Основные несущие элементы и их классификация

В несущих системах зданий и сооружений можно выделить основные (базовые) элементы, дающие возможность в различных их комбинациях создавать конструкции разнообразной формы и функционального назначения. Эти базовые элементы можно классифицировать по их форме и геометрическим признакам, жесткости, а также по характеру их работы под нагрузкой.

По геометрическим признакам элементы можно разделить на линейные, поверхностные и массивные (объемные). Линейные элементы – это тела, у которых два измерения – размеры поперечного сечения – малы по сравнению с третьим – длиной. Линейный элемент с произвольной осью часто называют брусом. В поверхностных элементах один из размеров – толщина – мал по сравнению с двумя другими. Массивными элементами называются тела, у которых все три главных размера имеют один порядок величины.

Жесткость элемента. Характер работы элемента под нагрузкой зависит от того, является он жестким или гибким. Жесткими элементами называются элементы, которые не претерпевают существенных изменений формы под действием нагрузки или меняющихся нагрузок. Гибкими элементами называются такие несущие элементы, форма которых образуется под действием нагрузок и зависит от вида приложенных нагрузок. При этом физическая целостность гибких элементов сохраняется независимо от принятой формы.

Характер работы элемента под нагрузкой. Из курса сопротивления материалов известны основные виды работы элементов под нагрузкой: растяжение, сжатие, сдвиг (срез), изгиб, кручение. В зависимости от характера приложенной нагрузки в конструкциях часто возникает одновременно несколько простых видов сопротивления, например растяжение или сжатие с изгибом, изгиб с кручением и т.д. В этих случаях мы имеем дело с так называемой сложной деформацией. Необходимо учитывать и такие возможные формы работы элемента, как выпучивание (потеря устойчивости) при действии сжимающей или поперечной нагрузки, смятие (местное сжатие).

Можно выделить всего семь видов базовых несущих элементов, которые в зависимости от способа их применения и характера работы могут образовывать различные несущие конструкции.

1. Стержень, или стержневой элемент, – это жесткий прямолинейный несущий элемент, который в расчетных схемах идеализируется осью, проходящей через центры тяжести его поперечных сечений. Стержень может иметь постоянное или переменное поперечное сечение. Он может работать на растяжение, сжатие, изгиб, срез, кручение. Прямолинейный стержень, установленный вертикально и воспринимающий сжимающую осевую нагрузку (или, как говорят, работающий на сжатие под действием осевой нагрузки), представляет собой стойку (рис. 1.1, а, б) или колонну. Стержень, воспринимающий поперечную нагрузку, т.е. нагрузку, действующую перпендикулярно его оси (работающий на изгиб под действием поперечной нагрузки), называется балкой (рис. 1.1, в). Из отдельных прямолинейных стержней состоят фермы (рис. 1.1, г), рамы, сквозные арки, а также обширный класс пространственных стержневых конструкций.

2. Криволинейный брус – это жесткий элемент с криволинейной осью. Замкнутый плоский криволинейный брус (как правило, кругового очертания) называется кольцом (рис. 1.2, а). Кольцо воспри-

Рис. 1.1.

а – массивная стойка, работающая на сжатие; б – потеря устойчивости тонкой стойки; в – балка; г – ферма (конструкция, состоящая из стержневых элементов, работающих на растяжение или сжатие)

нимает радиальные нагрузки, действующие в его плоскости, испытывая при этом в основном растяжение или сжатие. Примерами конструкций, работающих по такой схеме, являются опорные кольца куполов (рис. 1.2,6) и опорные контуры висячих покрытий. В зависимости от конструкций узлов в кольце могут также возникать изгибающие и крутящие моменты.

Криволинейный брус, опирающийся на неподвижные опоры, называется аркой (рис. 1.2, в). Арка может воспринимать любые нагрузки, действующие в ее плоскости, однако ее характерной особенностью является работа преимущественно на сжатие. Определяющим признаком арки как строительной конструкции является наличие распора – горизонтальных реакций в несмещаемых опорах.

