Проектирование структурных плит включает следующий ряд вопросов, которые инженеру необходимо решить для выбора обоснованного рационального решения:
328
- выбор схемы структурной плиты и выбор условий ее опирания;
- определение генеральных размеров конструкции;
- составление расчетной схемы и статический расчет плиты;
- конструктивный расчет плиты с подбором сечений, проверкой прочности и устойчивости стержней, а также расчетом прочности узлов.
Структурными плитами перекрывают обычно пролеты 18...30 м. При выборе схемы плиты приходится учитывать ее назначение, величину перекрываемого пролета, опорных конструкций, конструкции кровли, условия размещения и характеристики технологического оборудования, возможности изготовления (на специализированных или универсальных заводах металлоконструкций).
Выбор схемы структурной плиты прежде всего существенно зависит от условий ее опирания. Различают три наиболее часто встречающиеся схемы опирания структурных плит: контурное - при размещении опор по всему контуру (рис. 7.21, а); внутриконтурное - со смещением опор внутрь и образованием консолей (рис. 7.21, б); смешанное опирание, когда опоры располагают не только по контуру, но и внутри него (рис. 7.21, в). Для симметричных по структуре плит, как правило, применяют и симметричное расположение опор. Но не исключены и другие схемы размещения опор, например смешанное опирание с несимметричным размещением дополнительных опор внутри контура. При относительно больших пролетах структурных плит иногда используют схемы опирания с подвеской на ванты в нескольких внутриконтурных точках (см. рис. 7.17). Ванты при этом крепят к пилонам, пропущенным сквозь структурную плиту, либо к тросам-подборам. Это создает некоторые проблемы в оформлении узлов пересечения вант с кровлей, но зато позволяет перекрывать структурами пролеты 60 м и более.
Металлоемкость структурных плит в значительной мере зависит от условий их опирания. Опоры на контуре целесообразно ставить не реже, чем на расстоянии, равном 1/4 пролета. При опирании квадратной плиты только в угловых точках расход металла увеличивается примерно в 2 раза, а прогиб в середине пролета возрастает в 3 раза. Для плит пролетом 18 м вполне допустимо контурное опирание на стойки, размещенные с шагом 6 м. Обычно применяемый вылет консолей плиты составляет 0,1...0,3 пролета, оптимальный вылет консолей квадратной плиты близок к 1/4 пролета.
Кроме описанных выше разрезных и консольных плит применяют и неразрезные структурные плиты. Неразрезность плит позволяет снизить расход металла на 15...20% и повысить их жесткость. Но следует иметь в
329
Рис. 7.21. Варианты опирания структурных плит:а - контурные;
б - внутриконтурные;
в - смешанные
виду, что неразрезные плиты более чувствительны к различной осадке опор, чем разрезные.
Генеральными размерами структурных плит называют общую ширину В, пролет (длину) l и высоту (толщину плиты) h. Важной характеристикой является также размер ячейки поясных сеток (стороны основания кристалла) а. Наиболее распространены квадратные плиты с ортогональными ячейками поясных сеток, и это вполне оправдано тем, что пространственный эффект проявляется полнее всего при отношении l/B = 1. Весьма эффективны структурные плиты на гексагональном плане при использовании треугольных и шестиугольных сеток поясов. При отношении l/В ≥ 2 прямоугольная плита по своей работе близка к работе линейной протяженной конструкции. Конструкции с таким соотношением сторон
330
обычно называют пространственными блоками (например, пространственный блок покрытия), хотя по конструктивному решению они могут быть выполнены совершенно аналогично структурным плитам.
Высоту (толщину) структурной плиты выбирают с учетом технологических требований и по экономическим соображениям. Если нет особых технологических ограничений, связанных с размещением систем оборудования в пределах покрытия и т.п., то может быть выбрана оптимальная высота по критерию минимальных приведенных затрат, минимальной стоимости или минимума затрат металла. Первый из критериев наиболее предпочтителен, так как он позволяет учесть эксплуатационные затраты.
