Научная статья на тему 'Ограждающие конструкции из тонколистового трапециевидного профиля'

Ограждающие конструкции из тонколистового трапециевидного профиля Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
405
71
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОФИЛИРОВАННЫЙ ЛИСТ / ЗДАНИЕ / АРКА / КОНСТРУКЦИЯ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Беляев Никита Владимирович, Рудак Алексей Витальевич

В статье рассмотрены варианты покрытий, объединяющих в себе несущие и ограждающие функции с использованием гладкого тонкого листа, работающего по мембранной схеме. В результате использования такого вида ограждающих конструкций снижается расход материала и упрощается монтаж.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Беляев Никита Владимирович, Рудак Алексей Витальевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Ограждающие конструкции из тонколистового трапециевидного профиля»

Библиографический список

1. Безрук В. М. Теплопроводность битумиро-ванных грунтов // Строительство дорог. - 1941. -№5-6. - С.20-21.

2. Кондратьев Г. М. Регулярный тепловой режим. - М.: Гостехиздат, 1954. - 408 с.

3. Бушмакина В. М., Рыбьев И. А. Исследование теплотехнических характеристик асфальтобетона // Опыт строительства асфальтобетонных покрытий: Тр. мАдИ. - М.: Автотрансиздат, 1958. -Вып. 23. - С. 111-117.

4. Лыков А. В. Теоретические основы строительной теплофизики. - Минск: Изд-во АН БССР, 1961. - 519 с.

5. Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев на пучиноопасных участках автомобильных дорог. -М.: Союздорнии, 1976. - 97 с.

6. Шульман З. П., Ковалев Я. Н., Зальцгендлер Э. А. Реофизика конгломератных материалов. -Минск: Наука и техника, 1978. - 240 с.

7. Шестаков В. Н. Теплофизические основы технологии строительства автомобильных дорог в зимнее время. - Омск: Изд-во ОмПИ, 1988. - 88 с.

8. Пермяков В. Б., Седельникова Ю. С. Математическая модель остывания асфальтобетонной смеси // Известия вузов. Строительство. - 2004. - №4. - С.86-91.

9. Завьялов М. А. Термодинамическая теория жизненного цикла дорожного асфальтобетонного покрытия. - Омск: СибАДИ, 2007. - 283 с.

10. Завьялов М. А., Завьялов А. М. Теплоемкость асфальтобетона // Строительные материалы. - 2009. - №7. - С.6-9.

Asphalt concrete thermal analysis

M. A. Zavyalov

It is considered the interrelation between specific and volume thermal capacities of asphalt concrete during road pavement construction and operation.

Завьялов Михаил Александрович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Высшая математика» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - транспортное строительство. Имеет более 50 опубликованных работ. E-mail: zavyalov_ma@sibadi. org.

Статья поступила 17.09.2009 г.

УДК 692.4:

ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ТОНКОЛИСТОВОГО ТРАПЕЦИЕВИДНОГО ПРОФИЛЯ

А.В. Рудак, аспирант, Н.В. Беляев, канд. техн. наук

Аннотация. В статье рассмотрены варианты покрытий, объединяющих в себе несущие и ограждающие функции с использованием гладкого тонкого листа, работающего по мембранной схеме. В результате использования такого вида ограждающих конструкций снижается расход материала и упрощается монтаж.

Ключевые слова: профилированный лист, здание, арка, конструкция.

Введение

Среди видов прокатных изделий особого внимания заслуживает сортамент стальных оцинкованных профилированных листов для ограждающих конструкций стен и кровель. Кровли на основе оцинкованного стального профилированного листа и эффективного утеплителя положили начало целой серии новых складывающихся мобильных каркасов покрытий зданий. И, наконец, на базе этого нового типа ограждающих конструкций стен и кровель возникла целая отрасль так называемых легких металлических конструкций одноэтажных зданий, комплектно поставляемых

на стройки с множеством специализированных заводов-изготовителей.

