CC BY
25
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕШЕТЧАТОЙ И СПЛОШНОЙ АРОК В БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
А.А. Сергеева, магистрант
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
DOI:10.24412/2500-1000-2021-3-2-30-35
Аннотация. Решетчатые и сплошные арки широко применяются в строительстве для перекрытия больших пролетов, достигающих 100 и более метров. Чаще всего на практике применяются двух и трехшарнирные арки, а также арки с затяжками, воспринимающие большие распорные усилия, в сплошном или решетчатом исполнении. При проектировании подобных конструктивных элементов встает вопрос об эффективности работы и сравнении их конечной металлоемкости, а также металлоемкости всего каркаса с подобным решением главных несущих конструкций. В качестве исследования будут рассмотрен вариант покрытия ледовой арены с пролетом, достигающим 98м в двух исполнениях: с решетчатой и сплошной аркой, и будет сделан вывод об эффективности применения подобных конструктивных решений.
Ключевые слова: арка, арка с затяжкой, решетчатая арка, сплошная арка, шарнирная арка.
Одной из наиболее актуальных проблем в современном строительстве является вопрос перекрытия больших пролетов с наименьшей металлоёмкостью. Появление спортивных площадок, торговых и бизнес центров, концертных залов и прочих масштабных сооружений привело к развитию нового витка в проектировании, а именно проектирование большепролетных конструкций без промежуточных опор. Все большепролетные конструкции в основном можно разделить на 2 больших группы: плоские и пространственные.
Все же чаще всего на практике встречается довольно популярное решение перекрытия - арки или арочные фермы. Также часто встает вопрос о форме сечения арок. Целью данного исследования является сравнение и выявление наиболее эффективного варианта плоской арки с затяжкой на примере проектирования покрытия ледовой арены.
Арка с затяжкой отличается от обычных арок восприятием затяжками растягивающих распорных усилий в нижнем поясе. Они проектируются в основном при пролетах больше 100м. Арки могут быть бесшарнирными, а также двух- и трехшар-нирными. Двухшарнирные арки являются самым популярным решением на данный
момент, потому что они больше всего по своему очертанию напоминают эпюру распределения моментов.
В данном исследовании будут рассмотрены 2 варианта покрытия ледовой арены и выбран наиболее оптимальный по металлоемкости вариант покрытия.
Металлоконструкции покрытия представляют собой арки с затяжкой пролетом от 60.7 м до 98 м. Будет рассмотрено 2 варианта исполнения арки - сплошная из сварного двутавра и решетчатая в комбинированном исполнении.
Верхний и нижний пояса решетчатых арок выполнены из сварных двутавров. Стойки решетчатых арок выполнены из уголков. Арочные конструкции опираются на монолитный железобетонный каркас через шарнирные опорные части заводского изготовления. В каждом пространственном блоке предусмотрены горизонтальные связи и распорки из круглых го-рячедеформированных труб и поперечные связевые фермы. Применение в каждом пространственном блоке покрытия горизонтальных связей, распорок и поперечных ферм обеспечивает общую устойчивость каждого блока и геометрическую неизменяемость всего покрытия в целом, а также обеспечивает выполнение требова-
ний по предотвращению прогрессирующего обрушения.
По верхним поясам арок в качестве прогонов выполнены решетчатые фермы, на которые опирается профилированный настил кровли. Прогоны крепятся к поясам ферм шарнирно. Материал для всех металлических элементов выбрана С345 с расчетным сопротивлением Яу = 3450 кг/см .
Расчетная модель покрытия в целом реализована методом конечных элементов как объемно - пространственная задача. Реализация расчета производилась согласно требованиям СП 16.13330.2017 с помощью вычислительного комплекса SCAD, а также при помощи встроенных программ, таких как конструктор сечений.
>7
^^ X) / it 1*1 I _ jT i.. V'_ .flTljj Г __ ¿11 l'lif fl ■■ - -
ЙГ7Г-
Рис. 1. Общий вид пространственной расчетной модели
Рис. 2. Поперечный разрез пространственной модели
Для расчета была выбрана центральная арка с пролетом 98 м, т.к. она является самой нагруженной с наибольшей грузовой площадью. Остальные арки с меньшими пролетами запроектированы аналогично с целью унификации конструкции.
