Обеспечение поперечной и продольной неизменяемости и устойчивости зданий и сооружений
Содержание материала
- Обеспечение поперечной и продольной неизменяемости и устойчивости зданий и сооружений
- Принципы проектирования конструктивного остова деревянного здания
- Схема каркасного здания при шарнирном опирании стоек на фундаменты
- Расчетная схема работы стеновых щитов на ветровую нагрузку
- Пространственные связи в покрытиях и принципы их расчета
- Примеры крепления прогонов кровли
- Устройство ветровых связей при покрытии по пятиугольным фермам
- Обеспечение пространственной устойчивости плоскостных деревянных конструкций
- Схема связей
- Условие устойчивости и пространственное крепление узла Г нижнего пояса шпренгельных ферм
- Все страницы
Плоскостные конструкции (балки, арки, рамы, фермы и т. д.) предназначены для восприятия нагрузок, действующих в их плоскости. В зданиях или сооружениях различные плоскостные конструкции при взаимном соединении образуют пространственную конструкцию, которая должна обеспечить надежное восприятие внешних сил любого направления при наиневыгоднейшем сочетании их в соответствии с условиями эксплуатации. При этом передача усилий от одних частей сооружения на другие вплоть до его основания должна проходить без какого-либо нарушения пространственной неизменяемости, устойчивости, жесткости и прочности всей пространственной конструкции в целом и отдельных ее частей.
При транспортировании и монтаже сборных конструкций может возникнуть необходимость устройства специальных креплений, обеспечивающих неизменяемость, прочность и устойчивость этих конструкций.
Принципы проектирования конструктивного остова деревянного здания
Общая устойчивость остову деревянного здания может быть придана следующими способами.
Рис. 1. Поперечное сечение деревянного каркасного здания с защемленными в земле стойками, имеющими на концах пасынки (деревянные антисептированные, железобетонные или металлические):
1-подкосы; 2-пасынки.
Рис. 2. Каркас здания с кансольно защемленными в фундаментах стойками сплошной или сквозной конструкции
Первый способ. Поперечную и продольную устойчивость здания создают пространственным защемлением каждой из стоек каркаса в грунте. Верхние концы стоек связывают через обвязку с элементами покрытия (рис. 1). Во избежание возможного в некоторых случаях перекашивания зданий в связи с деформациями грунта в местах защемления стоек в крайних пролетах продольных и торцовых стен, а также в промежуточных пролетах целесообразно устанавливать связи с интервалом 20 - 30 м. Для увеличения срока службы такого здания необходимо нижнюю часть стоек, зарытую в землю, антисептировать, чтобы не было быстрого загнивания. Предпочтительнее нижние концы стоек располагать выше уровня пола и прикреплять их болтами или хомутами к сменяемым деревянным, а еще лучше - железобетонным пасынкам. Этот способ получил широкое распространение в строительстве временных зданий.
Второй способ. Поперечная устойчивость здания обеспечивается защемлением в фундаментах плоских деревянных стоек, решетчатых или клееных (см. рис. 2).
Решетчатые стойки защемляют натяжными анкерами. Прикрепление клееных стоек к фундаменту показано на рис. 3.
Рис. 3. Способ защемления деревянных клееных стоек.
Анкерами служат стальные полосы, заделываемые в фундамент и рассчитываемые на максимальное отрывающее усилие Nа, определяемое при наиневыгоднейшем сочетании нагрузок. К анкерным полоскам приварены равнобокие уголки. В опорной части клееная стойка на длине lск, определяемой по расчету на скалывание с прижимом, имеет увеличенную высоту сечения для образования наклонных площадок смятия под углом 30 - 45°, на которые укладывают уголки. Сквозь консольные части уголков с двух сторон стойки проходят перекрестные тяжи с нарезкой на обоих концах. В месте пересечения они приварены к стальным пластинкам, прилегающим вплотную к боковым граням клееной стойки.
Усилие в тяже определяют по формуле
Усилие, воспринимаемое площадкой смятия
Площадка скалывания воспринимает усилие
Продольную устойчивость здания с плоскими стойками создают постановкой связей по продольным стенам и между внутренними стойками, если таковые имеются, в продольном направлении. Для неизменяемости каркасных торцовых стен в их крайних пролетах также ставят аналогичные связи.
Третий способ. Поперечную устойчивость здания обеспечивают, применяя простейшие комбинированные и подкосные системы, рамные системы или арочные конструкции, передающие распор непосредственно на фундаменты.