Длительное время производились изыскания возможности применения ограждения в работу основных пролётных конструкций. За рубежом ещё в 50 - 60 годы было разработано немало оригинальных покрытий, объединяющих в себе несущие и ограждающие функции. Однако большого распространения они не получили из-за сложности утепления и соединения элементов. Использование гладкого тонкого листа, работающего по мембранной схеме, позволило разработать ряд новых эффективных пролётных конструкций, в которых идея совмещения нашла яркое выражение [1].

Профилированные листы для изготовления ограждающих конструкций различаются по назначению и материалу исходной заготовки.

По назначению профилированные листы подразделяют на типы:

Н - для настила покрытий;

НС - для настила и стеновых ограждений;

С - для стеновых ограждений.

По материалу исходной заготовки профилированные листы подразделяют:

- на листы из тонколистового оцинкованного проката по ГОСТ 14918;

- на листы из тонколистового проката с алюмоцинковым покрытием по ТУ 14-11 -24788 (обозначение АЦ);

- на листы из тонколистового алюминирован-ного проката и проката с алюмокремниевым покрытием по ТУ 14-11-236-88 (обозначение А и АК);

- на листы из тонколистового проката с электролитическим цинковым покрытием по ТУ 14-1-4695-89 (обозначение ЭОЦП).

В качестве примера можно привести профилированный лист типа Н высотой 57 и 60 мм, изображенный на рисунке 1.

Рис. 1. Профилированный лист

Конструктивные особенности проектирования арочных покрытий

В качестве основных несущих элементов арки успешно применяют для зданий спортивно-зрелищного и общественного назначения при больших пролетах и преобладании равномерно распределенных нагрузок. По затрате металла арочные покрытия, как правило, более экономичны, чем балочные или рамные системы. Распор арок рекомендуется переда-

вать через фундамент и грунт. В случае особо неблагоприятных грунтовых условий распор может быть воспринят затяжкой, устанавливаемой ниже уровня пола. Затяжки устраивают также при опирании арок на колонны или высокие опоры небольшой жесткости. Общий вид двухслойного несущего арочного покрытия из тонколистового металлического проф-настила представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Схема двухслойного несущего арочного покрытия из тонколистового металлического профнастила

По статической схеме арки подразделяются на трехшарнирные, двухшарнирные и бес-шарнирные. Наиболее распространенными

являются двухшарнирные арки: они достаточно просты в изготовлении и монтаже, нечувствительны к неравномерным вертикальным

смещениям опор, а напряжения от изменения температуры в них несущественны. Трехшарнирные арки, как статически определимые системы, безразличны к осадкам опор и температурным воздействиям, однако, устройство шарнира в ключе осложняет как конструкцию самих арок, так и решение кровельного покрытия. Бесшарнирные арки обладают преимуществами большей жесткости и меньшего расхода металла, вместе с тем они связаны с устройством более мощных опор и требуют обязательного расчета на прогнозируемую разность осадок опор и температурные воздействия. По совокупной стоимости стальных конструкций и фундаментов все три типа арок примерно равноценны. Арочные покрытия по типу компоновки основных конструкций могут быть плоскостными или блочными. Учитывая малую жесткость из своей плоскости рационально монтаж осуществлять в виде спаренных арочных элементов. Наиболее рациональная высота арки находится в пределах 1/4 - 1/6 пролета. Очертание арки должно возможно ближе соответствовать кривой давления. Кривая давления в арке от постоянной нагрузки - парабола, поэтому чаще всего форма арки принимается параболической. Однако для удобства изготовления элементы арок принимаются иногда очерченными по дуге круга или даже прямолинейными, если это не нарушает архитектурных требований. В пологих арках дуга круга почти совпадает с параболой; в более высоких арках параболу целесообразно заменять сочетанием дуг окружностей различных радиусов. Высота сечения арки зависит от пролета и соотношения между величинами постоянной и временной нагрузок и принимается для решетчатых арок в пределах 1/30 - 1/60 пролета, для сплошных сечений 1/50 - 1/80. Сплошные сечения в арках следует принимать при условии возможности вальцовки прокатных профилей. Сечения сквозных арок рекомендуется назначать постоянной высоты, т.е. с параллельными поясами, что наиболее полно отвечает характеру изменения усилий по длине. Вместе с тем имеется немало случаев применения переменных по высоте сечений, например, серповидных в двух- и трехшарнирных арочных покрытиях. Шарниры в пятах и ключе арок рекомендуется делать плиточными с центрирующей прокладкой. Для восприятия поперечных сил служат ограничители, расположенные с двух сторон основной плиты шарнира. Применявшиеся в прежней практике литые балан-сирные шарниры могут также использоваться.

