Железобетонные стропильные балки

 

●Железобетонные стропильные балки применяют для перекрытия пролетов 6, 9, 12 и 18 м. При пролетах 24 м и более они уступают фермам по технико-экономическим показателям и, как правило, не используются. Балки пролетами 6 и 9 м предназначены преимущественно для покрытия пристроек, а балки пролетом 12 м — в качестве поперечных или продольных ригелей покрытия. Балки пролетом 18 м применяют в качестве поперечных ригелей, по которым укладывают плиты 3×6 или 3×12 м.

В зависимости от профиля кровли балки бывают двускатными (рис. 11.10, а, б), односкатными, с параллельными полками (рис. 11.10, в), ломаным или криволинейным очертанием верхней полки.

●Двускатные балки имеют уклон верхней полки 1: 12 для скатных кровель, 1: 30 — для малоуклонных кровель. Вследствие своей экономичности они получили наиболее широкое распространение для покрытий пролетов 18 м. Определенные трудности при их изготовлении связаны с устройством каркасов переменной высоты. При необходимости пропуска коммуникаций в уровне покрытия (воздуховоды и т.п.) используют двускатные решетчатые балки пролетом 12 и 18 м (рис. 11.10,6).

●Односкатные балки обычно применяют для устрой­ства кровли с односторонним уклоном, например в при­стройках.

●Балки с параллельными полками наиболее просты в изготовлении, имеют арматурные каркасы постоянной высоты и применяются в качестве продольных ригелей при горизонтальных кровлях. Однако по расходу бетона и арматуры они уступают двускатным.

●Балки с ломаным и криволинейным верхним поясом, несмотря на экономичность, не нашли широкого при­менения вследствие сложной технологии их изготовления.

Высота сечения балок в середине пролета (1/10...1/12) l.

В целях экономии бетона сечение балок принимают тавровым (при l =6; 9 м) и двутавровым (l =12; 18 м). Ширину верхней полки балок из условия опирания плит покрытия и обеспечения устойчивости при транспортиро­вании и монтаже принимают равной (1/50... 1/60) l, что обычно составляет 20...40 см. Ширину нижней полки (25...30 см) определяют из условия размещения в ней растянутой арматуры, прочности бетона пояса при действии усилия обжатия, а также условия опирания на колонны. Толщину вертикальной стенки в средней части пролета (6...8 см) назначают из условий изготовления балки (в вертикальном положении) и размещения поперечной арматуры (одного или двух каркасов). У опор стенка утолщается для обеспечения прочности и трещиностойкости опорных сечений. Бетон балок классов В25...В40.

 

 

 

 

 

Рис. 11.10. Конструкции стропильных балок:

1 — напрягаемая арматура; 2 — опорный каркас;

3 — анкеры закладной детали; 4 — сетки косвенного армирования

 

Все типы балок пролетами 12...18 м выполняют предварительно напряженными, как правило, с натяжением на упоры. Для исключения образования и раскрытия трещин в верхней зоне от усилий, возникающих при отпус­ке нижней арматуры, в ряде случаев в верхней зоне раз­мещают напрягаемую арматуру A'_sp = (0,15...0,2) A_sp. Поперечную и продольную монтажную арматуру выполняют из сталей классов A-I, A-III. В опорных частях балок, где возникают большие усилия от реакций опор и предварительного обжатия, устанавливают дополнительную арматуру в виде сеток и вертикальных стержней.

Нагрузки на балку от веса покрытия и снега передаются через ребра плит в виде сосредоточенных сил. При числе их более четырех нагрузка заменяется эквивалентной равномерно распределенной. Нагрузки от подвесного транспорта и коммуникаций передаются на балку в виде сосредоточенных сил.

Балки рассматриваются как шарнирно опертые элементы с расчетным пролетом, равным расстоянию между линиями действия опорных реакций.

Подбор продольной и поперечной рабочей арматуры, расчет прогибов и трещиностойкости балок производятся как для обычного элемента таврового или двутаврового сечения.

При расчете нормальных сечений двускатных балок необходимо учитывать, что сечение, где требуется наибольшая площадь продольной растянутой арматуры, не совпадает с серединой пролета, где действует максимальный изгибающий момент. Это объясняется тем, что по мере удаления от середины балки рабочая высота ее на некотором участке уменьшается быстрее, чем внешний изгибающий момент. При уклоне верхней полки 1: 12 опасное сечение находится на расстоянии 0,37 l от опоры.