Рис. 1.2.

а – замкнутый криволинейный стержень (кольцо); б – опорное кольцо купола; в – криволинейный стержень (арка)

3. Нить – это гибкий линейный элемент, который можно рассматривать как частный вид стержневого элемента. Нити не способны сопротивляться сжатию и изгибу и работают только на осевое растяжение. По характеру работы можно различить два вида нитей – гибкие нити и ванты (рис. 1.3).

Гибкие нити воспринимают поперечные нагрузки. Не обладая изгибной жесткостью, они принимают очертание, единственно возможное при действующей на них нагрузке. В качестве гибких нитей могут использоваться стальные тросы, канаты, проволока, стальные стержни круглого сечения. Гибкие нити являются основными элементами висячих покрытий с применением стальных канатов, а также тросовых сеток.

Ванты не несут поперечной нагрузки, а загружены только растягивающими силами. Первоначально вантами назывались оттяжки мачт кораблей. В строительстве вантами стали называть прямолинейные растянутые нити, па которых подвешены конструкции второго уровня, непосредственно воспринимающие рабочую нагрузку, – балки, фермы и др. Такие конструкции называют вантовыми или подвесными.

4. Пластина – это тело, ограниченное двумя плоскостями, расстояние между которыми (толщина пластины) мало по сравнению с размерами основания (рис. 1.3, а). В расчетных схемах пластина представляется своей срединной плоскостью – т.е. плоскостью, делящей толщину пластины пополам. Пластина представляет собой жесткий поверхностный элемент, если ее прогиб под действием заданной поперечной нагрузки не превышает 1/5 се толщины. В этом случае можно пренебречь напряжениями растяжения в срединной поверхности пластины. В зависимости от характера работы под нагрузкой пластины могут образовывать различные конструкции: плиты, балки-стенки, диафрагмы, стены, а также могут использоваться в сложных составных конструкциях – складках.

Рис. 1.3.

а – ванта; б – гибкая нить; в – тросовая конструкция; г – вантовая конструкция

Плита – это пластина (h/a " h/b " 1/30), опертая точечно или непрерывно по двум, трем или четырем сторонам и загруженная поперечной нагрузкой (рис. 1.3, б ). Перекрытия гражданских и промышленных зданий часто выполняются из железобетонных плит, обладающих большой прочностью и жесткостью. Плиты работают на изгиб из своей срединной плоскости.

Балка-стенка – это вертикальная плита, установленная на две опоры и загруженная вертикальной нагрузкой, действующей в срединной плоскости плиты.

Диафрагма (диск) – это плита, загруженная в своей плоскости нагрузкой, действующей в разных направлениях (рис. 1.3, в). Железобетонные стены-диафрагмы, установленные вертикально между колоннами каркаса здания, обеспечивают его пространственную жесткость и неизменяемость под действием горизонтальных нагрузок (например, ветровых и сейсмических).

Стена – это вертикальная плита, которая воспринимает как вертикальные нагрузки (собственный вес, вес вышележащих конструкций), так и поперечные, горизонтальные нагрузки (рис. 1.4, г). Стена находится в условиях сложного нагружения и испытывает изгиб из своей плоскости, центральное или внецентренное сжатие и срез (сдвиг). Вертикальные плиты часто называют панелями: например, стеновая панель, панель-диафрагма, панель-перегородка и т.д.

5. Оболочка (оболочечный элемент) – это трехмерное тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, один из размеров которого (толщина) мал по сравнению с остальными размерами (рис. 1.5, а). Геометрическое место точек, равноудаленных от поверхностей оболочки, называется срединной поверхностью. Оболочки могут быть нулевой, одиночной или двоякой (рис. 1.5, б – г) кривизны, при этом множество возможных форм оболочек практически безгранично. За счет своей пространственной формы оболочка эффективно работает при различных видах нагрузок, позволяя создавать экономичные конструкции, обладающие большой архитектурной выразительностью. В поперечных сечениях оболочек возникают усилия растяжения или сжатия в одном или двух направлениях. При несимметричных загружениях в элементах

Рис. 1.4.

