Конструкции арок

Деревянные арки являются в настоящее время наиболее распространенными основными несущими конструкции деревян­ных покрытий зданий различного назначения. Они применяются в покрытиях производственных промышленных, сельскохозяйст­венных и общественных зданий» имеющих пролеты 12...80м. В практике зарубежного строительства применяются деревянные арки с пролетами до 100 м и более. Их изготовляют путем склеи­вания надежными синтетическими клеями гнутых и прямых клеедеревянных элементов значительных длин и сечений требуе­мой несущей способности. Конструкции клеедеревянных арок являются простыми, состоят из минимального числа элементов. Существенное значение имеет также архитектурная вырази­тельность деревянных арочных покрытий. К достоинствам дере­вянных арок из клеедеревянных элементов следует также отнести их повышенный предел огнестойкости и достаточно длительное сопротивление загниванию и разрушению в химически агрессив­ных средах.

По статическим схемам деревянные арки разделяются на трехшарнирные, имеющие два опорных и один коньковый или иногда так называемый ключевой шарнир, и двухшарнирные, имеющие только два опорных шарнира. По особенностям опирания на опоры арки делятся на две основные группы: без затяжек и с затяжками, или с нижними поясами. По форме осей арки выполняются следующие типы: сегментные — имеют верхние пояса, оси которых располагаются на общей части окружности; стрельчатые, состоящие из двух полуарок, оси которых распо­лагаются на двух одинаковых частях окружности, стыкующихся под утлом в коньковом шарнире; треугольные, состоящие из двух прямых одинаковых полуарок, смыкающихся в коньковом шарнире под углом. Треугольные арки называются иногда также тре­угольными распорными системами, а когда имеют затяжки – без­раскосными треугольными фермами. Однако эти конструкции работают и рассчитываются так же, как и арки с другими фор­мами осей. Возможны также арки, состоящие из полуарок с ломаными осями.

Трехшарнирные арки являются наиболее распространенными. Они статически определимы, и усилия в их сечениях не зависят от осадок опор и деформаций затяжек. Наличие конькового шарнира позволяет предусматривать в нем монтажный стык и перевозить арки к месту установки в виде транспортабельных пол у арок.

Двухшарнирные арки применяются реже. Усилия в их сече­ниях зависят от осадок опор, деформаций затяжек и они не могут делиться простыми шарнирными узлами на более транспортабель­ные элементы.

Арки без затяжек опираются на фундаменты или соседние конструкции и являются наиболее простыми. Однако их опоры должны рассчитываться не только на вертикальные, но и на горизонтальные (распор) опорные давления. Арки с затяжками несколько сложнее предыдущих по конструкции, но их опоры рассчитываются только на вертикальные опорные давления.

Клеедеревянные арки из клееных элементов заводского изготовления имеют наиболее широкую область применения. Их формы, размеры и несущая способность могут отвечать требованиям сооружения покрытий самого различного назначе­ния, в том числе уникальных по своим размерам и формам. Скле­енные из досок плашмя в условиях заводского изготовления эти арки имеют повышенную стойкость против загнивания, химичес­кой коррозии и значительный предел огнестойкости. Элементы этих арок могут иметь любую из указанных выше форм оси в покрытиях с пролетами 12...80 м.

Сегментные клеедеревянные арки в условиях отечественного строительства имеют, как правило, трехшарнирную схему. Двухшарнирными выполняются только некоторые малопролетные сегментные арки, которые могут изготовляться и доставляться к месту установки в полностью собранном виде. Двухшарнирные арки особо больших пролетов, верхний пояс которых из условий изготовления и транспортирования должен быть расчленен на несколько транспортабельных элементов жесткими стыками, в отечественном строительстве пока не применялись.

Сегментные клеедеревянные арки без за­тяжек (рис. 16, а, поз. I), имеющие значительную высоту, достигающую половины длины их пролета, опираются обычно непосредственно на фундаменты и применяются в покрытиях общественных однопролетных зданий без стен. Невысокие сег­ментные клеедеревянные арки без затяжек, имеющие высоту, равную около 1/6 длины пролета, используют преимущественно в покрытиях среднего наибольшего пролета трехпролетных общественных зданий. Они опираются на элементы несущего каркаса боковых пролетов, которые воспринимают их и вертикальные и горизонтальные опорные давления. Большепролетные сегмент­ные клеедеревянные арки применялись в отечественном строи­тельстве, например, в покрытии среднего пролета Дворца спорта в Архангельске. Арки без затяжек опираются на железобетонный каркас боковых пролетов. Они имеют пролет 63 м, высоту 11 м и сечение 30х105 см, состоящее из слоев досок, склеенных поперечными стыками по кромкам.