Однако они значительно дороже и поэтому не могут быть рекомендованы [1].

Существующие методы расчета арок

Арочные конструкции рассчитывают на вертикальные нагрузки от собственного веса конструкций покрытия и снега, а также на ветровые нагрузки, температурные воздействия и, в отдельных случаях, на ожидаемую разность смещения опор. Конфигурация арки может быть принята по параболе, кругу, эллиптической кривой, цепной линии в соответствии с очертанием многоугольника действующих сил и одновременно принимая во внимание архитектурные требования. Как известно, уравнение кривой арки, очерченной по параболе, описывается уравнением

y = 4fx(l - x)//2,

где l - пролет; f - стрела подъема; x, y - текущие координаты [2].

При вертикальной равномерно распределенной нагрузке по всему пролету для двухшарнирной арки:

- распор H = q/2/8f;

- нормальная сила N = q/2/8fcos а, где а -угол наклона касательной к оси арки;

tg а = 4f(/ - x)//2

Изгибающие моменты от сосредоточенной силы P в двухшарнирной арке определяются вычитанием из моментов М0 ( для балки на двух опорах ) моментов от распора

H = 0.625P ab(1 + ab/F)/f/,

где а и b расстояния силы P от левой и правой опор.

Для случая равномерно распределенной нагрузки на половине пролета двухшарнирной

параболической арки:

- распор НА = НВ = q/2/16f;

- вертикальные реакции RA = 3q//8; RB = q//8;

Mx = M0 - Hy ; Nx = Q0 sin а + H cos а ; Qx = Q0 cos а - H sin а;

- максимальный момент в четверти пролета M = q/2 /16.

В формулах M0 и Q0 - изгибающий момент и поперечная сила, подсчитанные для балки на двух опорах при загружении полупролета, остальные обозначения прежние.

В бесшарнирных параболических арках опорные моменты и распор от сосредоточенной нагрузки определяются по формулам:

H = 15Pa2b2/4/V;

Ма = Pab2(1.5а - b)//3;

Мб = Pa2b(1.5b - а)//3.

Напряжения, МПа, вследствие равномерных температурных изменений могут быть определены по формулам

- в двухшарнирной арке:

о = ±0,937Еа^ = ±2,36 Ш,

- в бесшарнирной арке:

в пролете о1 = ±4,72 ^;

на опоре о2 = ±9,44

где t - перепад температур (С°); h - высота сечения арки; f - стрела подъема.

Усилия в поясах сквозных арок с параллельными поясами Nп определяют при комбинации нагрузок, дающей наибольшие их значения. Продольная сила N в арке распределяется между поясами обратно пропорционально их расстояниям до центра тяжести сечения, а усилие от момента Мх получают делением его величины на расстояние между центрами тяжести поясов ^

Nn = Na/h ± Мх/^

где а - расстояние от центра тяжести сечения до противоположного пояса [2].

Усилие в решетке сквозных арок Np зависит от величины поперечной силы О и угла наклона элемента к оси арки р:

N = О^т р.