Продольная устойчивость здания может быть создана постановкой связей по продольным линиям стоек (рис. 4).
Рис. 4. Схема каркасного здания при шарнирном опирании стоек на фундаменты и шарнирном примыкании к элементам кровельного покрытия.
Стеновые щиты при этом располагают с наружной стороны стоек. Продольную устойчивость зданию с арочными конструкциями, опертыми непосредственно на фундаменты, придают связи, расположенные в конструкции кровельного покрытия, а пространственную устойчивость нижним поясам - поперечные связи, соединяющие арки попарно.
Четвертый способ. Устойчивость каркасного здания при шарнирном опирании стоек на фундаменты и шарнирном примыкании их к элементам покрытия можно создать лишь в том случае, если конструктивные элементы покрытия и стен не только будут достаточно прочными, жесткими и устойчивыми для восприятия всех действующих на них нагрузок, но и создадут неизменяемые, жесткие и устойчивые диафрагмы, образуя тем самым неизменяемую, жесткую и устойчивую пространственную коробку. Для этого в плоскости покрытия можно использовать применяемый в качестве основы под рулонную кровлю щитовой настил, связанный гвоздями с прогонами; в стенах могут быть использованы косые обшивки или специальные связи между стойками каркаса (см. рис. 2 и 4).
Участие ограждающих частей здания в обеспечении его пространственной устойчивости, которую устанавливают поверочным расчетом, возможно только при относительно малых размерах здания.
Устойчивость и жесткость зданий, собираемых из готовых щитов дощато-гвоздевой или клеефанерной конструкции заводского изготовления, перекос которых предотвращается устройством внутренних раскосов, диагональной обшивкой или оклейкой фанерой, может быть обеспечена, как и в предыдущем случае, жесткой горизонтальной диафрагмой чердачного перекрытия или наклонным кровельным покрытием, надежно сопротивляющимся перекосу стен. Для этого необходимо, чтобы жесткость и устойчивость поперечных стен была достаточной для восприятия в своей плоскости горизонтальных сил от ветра, передающихся от продольных стен через горизонтальную диафрагму (рис. 5). При этом щиты продольных стен, непосредственно воспринимающих ветровую нагрузку, работают как однопролетная плита, опертая внизу на фундамент, а вверху на горизонтальную диафрагму. Щиты поперечных стен, параллельных направлению ветра, работают в своей плоскости на перекос и опрокидывание.
Рассматривая устойчивость поперечной стены как суммарную устойчивость составляющих ее щитов, связанных между собой нащельниками на гвоздях, определяем расчетное ветровое давление, воспринимаемое поперечной стеной
где n - число щитов в поперечной стене; G1 - постоянная вертикальная нагрузка от веса перекрытия и кровли, передающаяся через верхнюю обвязку на один щит; G2 - вес одного щита; b - ширина щита; h - высота стены; Тгв - расчетное усилие, воспринимаемое одним гвоздем; nгв - количество гвоздей, прикрепляющих нащельник к одному щиту; W1 - ветровая нагрузка с наветренной стороны на 1 м длины верхней обвязки продольной стены; W2 - то же, с заветренной стороны; l - расстояние между поперечными стенами; kЗ - коэффициент запаса на опрокидывание, принимаемый 1,4.
Рис. 5. Расчетная схема работы стеновых щитов на ветровую нагрузку:
1-щиты чердачного покрытия; 2-стеновые щиты.
Пространственные связи в покрытиях и принципы их расчета.
Ветровое давление, передающееся на деревянную торцовую стену каркасной конструкции небольшой высоты, распределяется между фундаментом и верхним покрытием с помощью работающих на изгиб вертикальных стоек каркаса. Конструкция покрытия в этом случае должна передавать ветровое давление через верхнюю обвязку продольным стенам, которые, в свою очередь, должны иметь в своей плоскости связи, рассчитанные на передачу этих усилий фундаментам. При устройстве в качестве основы под рубероидную кровлю щитового перекрестного настила покрытие превращается в неизменяемую и жесткую диафрагму. В этом случае расчет сводится к проверке прочности:
а) прикрепления верхних концов стоек каркасной стены к прогонам на передачу ветрового давления;
б) гвоздевой пришивки прогонов к щитовому настилу, скрепленному диагональными элементами;
в) соединения гвоздями обоих щитовых настилов для перекрытия их стыков, расположенных вразбежку;
г) прикрепления настила, связанного с диагональными элементами, к верхней обвязке каркасных деревянных стен.
