Несущие конструкции

К основным типам конструкций систем перекрытий и покрытий в зданиях относятся металлические и сталежелезобетонные (за исключением балок с гофрированной стенкой):

• Конструкции, активные по форме: висячие конструкции, мембраны

• Конструкции, активные по вектору: фермы, пространственные стержневые системы

• Конструкции, активные по сечению: балочные системы, колонны, рамы

• Конструкции, активные по поверхности: арочные конструкции, купола и оболочки

Конструкции, активные по форме

Висячие конструкции являются несущими системами, работающими по принципу активной формы, которая адаптируется своим абрисом внешней нагрузке. Основу висячих конструкций составляет нить – гибкий провисающий стержень (или полоса), который работает на растяжение и несет поперечную нагрузку в пролете.

Ванты – это тип нитей, имеющие криволинейную форму, обусловленную свободной длиной и гравитационным действием внешних усилий. В отличие от вант, струны – это нити, в которых действует предварительное напряжение растяжения, которое позволяет сохранять прямолинейность.

Мембранные покрытия - пространственные конструкции, основу которых составляет гибкий тонкий металлический лист, закрепленный по периметру на жестком опорном контуре. По конструктивной различают однослойные, подкрепленные вантами и двухслойные ленточные мембраны.

Однослойные покрытия наиболее просты в исполнении, однако наиболее деформативны, и их применимость ограничена возможностью обработки и сваривания листов с возрастанием толщины. Поэтому распространение нашли мембраны, подкрепленные вантами. Совместная работа вантовых элементов и континуальной мембраны повышает жесткость последней и позволяет увеличить пролет. В виде вант могут выступать как элементы из канатов, так и узкие стальные полосы.

Конструкции, активные по вектору

Фермы представляют собой системы стержневых элементов, объединенных в узлах в геометрически неизменяемые решетчатые пролетные конструкции.

Ферменные конструкции приобрели широкое распространение благодаря следующим преимуществам:

·         Возможность перекрытия больших пролетов

·         Экономичность

·         Свобода организации конструктивной формы

·         Возможность пропуска коммуникаций в пространстве между стержнями

Недостатками ферменных конструкций является их значительная строительная высота и трудоёмкость исполнения.

По внешней конструктивной схеме различают балочные, арочные, рамные и вантовые фермы.

По внутренней конструктивной схеме различают фермы с шарнирным и жестким примыканием элементов в узлах.

Пространственные стержневые системы передают нагрузки на опоры распределяя усилия внутри системы. По конструктивной схеме пространственные системы в основном различают как конструкции развитые из плоскости, перекрестные фермы, а также однослойные и двухслойные стержневые структурные оболочки.

Развитые из плоскости и перекрестные фермы нашли применение в тех случаях, когда постановка промежуточных опор на плане здания не представляется возможной, но требуется соблюсти плоскостность покрытия. Также перекрестные системы дают хорошую возможность вертикального обустройства между фермами лестниц, лифтов, коммуникаций и световых фонарей.

А преимуществами однослойных и двухслойных стержневых структурных конструкций, благодаря которым они нашли широкое применение, являются:

·         Архитектурная выразительность

·         Высокая пространственная жесткость, несущая способность и надежность.

·         Возможность формирования открытого функционального пространства.

·         Унификация и типизация элементов за счет регулярности их расположения.

·         Индустриальность изготовления и возможность поставки на место строительства поэлементно малогабаритным транспортом.

·         Технологичность сборки и монтаж укрупненными блоками, а также мобильность

Конструкции, активные по сечению

Балочные системы - плоскостные системы, противодействующие поперечной нагрузке. Преимуществами балочных систем являются высокая заводская готовность элементов и удобство, а соответственно и скорость монтажа.

К основным типам балочных систем перекрытий и покрытий в зданиях относятся металлические и композитные (за исключением балок с гофрированной стенкой):

·         Прокатные балки

·         Составные балки из листов

·         Перфорированные балки

·         Балки с гофрированной стенкой

·         Балки перекрытий пониженной высоты

Композитными принято называть конструкции, в которых внешнюю нагрузку совместно воспринимают элементы различного типа и предназначения. В зданиях со стальными балками и железобетонными могут быть организованы композитные балки, которые работают совместно с плитой.

Колонны представляют собой преимущественно вертикальные элементы, которые передают нагрузки на фундаменты или нижерасположенные конструкции здания.

Сечения стальных колонн делятся в основном на сплошностенчатые открытые, сплошностенчатое замкнутые и сквозные. Кроме того, широкое применение находят сталебетонные колонны, заполненные бетоном, или сталежелезобетонные, в случае, когда в бетоне устанавливается дополнительно рабочее армирование.

Рамы

Рамой называют каркасную плоскую систему, состоящую из элементов, обеспечивающих пролет – ригелей, и элементов, обеспечивающих высоту – стоек. Преимущества, которые обуславливают широкое применение рам:

·         Экономичное перераспределение изгибающих моментов между ригелями и стойками.

·         Концентрация материала.

·         Малоэлементность и скорость монтажа.

В то же время рамы имеют некоторые недостатки: небольшую высоту стоек, присутствие сложных жестких узлов и ограниченность использования конструктивной формы.

По статической схеме различают бесшарнирные, двухшарнирные и трехшарнирные рамы.

Конструкции, активные по поверхности

Арочные конструкции

Арки представляют собой несущие конструкции положительной кривизны, взаимодействующие с внешним силовым потоком всей своей поверхностью. Арочные конструкции классифицируют в основном по их абрису, статической схеме и способу восприятия распора.

По абрису главный тип арочных конструкций – параболические, но также они могут иметь форму части окружности, переменный радиус кривизны или даже форму цепной линии, состоящей из множественных. С точки зрения конструктивной схемы аналогично рамам выделяют двух-, трех- и бесшарнирные арочные конструкции. Фактически арки получаются из криволинейных балок путем закрепления обеих опор в неподвижные и продольной оси. Из-за этого в арках возникают распорные усилия. Передача распора возможна на фундаменты или колонны-контрфорсы, а также на иные примыкающие конструкции, способные его воспринять.

Купола и оболочки

Пространственным развитием арок являются купольные и оболочечные конструкции, которые позволяют реализовать эффективные и привлекательные решения для концертных залов, больших помещений общественного спортивного и иного назначения. Формы, которые образовывают купольные конструкции, представляют собой криволинейные или разбитые на плоскости пространственные поверхности положительной кривизны.

По конструктивной системе выделяют в основном ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые купола.

Ребристый купол представляет собой конструкцию, образованную из радиально расположенных арок. В верхней точке арочные ребра замыкаются на кольцо, работающее на сжатие. В нижней части купол должен иметь опорный контур или фундамент, воспринимающий радиальный распор и заземляющий вертикальное усилие.

Ребристо-кольцевые купола имеют горизонтальные меридиональные кольцевые элементы, которые образуют с ребрами единую пространственную систему, а также выполняют роль прогонов покрытия.

Сетчатые купола могут не иметь ребер, в них стержни расположены в определенном порядке, основанном на регулярной системе ячейки либо блока. Наибольшее распространение получили треугольные системы геометрии ячеек сетчатых куполов, а также геодезические, стержни которых являются ребрами элементов многогранников, вписываемых в сферическую поверхность купола.

Конструкции покрытий из сетчатых куполов, имеют существенные преимущества перед другими пространственными покрытиями:

·         Экономичная форма и выразительный архитектурный внешний вид.

·         Технологичность монтажа, однотипность и легкость монтируемых элементов.

·         Свободная внутренняя планировка.