В раскосной решетке следует учитывать дополнительные напряжения в раскосах, возникающие от обжатия поясов:

ор1 = 0.5(опв + оnн)cos2p

где опв; опн - напряжения от продольной силы в верхнем и нижнем поясах.

Устойчивость параболической арки постоянного сечения при равномерно распределенной нагрузке может быть проверена по формуле:

окр = kEFm,

где к - коэффициент; I - радиус инерции сечения.

Арка наиболее устойчива при отношении ^ =0,3. Устойчивость арки из ее плоскости должна быть обеспечена горизонтальными связями и прогонами либо жесткими плитами покрытия. Для достаточной устойчивости расстояния между точками закрепления не должны превышать 40-50 радиусов инерции сечения пояса[2].

Здания из арочных конструкций с применением гнутых профилей

В отечественной практике строительства гнутые профили применяются в арочных покры-

тиях двух типов: каркасных с различным видами кровли и бескаркасных, совмещающих несущие и ограждающие функции покрытия [1].

Каркасные здания

В ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова разработаны стальные конструкции неотапливаемых зданий многоцелевого назначения пролетом от 9 до 30 м с каркасом из арок составного двутаврового сечения с объемноформованной стенкой. Стенка арок выполняется из оцинкованной (алюминированной) стали толщиной 1 мм, пояса - из листовой стали толщиной 5 мм. По аркам устанавливаются холодногнутые прогоны зетообразного сечения из оцинкованной (алюминированной) стали толщиной 1 мм. По прогонам укладывается кровля из криволинейных профилированных листов настила с высотой гофров 20 мм. Материал кровли - атмосферостойкая сталь толщиной 0,6 мм. Обшивка торцов и ворот - также из объемно-формованной атмосферостойкой листовой стали толщиной 0,6 мм. Фахверк торцевых стен и монтажные связи выполняются из холодногнутых профилей и унифицированных штампованных элементов из стали толщиной 2-3 мм. Общий расход стали на здание пролетом 15 м -22,4 кг/м2, в том числе 10,2 кг/м2 на каркас.

Все основные конструктивные элементы здания унифицированы. Арки пролетом 9 м имеют стрельчатое очертание, арки пролетом 12 м сегментное, пролетом 12 и 18 м - круговое, пролетом 21-30 м - овальное, полученное в результате сопряжения нескольких круговых секций разных радиусов. Арки пролетом 15 и 18 м имеют высоту сечения 360 мм, арки пролетом 24, 27 и 30 м имеют высоту сечения 560 мм. Устойчивость нижних поясов арок и здания в целом обеспечивается системой подкосных связей. Пролеты настила и шаг прогонов приняты из условия равенства как опорных моментов, так и реактивных опорных давлений от настила. Погонная нагрузка на прогоны одинакова на всей площади покрытия. Выравнивание расчетного момента для настила и прогонов достигается их неразрез-ностью, обеспеченной с помощью нахлеста в монтажных стыках. С этой же целью прогоны имеют консольные свесы после крайних арок.

Шаг арок принимается различным от 3 до 6 м в зависимости от снеговой нагрузки, что позволяет выполнять арки из одинаковых профилей. Регулирование шага арок, прогонов и несущей способности настила в зависимости от основного сочетания нагрузок для I-III снеговых и 1-^ ветровых районов дает возможность снизить металлоемкость на 1530% по сравнению с наиболее прогрессивны-

ми аналогами, освоенными в массовом строительстве, и одновременно предельно унифицировать все основные элементы здания (арки, прогоны, связи, настил кровли) и поставлять их комплектно [1].