Указанное решение покрытия обеспечивает хорошее закрепление плоских деревянных конструкций в проектном положении.
Жесткость покрытий с одинарным настилом или с обрешеткой без диагональных элементов недостаточна для восприятия ветровой нагрузки и закрепления плоскостных деревянных конструкций в проектном положении. В этом случае при наличии деревянных каркасных стен необходимо устройство в плоскости верхних поясов несущих конструкций горизонтальных связей, располагаемых в торцовых частях здания и по его длине на расстоянии не более 20 м (рис. 1).
Для покрытия, выполненного из разрезных кровельных панелей, жестких и неизменяемых в своей плоскости, требуется установка монтажных связей, которые прикрепляют непосредственно к основной несущей конструкции (рис. 1, б).
Горизонтальные связи, воспринимающие ветровую нагрузку, образуют в плоскости верхних поясов двух соседних несущих конструкций решетчатую ферму, которая передает действующие в ее плоскости усилия на продольные стены. При жестких торцовых стенах, воспринимающих ветровую нагрузку, и небольшой длине здания (до 20 м) устойчивость плоских деревянных конструкций может быть создана прогонами кровли, надежно скрепленными с верхним поясом фермы и заанкеренными своими концами в торцовые каменные стены (рис. 2). При этом стыки разрезных или консольно-балочных прогонов должны быть перекрыты накладками на гвоздях.
В средней части зданий большой протяженности, кроме того, устраивают горизонтальные связи (см. рис. 1) на расстоянии около 20 м от торцовой стены и. одни от других.
На рис. 3 показана пространственная схема здания с покрытием по пятиугольным фермам; в торце здания сделан проем для ворот. Ветровую нагрузку, приходящуюся на площадь F1, воспринимают нижние опорные устройства раздвижных ворот. Давление на площадь F3 передается через прогоны бесчердачному покрытию, а давление на площадь F2 воспринимается специальной горизонтальной надворотной фермой, подвешенной к основным фермам на уровне затяжек и передающей ветровую нагрузку продольным стенам здания.
Кровельное покрытие, воспринимающее давление ветра с площади F3, не примыкает непосредственно к настенному брусу. Для передачи этого ветрового давления на настенный брус в панелях фонаря должны быть предусмотрены связи. Для большей светопрозрачности фонаря такие связи часто выполняют перекрестными из круглой стали (рис. 4).
Рис. 2. Примеры крепления прогонов кровли:
а-к ферме; б-к торцевым стенам.
Рис. 3. Устройство ветровых связей при покрытии по пятиугольным фермам:
1-связи в плоскости покрытия (также связи должны быть с противоположного конца, на рисунке не показаны); 2-вертикальные связи (см. рис. 4.); 3-надворотная ветровая ферма; 4-ворота.
Рис. 4. Перекрестные связи световой плоскости фанарей (к рис. 3.)
Обеспечение пространственной устойчивости плоскостных деревянных конструкций
Рассмотренные ранее пространственные крепления. воспринимающие ветровые усилия, в то же время служат для предупреждения выпучивания сжатого контура плоскостных деревянных конструкций. В большинстве случаев сжатый пояс в них раскрепляют прогонами кровли, которые должны быть прочно прикреплены к верхнему поясу, и настилам кровли.
В арочных конструкциях помимо верхних (сжатых) поясов следует раскреплять и нижние сжатые пояса арок, а в некоторых рамных конструкциях - внутренний контур рамы, который может быть сжат на всей своей длине или на части ее, особенно при несимметричном приложении нагрузок. Нижние пояса раскрепляют (при пространственно устойчивом верхнем покрытии) устройством вертикальных связей. Учитывая деформации в соединениях связей, за расчетную длину сжатого нижнего пояса при проверке его устойчивости следует принимать расстояние между связями, увеличенное на 25 %.
Основным типом поперечных вертикальных связей являются жесткие связи, соединяющие попарно вдоль здания соседние конструкции (рис. 5). Вертикальные связи не следует делать непрерывными по всей длине здания, так как при обрушении по какой-либо причине одной из несущих конструкций она перегрузит через связи соседние конструкции, что может привести к последовательному обрушению всего покрытия.
Рис. 5. Вертикальные поперечные связи:
а-правильно; б,в-неправильно.
