом каркаса, она состоит из ригелей (2), шарнирно или жестко соединенных с колоннами (1), которые обычно жестко защемлены в фундаменте (5), плит покрытия(3).
Продольная рама в отличие от поперечной включает один ряд колонн, и продольные конструкции: вертикальные связи (4), подкрановые балки, конструкции покрытия. Система связей обеспечивает геометрическую неизменяемость каркаса во время эксплуатации и несущую способность в продольном направлении.
Представляют собой конструкции криволинейного (дугообразного) очертания.
Особенностью работы арки является возникновение распора, т.е. горизонтального давления на опоры даже при действии только вертикальных нагрузок. Парки могут перекрывать большие пролеты и более экономичны по сравнению с балками.
По статической схеме работы различают бесшарнирные (а), двухшарнирные (б), трехшарнирные (в) арки и арки с затяжкой (г).
Бесшарнирные арки самые легкие, но всякое смещение опор вызывает значительные дополнительные усилия. Трехшарнирные арки являются статически определимыми, менее чувствительными к вертикальным осадкам. Если передача распора на фундаменты нежелательна, то в арках устраивают затяжки, как на уровне пола, так и на некоторой высоте. Арки с затяжками дополненные подвесками используются в качестве стропильных конструкций.
Металлические арки могут перекрывать пролеты до 150 метров (наиболее целесообразны при пролетах 60-80 метров). Железобетонные арки перекрывают пролеты до 100 метров (оправдано применение при пролетах более 36 метров).
Деревянные арки выполняются пролетами до 60 метров. Возможно выполнение арок из камня и кирпича обычно небольших пролетов (дверные и оконные проемы).
Понятие о расчете арок
Расчет заключается в определении внутренних усилий и подбора размеров сечения. Наиболее простым является расчет трехшарнирной арки
Первоначально в таких арках определяется величина распора Н, который при равномерно распределенной нагрузке q по всей длине арки равен:
где f – стрела подъема.
После определения распора находят внутренние усилия в любом сечении – «к» арки:
Мко и Qко – балочные изгибающие моменты и поперечные силы, определяемы для балки, которая имеет такой же пролет и нагрузки как и рассчитываемая арка;
ук – ордината рассматриваемой точки (сечения арки);
α – угол наклона между касательной к оси арки в рассматриваемой точке и горизонталью.
Если определить усилия в сечениях арки, проведенных через 1 – 2 метра, то можно построить эпюры Мк , Qк , Nк, которые дают более точное представление об изменении усилий в арке по её длине.
Кривая давления в арке от постоянной равномерно распределенной нагрузки – парабола, поэтому чаще форму арки принимают параболической. Уравнение квадратной параболы имеет вид:
Однако, для удобства изготовления аркам могут придавать очертания дуги окружности, эллипса.