 

 11.7. Железобетонные стропильные фермы

●Железобетонные стропильные фермы применяют в качестве ригелей покрытий промышленных и общест­венных зданий при пролетах 18, 24, 30 м и шаге 6 и 12 м. При больших пролетах железобетонные фермы получа­ются тяжелыми, неудобными при транспортировании, трудоемкими в монтаже и могут применяться лишь при специальном обосновании. Фермы устанавливают на колонны или крепят к подстропильным фермам с помощью анкерных болтов или сварки закладных опорных элементов. По фермам укладывают плиты покрытий и кровлю.

Очертание стропильных ферм зависит от профиля кровли и общей компоновки покрытия. Для зданий со скатной кровлей как типовые фермы применяют: сегментные раскосные с верхним поясом ломаного очертания (рис. 11.11, а, ж) и безраскосные арочного очертания (рис. 11.11, б, и), для зданий с плоской кровлей — раскосные с параллельными поясами (рис. 11.11, г). Для нетиповых решений возможны и другие виды ферм: арочные раскосные с разреженной решеткой (рис. 11.11, в), полигональные (рис. 11.11, д), треугольные (рис. 11.11, е), с нижним ломаным поясом (см. рис. 11.11, д).

Наиболее рациональны с точки зрения статической работы сегментные и арочные раскосные фермы.

 

 

 

Рис. 11.11. Конструкция железобетонных стропильных ферм:

1 — поперечная арматура опорного узла; 2 — контурные стержни; 3 — допол­нительная сетка; 4 — напрягаемая арматура; 5 — сетки косвенного армирова­ния; 6 — стойки для опирания плит покрытия в зданиях с плоской кровлей; 7— бетонная центрирующая прокладка; 8 — металлический накладка; 9 — стальная обойма; 10 — трещина

 

●В сегментных раскосных фермах (см. рис. 11.11, а, ж) усилия в поясах по длине изменяются мало, а в элементах решетки — невелики. Это объясняется тем, что очертание верхнего пояса близко к кривой давления. Достоинством этого типа ферм также является то, что небольшая высота у опор приводит к уменьшению высоты стен здания и суммарной длины решетки. К числу недостатков следует отнести повышенную трудоемкость работ, связанных с устройством скатной кровли.

●В последние годы широкое распространение получили безраскосные арочные фермы (рис. 11.11, б, и), которые отличаются простотой и удобством изготовления. Особенно целесообразно безраскосные фермы применять в зданиях, где межферменное пространство используется для коммуникаций, технических этажей, а также в цехах с насыщенным подвесным транспортным оборудованием. Эти фермы часто используются для устройства плоской кровли путем установки дополнительных стоек. Недостатком этого типа ферм является то, что в стойках и по­ясах фермы возникают значительные изгибающие моменты, для воспринятия которых требуется дополнительный расход арматуры, что приводит к увеличению стоимости ферм.

●Железобетонные фермы с параллельными поясами обеспечивают более простое устройство плоской кровли. Однако они имеют большую высоту на опорах, что помимо увеличения высоты наружных стен приводит к необходимости устройства вертикальных связей между фермами в плоскости опорных стоек. По расходу бетона такие фермы уступают сегментным и арочным. Предложенное в последние годы техническое решение, предусматривающее отведение части предварительно напряженной арматуры из нижнего пояса в растянутые раскосы (рис. 11.11, к), позволяет улучшить их технико-экономические показатели.

Расстояние между узлами верхнего пояса рассмотренных типов ферм принимается равным ширине плиты покрытия (3 м) в целях обеспечения узловой передачи нагрузки.

●Арочные раскосные фермы (рис. 11.11, в) имеют мощный криволинейный пояс кругового очертания и легкую разреженную решетку. В таких фермах допускается неузловая передача нагрузки от плит покрытия. Возникающие при этом изгибающие моменты от вертикальной нагрузки уменьшаются за счет моментов обратного знака, создаваемых эксцентрично приложенными продольными сжимающими усилиями в верхнем поясе (рис. 11.11, н). По экономическим показателям эти фермы при пролетах 18...24 м несколько дороже сегментных, а при пролетах 30 м и более — экономичнее.

●Треугольные фермы невыгодны ввиду большой высоты и значительного расхода материалов. Применение их оправдано только в случае использования кровли из асбестоцементных материалов или металлических волнистых листов, для которых требуется значительный уклон.

●Фермы с ломаным нижним поясом (рис. 11.11, д) более устойчивы, не требуют установки дополнительных связей, но сложны в изготовлении.

●По способу изготовления различают фермы с за­кладной решеткой и фермы, бетонируемые целиком.

