Металлические конструкции большепролётных покрытий зданий

По функциональному назначению большепролётные здания можно разделить на:

1) здания общественного назначения (театры, выставочные павильоны, кинотеатры, концертные и спортивные залы, крытые стадионы, рынки, вокзалы);

2) здания специального назначения (ангары, гаражи);

3) промышленные здания (авиационных, судостроительных и машиностроительных заводов, лабораторные корпуса различных производств).

Несущие конструкции по конструктивной схеме подразделяются на:

— блочные,

— рамные,

— арочные,

— структурные,

— купольные,

— висячие,

— сетчатые оболочки.

Выбор той или иной схемы несущих конструкций здания зависит от целого ряда факторов: пролёта здания, архитектурно-планировочного решения и формы здания, наличия и типа подвесного транспорта, требований к жёсткости покрытия, типа кровли, аэрации и освещения, основания под фундаменты и т.д.

Сооружения с большими пролётами являются объектами индивидуального строительства, их архитектурные и конструктивные решения весьма индивидуальны, что ограничивает возможности типизации и унификации их конструкций.

Конструкции таких зданий работают в основном на нагрузки от собственного веса конструкций и атмосферных воздействий.

1.1 Балочные конструкции

Балочные большепролётные конструкции покрытий состоят из главных несущих поперечных конструкций в виде плоских или пространственных ферм (пролёт ферм от 40 до 100 м) и промежуточных конструкций в виде связей, прогонов и кровельного настила.

По очертанию фермы бывают: с параллельными поясами, трапециевидные, полигональные, треугольные, сегментные (см. схемы на рис. 1).

Высота ферм hф=1/8 ÷ 1/14L; уклон i=1/ 2 ÷ 1/15.

Треугольные фермы hф= 1/12 ÷ 1/20L; уклон поясов i=1/5 ÷ 1/7.

Рис.1 - Схемы строительных ферм

Поперечные сечения ферм:

1) плоские   2) коробчатые   3) трёхгранные

При L > 36м одну из опор балочной фермы устанавливают подвижной.

Компоновка покрытия — вертикальные и горизонтальные связи по покрытию решаются аналогично промышленным зданиям со стропильными фермами.

а) нормальная компоновка

стена

СФ L

б) усложнённая компоновка — с подстропильными фермами:

ПФ

СФ L

В В

Балочные схемы покрытий применяются:

— при любых видах подопорных конструкций — кирпичные или бетонные стены, колонны (металлические или железобетонные);

— когда подопорные конструкции не могут воспринимать распорных усилий;

— при строительстве зданий на просадочных или карстовых грунтах и подрабатываемых территориях.

Следует отметить, что балочные схемы покрытий тяжелее рамных и арочных, но просты в изготовлении и монтаже.

Расчёт ферм выполняют методами строительной механики (аналогично расчёту стропильных ферм промышленных зданий).

1.2 Рамные конструкции

Рамные конструкции для покрытий зданий применяют при пролёте

L=40 — 150м, при пролёте L > 150м они становятся неэкономичными.

Преимущества рамных конструкций по сравнению с балочными — это меньший вес, большая жёсткость и меньшая высота ригелей.

Недостатки — большая ширина колонн, чувствительность к неравномерным осадкам опор и изменениям T^о .

Рамные конструкции эффективны при погонных жесткостях колонн, близких к погонным жесткостям ригелей, что позволяет перераспределить усилия от вертикальных нагрузок и значительно облегчить ригели.

При перекрытии больших пролётов применяют, как правило, двухшарнирные и бесшарнирные рамы самых разнообразных очертаний (см. рис.2).

Рис. 2 - Схемы сквозных рам

Бесшарнирные рамы более жёсткие и экономичные по расходу материала, однако, они требуют устройства мощных фундаментов, чувствительны к изменению Т^о.

При больших пролётах и нагрузках ригели рам конструируют как тяжёлые фермы, при сравнительно малых пролётах (40-50м) они имеют такие же сечения и узлы, как лёгкие фермы.

Поперечные сечения рам аналогичны балочным фермам.

Компоновка каркаса и покрытия из рамных конструкций аналогична решению каркасов промышленных зданий и балочных покрытий.

Статический расчёт рамных конструкций выполняют методами строительной механики и по специально разработанным программам на ЭВМ.

Тяжелые сквозные рамы рассчитывают как решёточные системы с учётом деформации всех стержней решётки.