а – пластина; 6 – плита; в – панель-диафрагма; г – несущая стена

Рис. 1.5.

а – безмоментная оболочка; б – цилиндрический свод (оболочка нулевой гауссовой кривизны); в – сферическая оболочка (оболочка двоякой положительной гауссовой кривизны); г – гипар (оболочка двоякой отрицательной гауссовой кривизны)

оболочек могут возникать сдвиговые силы. Изгибающие моменты обычно возникают лишь в отдельных областях оболочек, например в приопорных зонах. Па рис. 1.5 показаны упрощенные схемы распределения усилий в оболочках.

6. Мембрана – это гибкая пластина или гибкая оболочка в виде полотнища. Гибкая пластина образует мембранный элемент одинарной кривизны. Гибкая оболочка может образовывать мембрану двойной кривизны (рис. 1.6). Мембраны, как и нити, работают только на растяжение. Под действием поперечной нагрузки они принимают очертание, соответствующее виду нагрузки. Мембранные элементы изготавливаются из материалов, эффективно работающих на растяжение, например из стали или пластиков. В мембранах силовой поток распределен по всей поверхности, вызывая равномерные и сравнительно невысокие нормальные напряжения материала.

7. Массивный элемент – это трехмерное тело, все три основных размера которого имеют один и тот же порядок. К массивным элементам можно отнести фундаментные блоки, опоры мостов и т.п.

Рис. 1.6.

а – мембрана (действуют только растягивающие усилия); б – тентовая конструкция (для формообразования используется предварительное натяжение); в – воздухоопорная оболочка (элемент такой оболочки работает как мембрана – на растяжение)

Cтраница 2

Несущим элементом лесов является опорная рама, состоящая из двух стоек, соединенных болтами с основанием. Рама имеет нижний ригель и подкладку на грунт. Стойки изготовляют из двух досок, соединенных гвоздями на прокладках из обрезков досок. Опорные рамы устанавливают перпендикулярно к возводимой стене на расстоянии 0 65 м от нее; через 2 5 м вдоль стены их раскрепляют раскосами по наружному ряду стоек.  

Несущими элементами конвейера служат люльки (подвески), конструкции которых весьма разнообразны в зависимости от формы, размеров и веса транспортируемых грузов и способа их загрузки и разгрузки. При автоматических загрузке и разгрузке обычно применяются гребенчатые (колосниковые) люльки (фиг.  

Несущим элементом ремня является канат, который передает растягивающую нагрузку и обеспечивает высокую продольную жесткость, необходимую для правильного распределения нагрузки между зубьями. Поэтому расчетным параметром зацепления ремня со шкивами является модуль по средней линии каната. Форма зубьев ремня - трапецеидальная.  

Несущим элементом кровли служит профилированный настил из алюминиевых листов с теплоизоляционным слоем из пенополистирола. Поперечная жесткость каркаса обеспечивается двухшар-нирными рамами, а продольная - связевыми панелями, расположенными у торцов здания и у температурного шва.  

Несущими элементами крыш являются стропила и опорные стойки, воспринимающие нагрузки от кровли, ветра и снега. Опорные стойки включают опорный брус (лежень), брусья прогона и подкосы.  

Несущими элементами захватов 8 и 9 являются прямоугольные рамы, коробчатые продольные и поперечные балки которых сварены друг с другом посредством угловых коробок 1 (см. рис. 4.20) и ребер жесткости.  

