Железобетонные фермы и арки покрытий
Фермы покрытий экономически целесообразны при пролетах 18...30 м. Хотя железобетонные фермы выгоднее стальных (экономия стали до 50 %), но по стоимости они в большинстве случаев уступают последним. Номенклатура основных типовых конструкций ферм для покрытий производственных зданий дана на рис. 10.12, а. Верхний пояс может быть очерчен по линии, приближающейся к кривой давления (сегментные и полигональные фермы). Усилия в решетке сегментных ферм невелики, а небольшая высота на опорах способствует снижению массы ферм и уменьшению высоты стен зданий, благодаря чему сегментные фермы приняты в качестве типовых. Иногда применяют фермы с параллельными поясами.
В фермах применяют преднапряженную арматуру нижнего пояса. В некоторых случаях и крайние раскосы выполняются преднапряженными. В качестве основной напрягаемой арматуры используют стержневую арматуру, канаты, высокопрочную проволоку. Натяжение арматуры производится, как правило, на упоры. Для ферм применяют бетон классов В25...В50.
Малоуклонные покрытия, широко применяемые за рубежом, влияют на конструктивные схемы стропильных ферм покрытий. Наиболее распространено при этом размещение опорного узла в уровне верхнего пояса или вблизи него, что повышает устойчивость ферм при монтаже. На рис. 10.12, б показаны схемы таких преднапряженных ферм из унифицированных блоков с натяжением арматуры на бетон для пролетов 12, 18 и 24 м.
В середине пролета высота фермы обычно равна (1/6...1/9) l, сечение поясов и решетки назначается прямоугольным и, как правило, одинаковой ширины (200...240 мм), исходя из удобства изготовления в горизонтальном положении. Ширину верхнего пояса принимают (1/70... 1/80) l (для составных ферм — до 1/150 l), а высоту сечения пояса определяют расчетом. Для нижнего пояса ширину принимают равной шчрине верхнего пояса, а высоту сечения определяют из условия размещения как напрягаемой, так и ненапрягаемой арматуры. Надежная заделка стержней и жесткость конструкции обеспечиваются устройством в узлах фермы утолщений.
Благодаря своим технологическим достоинствам получили широкое применение безраскосные стропильные фермы. Типовые безраскосные фермы имеют криволинейное очертание верхнего пояса. Если нагрузка приложена в узлах, то более рационально ломаное очертание верхнего пояса с прямолинейными участками между узлами. Изгибающие моменты при этом существенно снижаются как в поясах фермы, так и в стойках. Конструкция безраскосной стропильной фермы пролетом 18 м с верхним поясом ломаного очертания дана на рис. 10.13. Безраскосные фермы широко используют для устройства крутоскатных и малоуклонных покрытий. Общая протяженность элементов решетки (широких вертикальных стоек) в этих фермах примерно в два раза меньше, чем в сегментных и полигональных, значительно проще армирование узлов благодаря примыканию элементов решетки к поясам под прямым углом. Вертикальные стойки имеют вариант решения с напряженной арматурой; фермы с предварительно напряженными стойками являются трещиностойкими и могут быть применены в агрессивной газовой среде. Безраскосные фермы используют также в качестве подстропильных конструкций (рис. 10.14).
Фермы шпренгельного типа, предназначенные для покрытий одноэтажных зданий различного назначения с пролетами 18 и 24 м и уклоном кровли 5 % (рис 10.15), имеют минимально возможное число элементов, а именно: трехпанельный верхний пояс, предварительно напряженный нижний пояс с двумя перегибами и две вертикальные стойки, жестко сопряженные с поясами. Высота ферм на опоре 2700 мм, а высота опорного узла — 900 мм.
При расчете ферм учитывают нагрузки от покрытия, собственного веса фермы, а также нагрузок от фонарей, связей и подвесного транспорта. Жесткость узлов фермы незначительно влияет на величину усилий в элементах, при расчете железобетонных ферм их узлы приближенно считают шарнирными. Расстояние между узлами верхнего пояса назначают таким, чтобы нагрузка, передающаяся от панелей покрытия, приходилась строго на узлы верхнего пояса. Усилия в отдельных элементах фермы при таком способе передачи нагрузки находят обычными методами строительной механики, для различных сочетаний нагрузок с учетом невыгоднейшего загружения. Сечения верхнего пояса рассчитывают как сжатые, нижнего пояса — как растянутые. Вычисления ведут в табличной форме.
Арки покрытий. Как несущие конструкции покрытий железобетонные арки используют при значительных пролетах (в основном более 30 м), когда их применение становится экономичнее ферм. Стрела подъема арок обычно принимается равной (0,15...0,2) l (но не менее 0,1 l). Распор арки передается на затяжки или фундаменты. Железобетонные арки из сборных элементов проектируют двух- и трехшарнирными, монолитные арки часто делают бесшарнирными. Рассчитывают арки на нагрузку от веса покрытия, сплошную и одностороннюю снеговую, сосредоточенную нагрузку от подъемно-транспортных механизмов, а иногда и на ветровую нагрузку.
Сечение арки может быть прямоугольным, тавровым или двутавровым. Арки конструируют как внецентренно сжатые элементы. В арке возможно возникновение моментов противоположных знаков, поэтому арматура принимается обычно симметричной. Затяжки выполняют стальными и железобетонными, они обычно работают на центральное растяжение; если к затяжке приложена нагрузка от подъемно-транспортного оборудования или подвесного полотна, то она будет работать на внецентренное растяжение.
Преднапряженные железобетонные затяжки прямоугольного сечения армируют высокопрочной проволокой или арматурными пучками, а подвески, поддерживающие железобетонные затяжки, обычно выполняют железобетонными и армируют четырьмя стержнями. Стальные затяжки состоят из двух или трех стержней диаметром до 40 мм, на опоре пропущенных сквозь арку и закрепленных гайками на внешней стороне. Затяжки выполняют также из двух швеллеров (полками внутрь), связанных между собой стальными планками.
На рис. 10.16 схематически показана двухшарнирная арка кругового очертания. Арка собирается из отдельных элементов двутаврового поперечного сечения. Сечение затяжки — прямоугольное. В элементах затяжки устроены каналы для напрягаемых арматурных пучков.
Интересным примером использования железобетонных арок в гражданских зданиях служит покрытие концертного зала на 2000 зрителей (Франция), включающее в себя преднапряженные арки, объединенные монолитной плитой (рис. 10.17). Арки расположены веерообразно, имеют складочное поперечное сечение трапецеидального очертания и пролет 27.. .60 м.