1.3 Арочные конструкции

Арочные конструкции покрытий большепролётных зданий оказываются более выгодными по затрате материала, чем балочные и рамные системы. Однако в них возникает значительный распор, который передаётся через фундаменты на грунт или устраивается затяжка для его восприятия (т.е. погашение распора внутри системы).

Схемы и очертания арок весьма разнообразны: двухшарнирные, трёхшарнирные, бесшарнирные (см. рис. 3).

Наиболее выгодная высота арок: f=1/4 ÷ 1/6 пролёта L.

Высота сечения арок:

- сплошностенчатых 1/50 ÷ 1/80 L,

- решёточных 1/30 ÷ 1/60 L.

Рис. 3 - Схемы арок. Самыми распространёнными являются двухшарнирные арки — они экономичны по расходу материала, просты в изготовлении и монтаже легко деформируются вследствие свободного поворота в шарнирах в них не возникает значительных дополнительх напряжений от То и осадок опор. В трёхшарнирных арках — всё аналогично двухшарнирным, однако ключевой шарнир осложняет конструкцию самих арок и покрытия. Бесшарнирные арки — самые лёгкие, наиболее благоприятно происходит распределение изгибающих моментов. Однако они требуют устройства мощных фундаментов. Их нужно рассчитывать на воздействие То. Сквозные арки конструируют аналогично фермам балочных схем покрытий. Компановка каркаса и покрытия из арочных конструкций аналогична решению каркасов из рамных конструкций. Статический расчёт арочных конструкций выполняют методами строительной механики и по специально разработанным программам на ЭВМ. Раскосы в сквозных арках проектируют как в фермах. Наиболее сложными в конструктивном плане являются опорные и ключевые шарниры (см. рис. 4 и 5)

Рис.4 - Схемы опорных шарниров арок и рам (а — плиточный,

б — пятниковый, в — балансирный:

1 — плита, 2 — цапфа, 3 —балансир).

Рис. 5 - Ключевые шарниры и арок

(а —плиточный; б —балансирный; в —листовой; г —болтовой)

После определения M, N, Q сечения стержней арки подбирают также, как сечения стерней ферм:

а h в   NНпояса=N×a/h+Mх/h; NВпояса=N×b/h+Mх/h; Nраскоса=Q/sin α . При расчете раскосов также необходимо учитывать дополнительные напряжения от обжатия поясов: Gдопраск= [(Gп.верх+Gп.ниж.)/2] ×cos α

1.4 Пространственные конструкции покрытий большепролётных зданий

В балочных, рамных и арочных системах покрытий, состоящих из отдельных несущих элементов, нагрузка передаётся только в одном направлении — вдоль несущего элемента. В этих системах покрытий несущие элементы соединены между собой лёгкими связями, которые не предназначены для перераспределения нагрузок между несущими элементами, а только обеспечивают их пространственную устойчивость, т.е. с их помощью обеспечивается жёсткий диск покрытия.

В пространственных системах связи усиливают и привлекают к распределению нагрузок и передаче их на опоры. Приложенная к пространственной конструкции нагрузка передаётся в двух направлениях. Такая конструкция получается обычно легче плоской.

Пространственные конструкции могут быть плоскими (плиты) и криволинейными (оболочки).

Плоские пространственные системы (исключая висячие) для обеспечения необходимой жёсткости должны быть двухпоясными — по поверхности образующие сетчатую систему. Двухпоясные конструкции имеют две параллельные сетчатые поверхности, соединённые между собой жёсткими связями.

Однослойные конструкции, имеющие криволинейную систему поверхности, называются односетчатыми.

В таких конструкциях принцип концентрации материала заменён принципом многосвязности системы. Изготовление и монтаж таких конструкций очень трудоёмок, требует специальных приёмов изготовления и монтажа, что является одной из причин их ограниченного применения.

1.5 Пространственные сетчатые системы плоских покрытий

В строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, так называемые структурные конструкции или просто структуры, которые применяются в виде плоских покрытий большепролётных общественных и производственных зданий.

Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрёстных ферм (см. рис.6):

1) Структуры, образованные из перекрёстных ферм, идущих в трёх направлениях. Поэтому они являются наиболее жёсткими, однако более сложными в изготовлении. Это структуры с поясными сетками из разносторонних треугольников.

2) Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях. Это структуры с поясными сетками из квадратных ячеек.