Несущими элементами покрытия служат канаты диаметром 40 мм, имеющие шаг 1 5 м, которые прикреплены к железобетонным бортовым балкам двутаврового сечения. По канатам уложены железобетонные плиты размером 1 5X1 5 м и толщиной 25 мм. Бортовые балки опираются на колонны, усиленные заанкеренными в грунте оттяжками. Плиты сопряжены с канатами посредством петлевых выпусков, а швы между ними за-моноличены бетоном. Продольный уклон кровли от середины к торцам здания создан разностью провеса канатов; наименьший провес имеют средние канаты, наибольший - торцовые.  

Главным несущим элементом резервуара является стенка-днище, которая выполняется из тонких стальных полотнищ постоянной толщины. Полотнища укладываются на основание и образуют плоское днище, а их свободные участки крепятся по периметру к обвязочным балкам и формируют цилиндрические поверхности продольных и торцовых стенок. При этом образуется гибкая висячая система, работающая в основном на растяжение. Форма поверхности стенки соответствует очертанию гибкой нити под действием гидростатической нагрузки.  

двутавровый несущий элемент

Конечная стадия развития оврага

Конструктивный элемент в виде бруса

Лощина, ложбина, овраг

Пологая долина в степи, иногда с болотистой речкой

Строительный элемент перекрытия

Вид долины

Консольная...

Конечная стадия оврага

Конструктивный элемент, обычно в виде бруса, работающий, главным образом, на изгиб

Длинная лощина, овраг

Сухая долина с плоским дном

Старшая сестрица оврага

Несущий элемент перекрытия

Ложбина, овраг

Ложбина

Опорный брус

Строительный элемент перекрытия

Лощина, овраг

Ложбина, овраг

Сухая или с временным водотоком долина с плоским дном, овраг

Ж. немецк. брус, переводина, матица, бревно, положенное концами на две стены, на столбы, на стулья под домом или для настилки наката, пола, для подшивки потолка. Арх.-кем. тресковая печень. Вари уху по балкам, на тресковой печени. Балчина ж. пск. осколок доски? Балочный, до балки относящийся

Овраг, ложбина

Южн. татарск. дол, долина, раздол, ложбина, балчук, длинный и широкий природный овраг. степях Малой и Новой Руси, балки образовались не между гор, которых нет, а меж двух степных кряжей; балки пролегают такими же грядами, отрогами и рассохами, как в других местах горы. балках ближе до воды, можно устроить греблю, бывает и кустарник, и там охотнее селятся. Балкан м. моск. угорье, придол, чищоба между лесом и нагорьем. Балочный, относящийся до балки

Крыша является конструкцией, защищающей здание сверху от атмосферных осадков, солнечных лучей и ветра. Верхняя водонепроницаемая оболочка крыши называется кровлей. Крыша вместе с чердачным перекрытием образует покрытие здания. В подкровельном прстранстве может располагаться мансардный этаж . В том случае, если в здании отсутствует чердак, функции чердачного перекрытия и крыши совмещаются в одной конструкции, которая называется бесчердачным покрытием.

Стены отделяют помещения от внешнего пространства (наружные стены) или от других помещений (внутренние стены), выполняя тем самым ограждающую функцию. Кроме того, стены могут нести нагрузку не только от собственного веса, но и от вышележащих частей здания (перекрытий, крыши и др.), осуществляя несущую функцию. Стены, воспринимающие, кроме собственного веса, нагрузку и от других конструкций и передающие ее фундаментам, называют несущими.

Стены, опирающиеся на фундаменты и несущие нагрузку от собственного веса по всей высоте, но не воспринимающие нагрузки от других частей здания, носят название самонесущих. Наконец, стены, которые служат только ограждениями и свой собственный вес несут в пределах лишь одного этажа, опираясь на другие важные элементы здания, называют ненесущими.

Конструктивные элементы зданий. Общественный центр города Афин. Анализ ансамбля Афинского акрополя.