Бескаркасные здания

В Укрниипроектстальконструкции разработаны складчатые бескаркасные конструкции покрытий арочного типа пролетом от 12 до 60 м из гнутых элементов. Здания собираются из унифицированных элементов, изготовленных из стальной прямоугольной заготовки толщиной 1,4-2 мм путем профилирования и перегиба ее посередине длинной стороны на определенный угол и отбортовки краев на 5070 мм. Исходный материал - листовая малоуглеродистая сталь или деформируемые алюминиевые сплавы Амг3 - Амг6. Покрытия пролетами 12 и 18 м собирают из одноволновых элементов уголкового сечения, соединяемых в поперечном направлении с помощью отгибов нижележащих панелей, а в продольном направлении - вертикально или наклонно расположенными отгибами. Покрытия пролетами 24 и 36 м собирают из элементов тех же размеров, но расположенных в определенном сочетании. В большепролетных покрытиях данной конструкции элементы уголкового сечения размещены на расстоянии друг от друга и соединены между собой тонкостенными листовыми вставками с гофрами, способными работать на сдвиг. В результате образуется единая складчатая оболочка, состоящая из разновысоких складок. Расход стали для зданий пролетом 12-36 м - от 15,2 до 40 кг/м2. Элементы нижнего ряда покрытия крепятся к фундаментам на болтах через фланцы, приваренные к торцам элементов. Вдоль здания смежные отбортованные элементы тоже соединяют болтами. Торцы здания закрываются подобными унифицированными элементами.

Для изготовления элементов используют простейшее стандартное оборудование. Листы профилируют либо приставкой уголковой формы к гильотинам, либо на прессе ударного действия. Все операции по изготовлению профилированных элементов могут быть механизированы, особенно при организации изготовления на поточных линиях. Благодаря уголковой форме и отсутствию выступающих деталей профилированные элементы комплектно вкладываются один в другой по 10-15 шт. и транспортируются любым видом транспорта. Складчатые здания можно утеплять как в заводских условиях, так и непосредственно при монтаже. Наиболее целесообразно утепление выполнять напениванием полиуретана

из специального пистолета-распылителя на внутреннюю поверхность готового здания. В складчатых зданиях можно устанавливать подвесное подъемно-транспортное оборудование типа тельферов или кран-балок грузоподъемностью до 2 т, закрепляя подвесные пути к стыковым фланцам складок. Монтаж зданий, благодаря незначительной массе элементов (30-75 кг), можно выполнять с использованием легких грузоподъемных механизмов или вручную с подмостей. Опыт показал, что в условиях, когда необходимо быстро смонтировать инвентарное здание многоцелевого назначения (торговый павильон, хранилище, ремонтную мастерскую и т.п.) наиболее эффективны бескаркасные арочные конструкции, применение которых позволяет сократить сроки, трудоемкость и стоимость возведения зданий. В связи с этим сборноразборные бескаркасные здания из легких металлических конструкций находят широкое применение, несмотря на то, что их удельная металлоемкость в ряде случаев больше, чем у стационарных зданий из типовых конструкций [1].

Арочные щитовые здания

Здания разработаны специалистами Уральского политехнического института. Пролет зданий 12, 18 и 24 м, длина кратна 3 м. Здания предназначены для использования в качестве производственных: механосборочных цехов,

мастерских, гаражей, складов, а также общественных зданий: торговых центров, рынков, спортивно-оздоровительных комплексов и др. Они могут быть оборудованы подвесными кранами грузоподъемностью до 2 т. В зависимости от назначения, они запроектированы теплыми и холодными. Расчетная температура наружного воздуха для теплых зданий -45°С. Степень огнестойкости конструкций ША. Конструкции рассчитаны на нагрузки соответствующие II, III и IV снеговым районам, II и III ветровым районам. Особенностью зданий является то, что они компонуются из нескольких типовых секций, каждая шириной 3 м. Количество секций определяет длину здания. Секция собирается из четырех щитов (здание пролетом 12 м) или из шести щитов (18 и 24 м). В холодных зданиях щиты имеют только наружную обшивку из профилированного металлического листа, а в теплых и внутреннюю, которая выполняется также из металлического профилированного листа или других плитных материалов (цементностружечных, асбестоцементных плит). Между наружными листами и поперечными ребрами в теплых зданиях устанавливаются теплоизолирующие прокладки из поронита, поливинилхлорида или полиэтилена толщиной 10 мм. В качестве утепли-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