3) Структуры, образованные из ферм, также идущих в двух направлениях, но усиленных диагоналями в угловых зонах. Поэтому они более жёсткие.

Достоинства структур:

— Большая пространственная жёсткость: можно перекрывать большие пролёты при различных опорных контурах или сетках колонн; получать выразительные архитектурные решения при высоте структуры.

Hструктур=1/12 — 1/20 L

— Повторяемость стержней — из стандартных и однотипных стержней можно монтировать покрытия разных пролётов и конфигураций в плане (прямоугольные, квадратные, треугольные и криволинейные).

— Позволяет крепить подвесной транспорт и изменять при необходимости направление его движения.

— Системы покрытий из структур могут быть как одно-, так и многопролётными с опиранием как на стены, так и на колонны.

— Устройством консольных свесов за линией опор уменьшают расчётный пролётный изгибающий момент и существенно облегчают конструкцию покрытия.

Рис. 6 - Схемы решёток структурных покрытий (а — с поясными сетками из равносторонних треугольных ячеек; б — с поясными сетками из квадратных ячеек; в — то же, усиленных диагоналями в условных зонах: 1 — верхние пояса,

2 — нижние пояса, 3 — наклонные раскосы, 4 — верхние диагонали, 5 —нижние диагонали, 6 — опорный контур).

Недостатки структур — повышенная трудоёмкость изготовления и монтажа. Пространственные узлы сопряжений стержней (см. рис. 7) — самые сложные элементы в структурах:

— шаровая вставка (а);

— на винтах (б);

— цилиндрический сердечник с прорезями, стянутый одним болтом с шайбами (в, г);

— сварной узел сплюснутых концов стержней (д).

Рис. 7 - Узлы сопряжений стержней структур

Структурные конструкции представляют собой многократно статически неопределённые системы. Точный расчёт их сложен и выполняется на ЭВМ.

При упрощённом подходе структуры рассчитывают способами строительной механики — как изотропные плиты или как системы перекрёстных ферм без учёта крутящих моментов.

Величины моментов и поперечных сил определяют по таблицам для расчёта плит: Mплиты; Qплиты — далее переходят к расчёту стержней.

1.6 Оболочные покрытия

Для покрытий зданий применяют односетчатые, двухсетчатые цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны.

Цилиндрические оболочки (см. рис. 8) выполняют в виде сводов с опиранием:

а) прямолинейным образующим контура

б) на торцовые диафрагмы

в) на торцовые диафрагмы с промежуточными опорами

Рис.8 - Схемы опирания цилиндрических оболочек (1 — оболочка;

2 — торцовая диафрагма; 3 — связи; 4 — колонны).

Односетчатые оболочки применяют при пролётах В не более 30м.

Двухсетчатые — при больших пролётах В>30м.

По цилиндрической поверхности расположены стержни, образующие сетки различной системы (см. рис. 9):

— ромбическая сетка (а);

— ромбическая сетка с продольными рёбрами (б);

— ромбическая сетка с поперечными рёбрами (в);

— ромбическая сетка с поперечными и продольными рёбрами (г).

Наиболее простая сетка ромбического рисунка, которую получают из лёгких стандартных стержней (∟, ○, □) прокатных профилей. Однако такая схема не обеспечивает необходимой жёсткости в продольном направлении при передаче нагрузки на продольные стены.

Рис. 9 - Система сеток односетчатых оболочек

Жёсткость конструкции значительно увеличивается при наличии продольных стержней (схема "б") — конструкция может работать как оболочка пролётом L. В этом случае опорой могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовыми диафрагмами.

Наиболее жёсткими и выгодными являются сетки (схема "в"), у которых есть и продольные и поперечные рёбра (стержни), а решётка сетки направлена под углом 45 .

Расчёт оболочек выполняют методами теории упругости и методами теории оболочек. Оболочки без поперечных рёбер рассчитывают как безмоментные складки (способ Эллерса). При наличии поперечных рёбер, обеспечивающих жёсткость контура, — по моментной теории Власова (она сводится к решению восьмичленных уравнений).

При расчёте сквозных сетчатых оболочек, сквозные грани конструкций заменяются сплошными пластинами эквивалентной толщины при работе на сдвиг, осевое растяжение и сжатие.

Более точный расчёт сетчатых оболочек выполняют на ЭВМ по специально разработанным программам.

Двухсетчатые оболочки применяют при перекрытии пролётов шириной более B>30м.