Устройство вертикальных связей в виде подкосов (рис. 5, б) нецелесообразно. Если по длине здания будет действовать снеговая нагрузка различной интенсивности (рис. 5, в), то подкосы не предупредят, а наоборот, будут способствовать выпучиванию закрепляемого ими пояса фермы.
Связи рассчитывают на усилия, направленные перпендикулярно плоскости раскрепляемой конструкции. В случае раскрепления верхнего сжатого пояса ферм связями, расположенными в плоскости покрытия, расстояние между узлами закрепления b устанавливают в соответствии с условиями гибкости пояса из плоскости фермы. При этом каждый узел закрепления рассчитывают на силу Q = bqсв. Значение qсв 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 qв - расчетная равномерно распределенная вертикальная нагрузка на 1 м горизонтальной проекции несущей конструкции покрытия, Н/м; при наличии иных видов нагрузок (сосредоточенной, распределенной на части пролета и т п) они должны быть приведены к эквивалентной равномерно распределенной по всему пролету; п - общее число основных несущих конструкций на всю длину здания в рассматриваемом пролете; t - общее количество поперечных связевых ферм (в том числе заменяющих их торцовых стен) на всю длину здания в одном пролете; Sсв - горизонтальная проекция длины панели связевой фермы или расстояние между точками крепления элементов покрытия к несущим конструкциям, м.
Рис. 6. Схема связей:
а-поперечные связи; б-связи, располагаемые в плоскости сжатых нижних поясов.
При раскреплении нижних поясов ферм арочной конструкции попарно поперечными связями (рис. 6, а) последние воспринимают, таким образом, горизонтальные силы Q от двух смежных поясов и передают их в плоскости верхних поясов или на жесткую систему кровельного покрытия, образуемую щитовым настилом, либо на ветровые фермы или специальные связи.
Близко расположенные друг от друга арочные или рамные конструкции иногда соединяют попарно решетчатыми связями, располагаемыми в плоскости нижних сжатых поясов (рис. 6, б). Такие связи рассчитывают как горизонтальные фермы, имеющие пролет, равный длине нижнего пояса полуарки. Такое решение связей менее рационально. При этом связи по верхнему поясу должны быть рассчитаны на восприятие не только горизонтальных сил от закрепляемых узлов верхнего пояса, но и от реактивных сил в верхнем шарнире и от горизонтальных ферм по нижнему поясу.
Если к одной системе связей прикреплены сжатые контуры нескольких плоских конструкций, то усилия, передающиеся на узлы связей, принимают равными nQ {п - количество раскрепляемых конструкций).
Бывают случаи, когда даже при отсутствии активных сил, действующих перпендикулярно плоскости конструкции, приходится принимать меры к пространственному креплению ее растянутого контура. Примером таких конструкций являются шпренгельные системы (рис. 7).
Рис 7. Условие устойчивости и пространственное крепление узла Г нижнего пояса шпренгельных ферм
Шпренгельные конструкции характеризуются пониженным по отношению к линии опор расположением нижнего пояса в средней части пролета и по крайней мере одним переломом в его очертании - в месте сжатой стойки. Если при. этом верхний пояс расположен выше уровня опор, то равновесие узла Г устойчивое (рис. 7, а). При отклонении узла Г из плоскости системы он стремится вернуться в прежнее положение. Если верхний пояс расположен ниже уровня опор, узел Г находится в неустойчивом положении (рис. 7, в). При прямом верхнем поясе равновесие узла Г становится безразличным (рис. 7, б).
На практике применяют шпренгельные конструкции с расположением верхнего пояса по схемам, приведенным на рис. 7, а, б. Однако неизбежный прогиб под максимальной нагрузкой превращает схему б в схему в и узел Г становится также неустойчивым. Поэтому варианты б и в требуют обязательного устройства вертикальных связей. Устройство вертикальных связей необходимо при любой схеме конструкции, если к нижнему поясу ее приложены активные силы, действующие перпендику
лярно ее плоскости, например силы торможения от подвесного транспортного оборудования. Во многих случаях сечения элементов связей приходится назначать по конструктивным соображениям, при этом предельная максимальная гибкость элементов не должна превосходить 200.
При применении в конструкции покрытия кровельных панелей последние могут быть использованы также для закрепления сжатого контура плоских деревянных конструкций. При этом связи, соединяющие панели с закрепляемым сжатым элементом, располагают равномерно по всей его длине и рассчитывают на усилие q.