При расчете пространственной схемы сооружения рассмотрены следующие нагрузки и воздействия:
- собственный вес несущих конструкций;
- технологические нагрузки;
- снеговая нагрузка;
- особые воздействия при расчете устойчивости конструкций к прогрессирующему (лавинообразному) обрушению.
В результате статического расчета были подобраны следующие сечения главных конструктивных элементов арки:
Для верхнего и нижнего поясов решетчатой арки - широкополочный двутавр 70Ш1:
Рис. 3. Сечение верхнего и нижнего поясов решетчатой арки
Для раскосов было подобрано пространственное сечение из уголков 2 Ь 125 х 8. Стойки фермы - уголки 100 х 8.
Рис. 4. Сечения основных конструктивных элементов Для решетчатых прогонов были подобраны следующие виды сечений: Верхний и нижний пояса - профиль ГСП 180 х 6:
Размеры сечений в мм
180 г. А
Тип жесткости ПИ Все
. к
90 90
т
Сечени Описание Имя
7 Г5~11ам
Рис. 5. Сечение верхнего и нижнего пояса решетчатого прогона Раскосы - профиль ГСП 120 х 4:
Размеры сечений в мм
Сечени Описание Имя
2 |_QJ1M
Рис. 6. Сечение раскосов решетчатого прогона
ГнП 180x6
Рис. 7. Схема сечений прогона
При таком исполнении главных конструктивных элементов - арок максимальные перемещения конструкции по оси Ъ (прогибы) составляют 320,3 мм, что не превышает допустимый максимум в соответствии с СП 20.13330.2016.
Второй разработанный вариант покрытия представляет собой сплошную арку, выполненную из сварного двутавра. Прогоны приварены к стенке двутавра, имеют жесткую конструкцию соединения. Прогоны также имеют сечение двутавра.
Рис. 8. Расчетная схема сплошной арки
В результате статического расчета были подобраны следующие сечения главных конструктивных элементов арки:
Стойки СТ2 - трубы 0426 х 22, верхний пояс ВП3 и ВП1-2 - сварной двутавр со следующими характеристиками:
t"
900
-ч-
40
Рис. 9. Сечение верхнего пояса сплошной арки
Нижний пояс НП1:
Рис. 10. Сечение затяжки арки
При таком исполнении главных конструктивных элементов - арок максимальные перемещения конструкции по оси Ъ (прогибы) составляют 342 мм, что несколько превышает допустимый максимум прогибов, но не является критическим.
Целью данной исследовательской работы является выявление оптимального варианта сечения арки. Одним из главных показателей эффективности является металлоемкость конструкции.
Сравнение металлоемкостей двух арок:
- Решетчатая арка - 59,4 т или 600 кг/м.
- Сплошная арка - 75,5 т или 770 кг/м.
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1. Для проектирования большепролетных покрытий выгоднее всего использовать решетчатые сечения. Уменьшение веса конструкции происходит за счет уменьшения сечений и их расчетных длин. Экономия материала в данном случае составила 28%.
2. Несмотря на удобство монтажа и транспортировки, балочные решения требуют дополнительных расчетов на местную устойчивость элементов составного двутаврового сечения, что существенно замедляет работу.
2. Решетчатые сечения подвергаются возможности унификации, что помогает избежать лишних затрат на производство
нестандартных сечений.
Библиографический список
1. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*»
2. СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85
3. Таратута В.Д., Бегельдиев А.М. Большепролетные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений: учебное пособие / В.Д. Таратута, А.М. Бегельдиев; Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, ФГБОУ ВО "Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина". - Краснодар: КубГАУ, 2017. -186 с.
COMPARISON OF THE EFFICIENCY OF LATTICE AND SOLID ARCHES IN
LARGE-SPAN STRUCTURES
A.A. Sergeeva, Graduate Student
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (Russia, Saint-Petersburg)
Abstract. Lattice and solid arches are widely used in construction to cover large spans reaching 100 meters or more. Most often in practice, two-and three-hinged arches are used, as well as arches with puffs that perceive large spacer forces, in a solid or lattice design. When designing such structural elements, the question arises about the efficiency of work and the comparison of their final metal consumption, as well as the metal consumption of the entire frame with a similar solution of the main load-bearing structures. As a study, the variant of covering the ice arena with a span of up to 98m in two versions will be considered: with a lattice and a solid arch, and a conclusion will be made about the effectiveness of using such design solutions. Keywords: arch, arch with tightening, lattice arch, solid arch, hinge arch.