Конструктивные схемы их аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит — структур. Как и в структурах, они образуются системами перекрёстных ферм, связанных по верхним и нижним поясам специальными связями — решёткой. Но при этом в оболочках основная роль в восприятии усилий принадлежит криволинейным сетчатым плоскостям, соединяющая их решётка меньше участвует в передаче усилий, но придаёт конструкции большую жёсткость.

По сравнению с односетчатыми двухсетчатые оболочки обладают большей жёсткостью и несущей способностью. Ими можно перекрывать пролёты зданий от 30 до 700м.

Проектируют их в виде цилиндрической поверхности, опирающиеся на продольные стены или на металлические колонны. По торцам оболочки опираются на жёсткие диафрагмы (стены, фермы, арки с затяжкой и т.д.).

Наилучшее распределение усилий в оболочке при B=L.

Расстояние между сетчатыми поверхностями h=1/20÷1/100R при f/B=1/6÷1/10.

Как и в структурах, наиболее сложным является узел сопряжения стержней.

Расчёт двухсетчатых оболочек производят на ЭВМ по специально составленным программам.

Для приближённого расчёта оболочки необходимо стержневую систему привести к эквивалентной сплошной оболочке и установить модуль сдвига среднего слоя, эквивалентного по жёсткости соединительной решётке.

1.7 Купольные покрытия

Конструкции куполов бывают четырёх видов (см. рис.6): ребристые (а), ребристо-кольцевые (б), сетчатые (в), радиально-балочные (г).

Рис. 10 - Схемы куполов

Ребристые купола

Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных рёбер в виде балок, ферм или полуарок, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами.

Верхние пояса рёбер образуют поверхность купола (обычно сферическую). По прогонам устраивают кровлю.

В вершине для перестыковки рёбер устраивают жёсткое кольцо, работающее на сжатие. Рёбра к центральному кольцу могут крепиться шарнирно или иметь жёсткое закрепление. Пара рёбер купола, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных центральным кольцом, рассматривается как единая, например арочная, конструкция (двухшарнирная, трёхшарнирная или бесшарнирная).

Ребристые купола являются распорными системами. Распор воспринимается стенами или специальным распорным кольцом в форме окружности или многогранника с жёсткими или шарнирными сопряжениями в углах.

Между рёбрами с определённым шагом укладывают кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Погоны, помимо своего основного назначения, обеспечивают общую устойчивость верхнего пояса ребер из плоскости, уменьшая их расчётную длину.

Для обеспечения общей жёсткости купола в плоскости прогонов устраиваются с определённым шагом скатные связи между рёбрами, а также вертикальные связи для развязки внутреннего пояса арки — между вертикальными связями устраивают распорки.

Расчётные нагрузки — собственный вес конструкции, вес оборудования и атмосферные воздействия.

Расчётными элементами купольного покрытия являются: рёбра, опорное и центральное кольцо, прогоны, скатные и вертикальные связи.

Если распор купола воспринимают распорным кольцом, то при расчёте арки кольцо может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары полуарок (образующих плоскую арку).

При расчёте опорного кольца — при частом расположении арок (рёбер) купола действия их распоров можно заменить эквивалентной равномерно распределённой нагрузкой:

Ребристо-кольцевые купола

В них погоны с рёбрами составляют одну жёсткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб от нагрузки на покрытие, но и от реакций промежуточных рёбер и воспринимают растягивающие или сжимающие кольцевые усилия, возникающие от распоров в месте опирания многопролётных полуарок.

Вес рёбер (арок) в таком куполе уменьшается благодаря включению в работу кольцевых прогонов, как промежуточных опорных колец. Кольцевые рёбра в таком куполе работают так же, как и опорное кольцо в ребристом куполе, и при расчёте арок могут быть заменены условными затяжками.

При симметричной нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых рёбер (прогонов).

Сетчатые купола

Если в ребристом или ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением стержней в узлах.

В сетчатых куполах между рёбрами (арками) и кольцами (кольцевыми прогонами) располагают раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола. Стержни в этом случае работают в основном только на осевые силы, что уменьшает вес рёбер (арок) и колец.

Стержни сетчатых куполов выполняют из замкнутых профилей (круглого, квадратного или прямоугольного сечения). Узлы соединений стержней как и в структурах или сетчатых оболочках.

Расчёт сетчатых куполов производят на ЭВМ по специально разработанным программам.

