Стальные арки для несущих конструкций покрытий появились в 40 - 50 гг. прошлого века вскоре после изобретения проката и заклепочных соединений. Кроме своей архитектурной выразительности арки имеют несомненное преимущество перед балочными и рамными конструкциями вследствие значительно меньших (в несколько раз) изгибающих моментов.
Напомним идею арки, которая достаточно проста. Если криволинейный брус выпуклостью вверх установить на две продольно-неподвижные опоры, то при действии нагрузки на брус на опорах появятся не только вертикальные реакции, но и горизонтальные. Последние называются распором. Именно распор в каждом сечении арки создает момент, противоположный по знаку моменту от внешних нагрузок, что и позволяет их существенно уменьшить, а в некоторых случаях довести до нуля.
Арки применяют для покрытий выставочных павильонов, рынков, спортивных сооружений, ангаров, вокзалов и др. В последнее время арочные конструкции применяют и для небольших зданий: теплицы, оранжереи, мастерские, склады, цехи различного производственного назначения. Пролеты арок колеблются от 15 до 100 м и более. С увеличением пролета экономичность арок возрастает.
По статической схеме арки могут быть трех типов: трехшарнирные, двухшарнирные и бесшарнирные (рис. 5.1).
Трехшарнирные арки статически определимы, они нечувствительны к неравномерным осадкам опор и колебаниям температуры. Наличие же
Рис. 5.1. Системы арок:а - двухшарнирная;
б - трехшарнирная;
в - бесшарнирная
251
Рис. 5.2. Эпюры моментов в арках:1 - трехшарнирная;
2 - двухшарнирная;
3 - бесшарнирная
ключевого шарнира усложняет и удорожает конструкцию. Кроме того, величина изгибающего момента в четверти пролета наибольшая по сравнению с другими арками (рис. 5.2), что делает трехшарнирные арки наиболее тяжелыми. В последнее время трехшарнирные арки практически не применяют.
Двухшарнирные арки один раз статически неопределимы и вследствие своей небольшой погонной жесткости могут легко деформироваться без существенного увеличения напряжений от изменения температуры и осадок опор. Они имеют более равномерное распределение изгибающих моментов по сравнению с трехшарнирной аркой. Двухшарнирные арки достаточно экономичны по расходу материала, просты в изготовлении и монтаже и часто применяются в практике строительства.
В бесшарнирных арках распределение моментов наиболее равномерное с локальным возрастанием у опор, поэтому такие арки наиболее экономичны по расходу стали. Однако в таких арках надо исключить возможную осадку опор, что может потребовать значительных затрат на фундаменты. Бесшарнирные арки необходимо рассчитывать на изменение температуры.
Сопоставление основных достоинств и недостатков различных типов арок показывает, что в большинстве случаев отдают предпочтение двухшарнирным аркам.
Генеральными размерами арки являются пролет l и стрела подъема f, а также высота сечения арки h. Пролет и стрела подъема обычно определяются технологическими и архитектурными требованиями. В зависимости от соотношения стрелы подъема f к пролету l арки можно разделить на пологие (f / l < 1/4...1/10) и высокие (или подъемистые) (f / l ≥ 1/4...1).
После назначения размеров l и f необходимо выбрать очертание арки. Поскольку через три точки (две опоры и сечение в ключе) можно провести много различных кривых, надо выбрать оптимальную кривую. Такой кривой является кривая давления, которая характеризуется тем, что от заданной нагрузки в любом сечении арки изгибающие моменты равны нулю. В пологих арках нагрузку от собственного веса можно принять равномерно
252
Рис. 5.3. К выбору очертания арки:а - пологая параболическая арка;
б - высокая арка:
1 - исходная кривая;
2 - кривые давления от действия ветра;
3 - средняя кривая;
4 - окончательная кривая оси арки
распределенной по пролету (рис. 5.3, а). При таком характере нагружения кривая давления представляет квадратную параболу. Поэтому для пологих арок, особенно больших пролетов, принимают параболическое очертание оси. С конструктивной точки зрения параболическое очертание не очень удобно, поскольку кривизна арки различна по длине, а это усложняет изготовление арки. Для упрощения изготовления парабола часто заменяется дугой окружности, что для пологих арок дает близкое совпадение с параболой.
Для высоких арок нагрузка от собственного веса распределяется равномерно по кривой арки. В этом случае очертание арки принимается по цепной линии (катеноид). Но на арку действуют и другие нагрузки: снег, ветер слева или справа, которые дают другие кривые давления (рис. 5.3, б). Тогда кривую арки принимают по некоторой средней кривой, чтобы моменты в арке были минимальны. Окончательная кривая может состоять из разных по характеру кривых, но с обязательным плавным сопряжением между ними (рис. 5.3, б).
Арки являются распорными системами. Величина распора в зависимости от нагрузки, пролета и стрелы подъема может колебаться в значительных пределах. Восприятие распора требует специальных конструктивных мероприятий и, как правило, приводит к существенным дополнительным затратам. Поэтому при проектировании арочных конструкций надо особое внимание уделить вопросу, как и какими конструктивными решениями будет восприниматься распор.
На рис. 5.4 приведены варианты восприятия распора. На схеме рис. 5.4, а распор в арочной конструкции воспринимается затяжкой, устроенной на уровне опорных узлов. В этом случае стены или колонны воспринимают только вертикальные нагрузки. Однако затяжка уменьшает полезный объем здания. Чтобы увеличить полезную высоту помещения, не увеличивая высоту здания, иногда затяжку располагают выше линии опорных шарниров (рис. 5.5). Чтобы затяжка не провисала, ее поддерживают вертикальными подвесками. В большепролетных зданиях распор
253
Рис. 5.4. Варианты восприятия распора в арках
Рис. 5.5. Арка с приподнятой затяжкой
можно передавать на рамы, которые одновременно являются несущими конструкциями производственных или служебных помещений (рис. 5.4, б). Распор можно передавать на специальные пилоны или контрфорсы (рис. 5.4, в), конструкцию трибун в спортивно-концертных комплексах (рис. 5.4, г), непосредственно на фундаменты (рис. 5.4, д). При слабых грунтах под полом может быть устроена затяжка.
254
