Сравнение эффективности решетчатой и сплошной арок в большепролетных конструкциях

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 бес-шарнирными, а также двух- и трехшарнирными. 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 R y = 3450 кг/см².

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.

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 L 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:

Рис. 5. Сечение верхнего и нижнего пояса решетчатого прогона

Раскосы – профиль ГСП 120 х 4:

Рис. 6. Сечение раскосов решетчатого прогона

Рис. 7. Схема сечений прогона

При таком исполнении главных конструктивных элементов – арок максимальные перемещения конструкции по оси Z (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 Ø426 х 22, верхний пояс ВП3 и ВП1-2 – сварной двутавр со следующими характеристиками:

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 Z (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.