Приблизительно их рассчитывают по безмоментной теории оболочек — как сплошную осесимметричную оболочку по формулам из соответствующих расчётно-теоретических справочников.

Радиально-балочные купола

Представляют собой ребристые купола, составленные из сегментных полу-ферм, расположенных радиально. В центре сегментные полуфермы присоединяются к жёсткому кольцу (решётчатому или сплошностенчатому с диафрагмами жёсткости).

1.8 Висячие покрытия

Висячими называются покрытия, в которых основные несущие элементы работают на растяжение.

В этих элементах наиболее полно используются высокопрочные стали, поскольку их несущая способность определяется прочностью, а не устойчивостью.

Несущие растянутые стержни — ванты — могут выполняться гибкими или жёсткими.

Жёсткие — выполняют из выгнутых двутавровых балок.

Гибкие — выполняют из стальных канатов (тросов) свитых из высокопрочной проволоки с R= 120 кН/см2 ÷ 240 кН/см2.

Висячие конструкции покрытий являются одной из наиболее перспективных конструктивных форм для применения высокопрочных материалов. Конструктивные элементы висячих покрытий легко транспортировать, относительно легко монтировать. Однако сооружение висячих покрытий имеет ряд трудностей, от удачного инженерного решения которых зависит эффективность покрытия в целом:

Первый недостаток — висячие покрытия — системы распорные и для восприятия распора необходима опорная конструкция, стоимость которой может составлять значительную часть стоимости всего покрытия. Уменьшения стоимости опорных конструкций можно достичь за счёт повышения эффективности их работы — созданием покрытий круглой, овальной и других не прямолинейных форм плана;

второй недостаток — повышенная деформативность висячих систем. Это вызвано тем, что модуль упругости витых тросов меньше чем у прокатной стали (Етроса=1,5 ÷ 1,8×10⁵МПа; Е прокатных стержней = 2,06×10 ⁵ Мпа), а область упругой работы высокопрочной стали значительно больше, чем у обычной стали. Таким образом, относительная деформация троса в упругой стадии работы ε=G/Е получается в несколько раз больше чем у элементов из обычной стали.

Большинство висячих систем покрытия являются системами мгновенной жёсткости, т.е. системами, которые работают упруго лишь на равновесные нагрузки, а при действии неравномерных нагрузок в них, помимо упругих деформаций, появляются ещё и кинематические перемещения системы, ведущие к изменению целостности геометрической системы покрытия.

Для уменьшения кинематических перемещений висячие системы покрытий часто снабжают специальными стабилизирующими устройствами и предварительно напрягают.

Типы схем висячих покрытий

1. Однопоясные системы с гибкими вантами

Такие системы покрытий в плане проектируют прямоугольными или изогнутыми, например, круглыми (см. рис.11).

Они представляют собой предварительно напряжённые железобетонные оболочки, работающие на растяжение. Напряжённой арматурой в них является система из гибких вант, на которые во время монтажа укладывают сборные железобетонные плиты. В это время на ванты даётся дополнительный пригруз, который после укладки всех железобетонных плит и замоноличивания швов снимают. Ванты обжимают железобетонные плиты и образовавшаяся железобетонная оболочка получает предварительное напряжение сжатия, позволяющее ей воспринимать растягивающее напряжение от внешних нагрузок и обеспечивает общую устойчивость конструкции. Несущая способность покрытия обеспечивается растяжением вант.

В покрытиях прямоугольного плана распор вант воспринимает опорная конструкция из оттяжек и анкеров, закреплённых в грунте.

Рис. 11 - Однопоясные покрытия с гибкими вантами

(а — прямоугольные в плане; б — круглые в плане)

В покрытиях круглого (овального) плана распор передаётся на наружное сжатое кольцо, лежащее на колоннах и внутреннее (растянутое) металлическое кольцо.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет f=1/10÷1/20 L. Такие оболочки являются пологими.

Сечение вант покрытия определяют по монтажной нагрузке. В этом случае ванты работают как отдельные нити, и распор в них можно определять без учёта их деформаций H=M/f , где M — балочный момент от расчётной нагрузки, f — стрела провисания нити.

Наибольшее усилие в ванте будет на опоре

где V — балочная реакция.