Сегментные клеедеревянные арки с затяж­ками (рис. 16, б, поз. 2) имеют обычно небольшие пролеты и высоты порядка 1/6 длины пролета. В большинстве случаев они имеют трехшарнирные схемы. При малых пролетах эти арки выполняются двухшарнирными, что уменьшает трудоемкость их изготовления и упрощает транспортирование в полносборном виде. Верхние пояса этих арок обычно имеют ширину сечений, не превышающую 17 см, и изготовляются без поперечных стыков досок по кромкам.

Затяжки этих арок в большинстве случаев изготовляются из стальных уголков или арматурных стержней, которые во избе­жание провисания поддерживаются стальными прутковыми под­весками» Нижние пояса арок могут быть также клеедеревянными. Это значительно повышает жесткость их при транспортировании и установке в полносборном виде.

Сегментные клеедеревянные арки с затяжками применяются в качестве основных несущих конструкций обычных деревянных покрытий зданий со стенами, на каркас которых они передают только вертикальные опорные давления, так как эти арки не имеют распора. К аркам может крепиться легкий подвесной потолок. При этом скрываются затяжки, уменьшается объем и улучшается архитектурная выразительность покрываемых по­мещений.

Стрельчатые клеедеревянные арки (рис. 16, в) всегда имеют трехшарнирные схемы, как правило, без затяжек. Они состоят из двух полуарок кругового очертания осей и имеют пролеты 18...80 м. Высота стрельчатых арок обычно близка к половине длины их пролетов. При меньших пролетах эти арки имеют сечения шириной не более 17 см без поперечных стыков досок, а при больших пролетах их сечения имеют большую ши­рину и состоят из досок, стыкуемых по ширине.

Стрельчатые арки чаще применяются в качестве основных несущих конструкций деревянных покрытий производственных зданий значительной высоты без стеновых ограждений и они опираются непосредственно на фундаменты, передавая им и вер­тикальные, и горизонтальные опорные давления. Наиболее ра­ционально применение стрельчатых клеедеревянных арок без затяжек в покрытиях зданий, где кроме обычных распределенных нагрузок действуют еще сосредоточенные в зоне конька нагрузки; от подвесного технологического оборудования, например от веса тельфера с грузом или веса транспортерной галереи.

Величины усилий в сечениях стрельчатых арок в большой мере зависят от величины, характера и соотношения значений действующих на эти арки нагрузок. Чем больше относительная величина сосредоточенных в зоне конька арки нагрузок, тем ближе рациональная форма оси арки должна приближаться к треугольной, при которой от этих нагрузок возникают отрицательные минимальные изгибающие моменты. Чем больше относительные величины распределенных нагрузок, тем больше форма оси арки должна приближаться к круговой или параболической, при которой изгибающие моменты являются положительными и тоже приближаются к минимальным значениям.

При действии как распределенных, так и сосредоточенных в зоне конькового узла нагрузок оптимальной формой оси арки является стрельчатая — промежуточная. При этом кривизна полуарок может быть принята такой, при которой положительные наибольшие и отрицательные изгибающие моменты будут минимальными и близкими по величине (см. ниже).

В нашей стране имеется многолетний опыт применения клеедеревянных стрельчатых арок в деревянных покрытиях складов минеральных удобрений. Покрытие первого склада минеральных удобрений было сооружено с применением стрельчатых клеедеревянных арок пролетом 45, высотой 22,5 и радиусом кривизны их полуарок 31 м. Эти арки имеют сечение 35х120 см, которое склеено из досок, стыкованных кромками по ширине. Кроме рас­пределенных они несут также сосредоточенные нагрузки в зоне конька от веса транспортерной галереи и тельфера с грузом.

В настоящее время расширяется применение стрельчатых кле­едеревянных арок пролетом 18 и 24 м для покрытий прирельсовых и глубинных складов минеральных удобрений.

Аналогичную область применения имеют также арки, состоя­щие из полуарок с ломаными осями, имеющими один или два излома. Такие полуарки состоят из прямых участков, соединен­ных в местах переломов оси наклонными зубчатыми шипами. Эти арки более трудоемки в изготовлении, однако их преимущест­вом является то, что они могут быть основой плоских участков настила и кровли.

Треугольные клеедеревянные арки могут быть только трехшарнирными с затяжками или без них. Длина пролета этих арок обычно не превышает 30 м. Они проще в изготовлении, чем сегментные, так как состоят из прямых полу­арок. Такие арки могут служить основой плоских настилов дву­скатной асбестоцементной кровли, наиболее рациональной для деревянных покрытий. Основным недостатком треугольных арок является возникновение в их сечениях значительно больших изги­бающих моментов от основных распределенных нагрузок, чем в сечениях сегментных арок. Это ограничивает рациональные длины их пролетов.