теля используются минераловатные плиты марки 125 на синтетическом связующем. Плиты толщиной 50 и 60 мм укладываются в 2 слоя с перекрытием стыков и обжимаются до толщины 100 мм. Обшивки из стального профилированного листа и других плитных материалов крепятся к продольным и поперечным ребрам са-монарезающими винтами. Соединение продольных несущих ребер соседних щитов осуществляется при помощи фланцев. Применение фланцев упрощает монтаж и демонтаж здания. Технической новизной зданий является то, что секции монтируются из плоских однотипных щитов максимальной заводской готовности. Чтобы исключить осадку минераловатного утеплителя, в каждом щите использованы специальные противоусадочные уголки [1].

Арочные покрытия

За рубежом широкое распространение получили своды с применением профилированного настила пролётом до 30 м для строительства одноэтажных промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий. Так, в Германии подобные покрытия собираются из пространственных секций размерами 3^12 м, состоящих из изогнутого профилированного листа и прогонов, опирающихся на две шпренгельные фермы. Аналогичная конструкция, включающая продольные фермы с криволинейными поясами, разработана в Казанском инженерно-строительном институте.

С целью упрощения изготовления предлагается отказаться от верхнего пояса фермы с передачей его функции исключительно профилированному настилу с использованием эффекта его предварительного напряжения, который возникает в результате искривления настила затяжками.

В Белорусском политехническом институте и ЦНИИСК им. Кучеренко производились разработки конструкций преднапряжённых панелей и их расчёта в упругой постановке по программе Лира. При этом конструкция рассматривалась как статически неопределимая рама в виде многоугольника из прямолинейных элементов под действием только равномерно распределённой нагрузки. Исследовались конструкции пролётами от 6 до 12 м при варьировании нагрузок до 2.14 тс/м2 [1].

Заключение

Благодаря применению легких ограждающих конструкций, снижается расход стали на несущие конструкции, и одновременно создаются условия для организации принципиально нового конвейерного способа сборки и монта-

жа крупными блоками покрытий зданий. При такой организации работ на монтаже отпадает необходимость в трудоемких и опасных операциях на высоте, появляется возможность совмещенного во времени производства работ по прокладке надземных коммуникаций, устройству полов, фундаментов под оборудование и т.п., существенно растет эффективность использования монтажных кранов. Благодаря специализации рабочих на конвейере, возрастает производительность и качество труда, предоставляется возможность непрерывного, вне зависимости от погодных условий, ведения отделочных работ.

Библиографический список

1. Отчет по научно-исследовательской работе «Комплексные исследования плоских и арочных систем покрытий из тонколистового трапециевидного профиля производства ООО «Монтажпроект», г. Омск». Омск: Испытательный центр «Стройтест-СибАДИ», 2006. - 161 с.

2. Пособие по проектированию стальных конструкций (с СНиП II-23-81*). ЦНИИСК им.Кучеренко /Госстрой СССР. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. -148 с.

Filling structures from thin sheet trapezoid cutout

A.V. Rudak, N.V. Belyaev

In the article alternatives of coverings integrating bearing and fencing functions with the use of smooth thin sheet, working according to membrane scheme, are observed. As a result of using such type filling structures, material consumption decreases and the installation becomes easier.

Беляев Никита Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - автоматизация проектирования металлоконструкций зданий и сооружений. Имеет 15 опубликованных работ.

E-mail: 400970@mail.ru

Рудак Алексей Витальевич - аспирант кафедры «Строительные конструкции» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований -проектирование строительных конструкций зданий и сооружений. Имеет 8 опубликованных работ.

Статья поступила 04.09.2009 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.