2. Однопоясные системы с жёсткими вантами

Рис. 12 - 1 — продольные изгибно-жёсткие рёбра; 2 — поперечные рёбра;

3 — мембрана алюминиевая, t = 1,5 мм

В таких покрытиях гнутые жёсткие ванты, прикреплённые к опорному поясу, работают под действием нагрузки на растяжение с изгибом. Причём при действии равномерной нагрузки доля изгиба в напряжениях невелика. При действии неравномерной нагрузки жёсткие ванты начинают сильно сопротивляться местному изгибу, чем значительно уменьшают деформативность всего покрытия.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет 1/20 ÷ 1/30 L. Однако, использование жёстких нитей возможно лишь при небольших пролётах, т.к. с увеличением пролёта значительно усложняется монтаж и увеличивается их масса. По таким жёстким вантам можно укладывать лёгкую кровлю, отсутствует необходимость в предварительном напряжении (его роль выполняет изгибная жёсткость ванты).

При равномерной нагрузке распор в ванте определяют по формуле

H = 8/3 ×[(EA)/(l²mо)] × (f+fо) × ∆f +Hо;

где ∆f=f–fо ,

f - прогиб под нагрузкой,

fо – начальный провес;

m1=1+(16/3)/(fо/l)²

Изгибный момент в середине ванты находят по формуле

M= q I²/8–Hf .

3. Однопоясные висячие покрытия, напрягаемые с помощью поперечных балок или ферм

Рис. 13

Стабилизация таких канатно-балочных систем достигается либо увеличенной массой поперечных и жёстких на изгиб элементов, либо предварительным напряжением оттяжек, которые соединяют поперечные балки или фермы с фундаментами или опорами. Таким способом напрягаются покрытия с лёгким кровельным настилом.

Благодаря изгибной жёсткости поперечных балок или ферм покрытие приобретает пространственную жёсткость, которая особенно проявляется при загружении пролётной конструкции местной нагрузкой.

4. Двухпоясные системы

Рис. 14

В покрытиях такого типа имеется две системы вант:

— Несущие — имеющие изгиб вниз;

— Стабилизирующие — имеющие изгиб вверх.

Это делает такую систему мгновенно жёсткой — способной воспринимать нагрузки, действующие в двух различных направлениях. Вертикальная нагрузка вызывает у несущей нити растяжение, а у стабилизирующей — сжатие. Отсос ветра вызывает в вантах усилия обратного знака.

В покрытиях данного типа можно применять лёгкие кровли.

5. Седловидные напряжённые сетки

Рис. 15

Покрытия такого типа применяются для капитальных зданий и временных сооружений.

Сетка покрытия: несущие (продольные) тросы изогнуты вниз, стабилизирующие (поперечные) тросы изогнуты вверх.

Такая форма покрытия позволяет предварительно напрягать сетку. Поверхность покрытия лёгкая из различных материалов: от стального листа до плёнки и тента.

Шаг сеток приблизительно один метр. Точный расчёт сеток таких покрытий возможен только на ЭВМ.

6. Металлические оболочки-мембраны

Рис. 16

По форме в плане это эллипс или круг, а форма оболочек довольно разнообразная: цилиндрическая, коническая, чашеобразная, седловидная и шатровая. Большинство из них работает по пространственной схеме, делает её весьма выгодной и позволяет применять листы толщиной 2 — 5мм.

Расчёт таких систем производят на ЭВМ.

Главное преимущество таких систем покрытий — это совмещение несущих и ограждающих функций.

Утеплитель и гидроизоляцию укладывают на несущую оболочку, не применяя кровельных плит.

Полотнища оболочки выпускают на заводе-изготовителе и доставляют на монтаж в виде рулонов, из которых на площадке строительства собирают всю оболочку без применения лесов.

Раздел 2. Листовые конструкции

Листовыми называют конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения, транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов.

К этим конструкциям относятся:

— Резервуары для хранения нефтепродуктов, воды и других жидкостей.

— Газгольдеры для хранения и распределения газов.

— Бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов.

— Трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельчённых или разжиженных твёрдых веществ.

— Специальные конструкции металлургической, химической и др. отраслей промышленности:

- кожухи доменных печей

- воздухонагреватели

- пылеуловители — скрубера, корпуса электрофильтров и рукавных фильтров

- дымовые трубы

- сплошностенчатые башни

- градирни и т.д.

Такие листовые конструкции занимают 30% от всех металлических конструкций.