Так, оптимальная высота для разрезных структурных плит системы "МАрхИ" для средней полосы России и районов Урала и Сибири составляет 1/14...1/16 пролета и с ростом пролета она уменьшается. При выборе высоты проверяют также минимально необходимое ее значение по требованиям жесткости. Нормативное требование к жесткости связано с прогибом плиты в середине пролета, который можно найти лишь после назначения всех параметров, в том числе и сечений стержней. Приближенное значение минимально необходимой высоты может быть найдено по формуле, аналогичной тем, что используются для отыскания минимальной требуемой высоты балочных конструкций [4]:
(7.13)
где ξ - коэффициент, учитывающий форму плиты и условия опирания (табл. 7.4); γf - осредненный коэффициент надежности по нагрузке; φ - осредненный коэффициент продольного изгиба для сжатых стержней поясов; k - коэффициент, учитывающий влияние податливости решетки: (k = 1,2...1,1 для относительной высоты плиты h/l = 1/12...1/24). Значение [l/f] принимают по нормативным требованиям 250 или 300 (при l ≥ 36 м).
С помощью табл. 7.4 легко оценить влияние граничных условий для плиты: при опирании на колонны, расположенные с шагом не более 1/4 пролета, коэффициент ξ на 27% меньше, чем у протяженного блока (ξ = 1/9,6), а это значит, что требуется и меньшая высота структуры.
Окончательное значение высоты плиты выбирают из области, ограниченной указанными выше значениями. Практика проектирования показывает, что иногда оптимальная высота (найденная без учета ограничения по жесткости) оказывается меньше минимально необходимой по требованиям жесткости и тогда последняя рассматривается как определяющая.
331
Таблица 7.4. Значения коэффициента ξ
Примечание. Для прямоугольных плит μ > 1 и при расчете высоты по формуле (7.13) принимается пролет l меньшей стороны; b - расстояние между опорами по контуру плиты.
332
В конструктивных решениях, где за основу принят стержень унифицированной длины, высота структуры и размер ячейки взаимосвязаны, поскольку все размеры определены конструкцией кристалла и стандартной длиной стержня. Так, в структурных плитах "МАрхИ" при длине стержня, примерно равной 3 м, высота структуры равна 2,12 м.
В тех случаях, когда размер ячейки подлежит выбору, приходится учитывать целый ряд факторов: размеры плит ограждения, транспортные габариты (например, при перевозке пирамид), модульность размеров, кратность пролета размеру ячейки. Наиболее приемлемым размером ячейки поясных сеток для плит пролетом до 36 м является 3 м.
После выбора размеров плиты составляют расчетную схему, уточняют нагрузки и выполняют статический расчет, особенности которого рассмотрены выше. Предполагается, как уже было сказано, шарнирное сопряжение элементов в узлах и узловое приложение нагрузки. Таким образом, стержни структурной плиты работают на центральное растяжение или сжатие. Небольшие изгибающие моменты, возникающие в стержнях структуры от их частичного защемления в узлах или внецентренности соединений, как правило, не учитывают. Расчетные длины стержней в структурах обычно одинаковы при проверке устойчивости относительно обеих главных осей сечения, поэтому здесь рациональны равноустойчивые круглые или квадратные трубчатые тонкостенные сечения. В структурах, заведомо рассчитанных на применение более дешевых прокатных профилей, выбор их определяется конструкцией узлов.
Проверку прочности и устойчивости стержней выполняют в соответствии с действующими нормами проектирования. Расчетные длины элементов структур приведены в табл. П 6.3 . Узлы структурных плит и оболочек рассматривают как пространственные шарниры, поэтому расчетные длины стержней равны их геометрической длине или близки к ней. В случае непосредственного опирания профилированного кровельного настила на пояса структур и прикрепления настила к поясам, расчетная длина поясных стержней может быть уменьшена вдвое. Но при этом необходимо рассчитать пояс не только на продольные усилия, но и на местный изгиб. В некоторых конструктивных решениях используют кровельные панели, ширина которых меньше расстояния между узлами поясной сетки и на пояса передаются местные сосредоточенные нагрузки. Проверка на одновременное воздействие продольных усилий и местного изгиба здесь также необходима.
Кроме проверки устойчивости и прочности стержней выполняют проверку по предельной гибкости, значения которой для сжатых и растянутых элементов структур приведены в таблицах П 9.1, П 9.2 [1].
333
В заключение отметим, что конструктивные формы структурных плит чрезвычайно многообразны, однако инженерное творчество в этой области вряд ли следует считать законченным. Учитывая практически неисчерпаемое богатство кристаллических структур, можно надеяться, что нас ожидает еще не мало изобретений в этой области.
334