Несмотря на значительные различия, существующие между зданиями разного назначения как во внешнем виде, так и во внутренней структуре, все они состоят из некоторого ограниченного числа основных взаимосвязанных архитектурно-конструктивных элементов , выполняющих вполне определенные функции (рис.)

Основные элементы здания можно подразделить на следующие группы:

а) несущие, воспринимающие основные нагрузки, возникающие в здании;

б) ограждающие, разделяющие помещения, а также защищающие их от атмосферных воздействий и обеспечивающие сохранение в здании определенной температуры;

в) элементы, которые совмещают и несущие, и ограждающие функции.

Несущие конструкции в совокупности образуют пространственную систему - сочетание вертикальных и горизонтальных элементов, которую называют несущим остовом здания.

Остовобразующие конструкции:

Фундаменты,

Перекрытия,

Отдельностоящие опоры,

Несущие элементы покрытия

Фундаментом называется подземная конструкция, основным назначением которой является восприятие нагрузки от здания и передача ее основанию.

Перекрытиями называют конструкции, разделяющие внутреннее пространство здания на этажи. Перекрытия ограничивают этажи и расположенные в них помещения сверху и снизу (ограждающие функции) и несут, кроме собственного веса, полезную нагрузку, т.е. вес людей, оборудования и предметов, находящихся в помещениях (несущие функции). Кроме того, перекрытия играют весьма существенную роль в обеспечении пространственной жесткости здания, т.е. неизменяемости его конструктивной схемы под действием всех возможных нагрузок.

Перекрытия, в зависимости от их расположения в здании, бывают междуэтажные , разделяющие смежные по высоте этажи; чердачные , отделяющие верхний этаж от чердака; нижние , отделяющие нижний этаж от грунта, и надподвальные , отделяющие первый этаж от подвала. По верху междуэтажных перекрытий настилают полы в зависимости от назначения и режима эксплуатации помещения. А нижняя поверхность перекрытия (или покрытия) образует потолок для нижележащего помещения.

Отдельными опорами называют стойки (столбы или колонны), предназначенные для поддержания перекрытий, крыши, а иногда и стен и передачи нагрузки от них непосредственно на фундаменты. Перекрытия могут опираться или непосредственно на колонны, или, что чаще, на уложенные по ним мощные балки, называемые прогонами. Колонны и прогоны образуют каркас здания.

Вспомогательные элементы:

1) перегородки

2) заполнение проемов (оконных, дверных, ворот)

3) лестницы

4) мусоропроводы

5) инженерное оборудование (лифты, подъемники, платформы, экскалаторы, травлаторы и др.)

6) прочие элементы (балконы, лоджии, сан.кабины и др.)

7) элементы, обеспечивающие пространственную жесткость здания

8) элементы вентиляции зданий

Перегородками называют сравнительно тонкие стены, служащие для разделения внутреннего пространства в пределах одного этажа на отдельные помещения. Перегородки опираются в каждом этаже на перекрытия и никакой нагрузки, кроме собственного веса, не несут.

Лестницы служат для сообщения между этажами. Из противопожарных соображений лестницы, как правило, заключаются в специальные, огражденные стенами, помещения, которые называются лестничными клетками.

Для освещения помещений естественным светом и для их проветривания (вентиляции) служат окна , а для сообщения между соседними помещениями или между помещением и наружным пространством - двери . В некоторых случаях при необходимости ввода в помещение крупного оборудования или средств транспорта помимо дверей устраивают еще и ворота.

Эти и многие другие конструкции и элементы будут рассмотрены в лекционном курсе.

По характеру статистической работы все несущие конструкции подразделяются на плоскостные и пространственные. В плоскостных - все элементы работают под нагрузкой автономно, как правило, в одном направлении, и не участвуют в работе конструкций, к которым они примыкают. В пространственных - все или большинство элементов работают в двух направлениях и участвуют в работе сопрягаемых с ними конструкций.

Благодаря этому повышается жесткость и несущая способность пространственных конструкций и снижается расход материалов на их изготовление.