В фермах с закладной решеткой элементы решетки готовятся заранее в отдельных формах, а затем укладываются в общую форму, после чего бетонируются пояса и узлы. Этот способ позволяет делать элементы решетки небольшого сечения и из бетона более низких классов, что приводит к экономии бетона и цемента. Фермы пролетом 30 м и более для обеспечения возможности транспортирования обычно изготовляются из двух отправочных элементов и объединяются на строительной площадке стыком на сварке (рис. 11.11, л). Такие фермы дороже цельных на 10...15.% и менее надежны в работе при динамических нагрузках.

Высота ферм в середине пролета (1/6...1/10) l. Ширина сечения верхнего пояса назначается из условия устойчивости его из плоскости фермы при монтаже и перевозке (1/70...1/80) l, а также из условия опирания плит. Ширина сечения нижнего пояса принимается такой же, как и верхнего, а высота сечения назначается из условия размещения рабочей растянутой арматуры. Размеры сечения сжатых элементов решетки и стоек определяются расчетом, при этом ширину их целесообразно назначать равной ширине поясов для удобства бетонирования в горизонтальном положении.

Фермы изготовляют из бетона классов В25...В50. Нижний пояс предварительно напряженный, армируется стержневой арматурой классов A-IV, A-V, A-VI, A_т-IV, A_т-V, канатами К-7, К-19. Натяжение арматуры обычно осуществляют на упоры. Чтобы предотвратить появление продольных трещин, нижний пояс армируют конструктивной поперечной арматурой из проволоки d=5...6 мм, соединенной обычной арматурой в каркасы (рис. 11.11, ж, сечение 1—1). В верхних поясах, раскосах и стойках применяют сварные каркасы из горячекатаной стали периодического профиля классов A-III, A-II.

Особое внимание при конструировании ферм следует обращать на армирование узлов. В опорном узле для воспринятая больших перерезывающих сил и сил обжатия устанавливают поперечную арматуру 1 (рис. 11.11, ж), объединенную контурным стержнем 2 в плоский каркас. Два таких плоских каркаса образуют пространственный каркас узла. Для улучшения условий анкеровки напрягаемой арматуры и предотвращения возникновения продольных трещин в бетоне устанавливают косвенную арматуру 3 в виде сеток. Для предотвращения раскрытия трещин в месте сопряжения нижнего пояса с узлом ставят дополнительную сетку 4. Арматуру элементов решетки заводят в узлы, которые имеют уширения, позволяю­щие лучше разместить ее и заанкеровать (рис. 11.11, м).

Фермы рассчитывают на эксплуатационные нагрузки от покрытия, фермы, снега, подвесного оборудования и т. п., а также нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировании и монтаже. Нагрузка от покрытия и от массы фермы считается приложенной к узлам верхнего пояса, а нагрузка от подвесного оборудования — к узлам нижнего.

Железобетонная ферма имеет жесткие узлы и представляет собой многократно статически неопределимую рамную систему. Однако в предельном состоянии по прочности в узлах раскрываются трещины, жесткость их падает, и влиянием возникающих изгибающих моментов можно пренебречь, рассматривая узлы как шарнирные. Это позволяет при расчете прочности рассматривать ферму как статически определимую систему. Такой расчет в общем верна отражает характер работы конструкции и обеспечивает достаточную точность. Если нагрузка приложена в панелях верхнего пояса между узлами, то при расчете учитывают местный изгиб верхнего пояса. При определении изгибающих моментов от внеузловой нагрузки пояс фермы рассматривают как неразрезную балку, опорами которой являются узлы фермы. При наличии выгибов или изломов верхнего пояса учитывают разгружающее действие момента от продольной силы N (рис. 11.11, н).

При расчете безраскосной фермы принимают жесткое соединение поясов и стоек в узле. Усилия определяют как для статически неопределимой системы.

Расчетные усилия в элементах ферм находят от всех возможных невыгодных сочетаний действующих нагрузок. По найденным усилиям производят расчет сечений элементов. Верхний пояс рассчитывают на сжатие со случайным или расчетным эксцентриситетом, нижний — на центральное растяжение, решетку — на сжатие или растяжение. Расчетные длины элементов в плоскости фермы и из ее плоскости принимают по [1].

При расчете трещиностойкости предварительно напряженного нижнего пояса необходимо учитывать влияние изгибающих моментов, возникающих вследствие жесткости узлов. Эти моменты в фермах со слабоработающей решеткой (например, в сегментных) можно определить, рассматривая нижний пояс как неразрезную балку на упругооседающих опорах; осадку опор находят по диаграмме перемещений фермы [13].