Условия работы листовых конструкций достаточно разнообразны:

— они могут быть надземными, наземными, полузаглублёнными, подземными, подводными;

— могут воспринимать статические и динамические нагрузки;

— работать под низким, средним и высоким давлением;

— под воздействием низких и высоких температур, нейтральных и агрессивных сред.

Для них характерно двухосновное напряжённое состояние, а в местах сопряжения с днищем и рёбрами жёсткости, в местах сопряжения оболочек различной кривизны (т.е. на границе изменения радиуса кривизны) возникают местные высокие напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков это — так называемое явление краевого эффекта.

Листовые конструкции всегда совмещают несущую и ограждающую функции.

Сварные соединения элементов листовых конструкций выполняют встык, внахлёстку и впритык. Соединения выполняют автоматической и полуавтоматической дуговой сваркой.

Большинство листовых конструкций являются тонкостенными оболочками вращения.

Рассчитывают оболочки методами теории упругости и теории оболочек.

Листовые конструкции рассчитывают на прочность, устойчивость и выносливость.

1.1 Резервуары

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы они делятся на цилиндрические (вертикальные и горизонтальные), сферические и каплевидные.

По расположению относительно планировочного уровня земли различают: надземные (на опорах), наземные, полузаглублённые, подземные и подводные.

Они могут быть постоянного и переменного объёмов.

Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.

Наибольшее распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары как самые простые при изготовлении и монтаже.

Вертикальные резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления, в которых хранят нефтепродукты при малой их оборачиваемости (10 — 12 раз в год). В них образуется избыточное давление в паро-воздушной зоне до 2кПа, а при опорожнении вакуум (до 0,25кПа).

Вертикальные резервуары с плавающей крышей и понтоном применяют при хранении нефтепродуктов при большой оборачиваемости. В них практически отсутствует избыточное давление и вакуум.

Резервуары повышенного давления (до 30кПа) используют для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10 — 12 раз в год.

Шаровидные резервуары — для хранения больших объёмов сжиженных газов.

Каплевидные резервуары — для хранения бензина с высокой упругостью паров.

Вертикальные резервуары

Рис. 17

Основные элементы:

— стенка (корпус);

— днище;

— крыша (покрытия).

Все элементы конструкций изготавливают из листовой стали. Они просты в изготовлении и монтаже, достаточно экономичны по расходу стали.

Установлены оптимальные размеры вертикального цилиндрического резервуара постоянного объёма, при которых расход металла будет наименьшим. Так, резервуар со стенкой постоянной толщины имеет минимальную массу, если

[(mдн + mпок) / mст] = 2, а значение оптимальной высоты резервуара определяется по формуле

,

где V — объём резервуара,

∆= t_дн.+t_прив. _покр. — сумма приведённой толщины днища и покрытия,

tст. — толщина стенки корпуса.

В резервуарах больших объёмов толщина стенки переменна по высоте. Масса такого резервуара получится минимальной, если суммарная масса днища и покрытия равна массе стенки, т.е. mдн.+mпокр.= mст.

В этом случае

,

где ∆= tдн. + tприв. покр.,

n — коэффициент перегрузки,

γ ж. — удельный вес жидкости.

Днище резервуара

Так как днище резервуара опирается по всей своей площади на песчаное основание, то от давления жидкости оно испытывает незначительные напряжения. Поэтому толщину листа днища не рассчитывают, а принимают конструктивно с учётом удобств монтажа и сопротивляемости коррозии.

При V≤1000м и Д<15м → tдн = 4мм; при V>1000м и Д=18—25м → tдн = 5мм; при Д > 25м → tдн = 6мм.     Рис. 18

Листы полотнищ днища соединяют между собой по продольным кромкам внахлёстку с перекрытием 30 — 60мм при tдн. = 4 — 5мм, а при tдн.= 6мм — выполняются встык. Крайние листы — "окрайки" — принимают на 1—2мм толще листов средней части днища. Из завода-изготовителя всё поставляется в рулонах (Q ≤ 60т).

Конструирование стенок:

Рис. 19

Стенка резервуара состоит из ряда поясов высотой, равной ширине листа. Соединяют пояса между собой встык или внахлёстку в телескопическом или ступенчатом порядке. Сопряжение встык выполняют в основном на заводе изготовителе (реже на монтаже), внахлёстку — как на заводе, так и на монтаже.

Распространён метод строительства резервуаров методом рулонирования.

Расчёт на прочность — стенка корпуса является несущим элементом и рассчитывается по методу предельных состояний в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81

&