Треугольные клеедеревянные арки без затяжек (рис. 16, б, поз. I) имеют в большинстве случаев высоту, близкую к половине длины их пролета. Особенно рацио­нально применение этих арок в покрытиях складских зданий треугольного профиля без стен, где арки опираются непосред­ственно на фундаменты. В этих зданиях обычно имеется технологическое оборудование, подвешенное к коньковым узлам арок, например монорельс тельфера. При этом изгибающие моменты в сечениях арки возникают только от распределенных нагрузок. Сосредоточенные в коньке нагрузки вызывают в сечениях арки только продольные сжимающие силы, которые мало влияют на размеры сечений полуарок. Полуарки этих арок крепятся в узлах так, что между осями продольных сил от распределенных нагрузок и осями полуарок образуется эксцентриситет и соответствующий изгибающий отрицательный момент, который уменьша­ет момент от распределенных нагрузок.

Треугольные клеедеревянные арки с за­тяжками (рис. 16, б, поз. 2} имеют высоту порядка 1/6 длины пролета. Сечения их верхнего пояса обычно имеют ширину, не превышающую 17 см. Затяжки этих арок в большинстве случаев изготовляются из уголковой или арматурной стали и поддерживаются от провисания стальными прутковыми подвеска­ми. Нижние пояса малопролетных клеедеревянных арок целесо­образно выполнять тоже клеедеревянными. При этом значительно повышается жесткость арок в процессе их транспортирования и установки, а также предел их огнестойкости и стойкости в хими­чески агрессивных средах. В этих арках тоже используется эффект эксцентричного крепления полуарок в узлах для уменьшения изгибающих моментов от распределенных нагрузок, как и в арках без затяжек. В отечественном сельскохозяйственном строительстве чаще применяются треугольные клеедеревянные арки с затяжками с арматурной стали пролетами 12 и 18 м.

Треугольные трехшарнирные арки из брусьев с соединениями из деревянных пластинок и затяжками из стальной арматуры пролетом до 12 м, опирающиеся на конструкции стен, могут применяться в деревянных покрытиях зданий, возводимых в районах, где отсутствует заводское изготовление клеедеревянных конструкций.

Арки из цельнодеревянных элементов мо­гут быть сегментными и треугольными. Сегментные кружально-дощатые арки имеют двухшарнирную схему пролетом до 12 м и высоту от 1/6 до 1/2 длины пролета. Такая арка состоит в большинстве случаев из двух слоев косяков. Косяк представляет собой короткую толстую доску переменной высоты сечения, верх­няя кромка которой обрезается по дуге окружности радиуса, равного радиусу оси арки. Стыки косяков располагаются в шах­матном порядке. Косяки плотно приторцовываются по длине и соединяются с серединами соседних косяков болтами или гвоз­дями. Распор таких арок воспринимается затяжками или фунда­ментами. Эти арки имеют небольшую несущую способность и ста­вятся с шагом, не превышающим 2 м. Их изготовляют в неболь­ших деревообрабатывающих мастерских и применяют в деревян­ных покрытиях временных зданий.

Треугольные цельнодеревянные арки имеют трехшарнирную схему и затяжки. Их пролеты не превышают 12 м, а высота равна около 1/6 длины пролета. Верхние пояса этих арок состоят из цельных брусьев или бревен, а затяжки обычно из стальной арматуры. Они имеют невысокую несущую способность и приме­няются во временных зданиях, опираясь на их наружные стены.

Дощатые цельнодеревянные арки имеют трехшарнирную схему, треугольную форму оси и дощатые нижние пояса. Они приме­няются при пролетах до 12 м и высоте порядка 1/6 пролета. Нижний пояс этих арок состоит, как правило, из двух досок, соединенных продольным стыком в середине пролета. Верхний пояс из двух толстых досок с прокладками и зазором, равным их толщине. Эти арки применяются в двускатных покрытиях вре­менных зданий.

Рис. 16. Клеедеревянные арки

а – сегментные; б – треугольные; в – стрельчатые;

1 – без затяжек; 2 – с затяжками

Узловые соединения деревянных арок состоят из опорных и коньковых узлов.

Опорные узлы клеедеревянных арок без затяжек (рис. 17) выполняются в большинстве случаев при помощи стальных сварных башмаков. Опорный башмак арок малых и средних пролетов включает опорный лист с отверстиями для анкерных болтов и две вертикальные фасонки с отверстиями для болтов крепления опорного конца полуарки, которые упирают­ся лобовыми упорами в опорный лист. Зазор между фасонками равен ширине сечения полуарки. Для уменьшения сдвигающих усилий в анкерных болтах опорный башмак устанавливается на наклонную поверхность фундамента, параллельную опорному сечению сегментных арок.

Опорные узлы сегментных и стрельчатых арок, в сечениях которых могут действовать изгибающие моменты разного знака и незначительные поперечные силы, центрируются по осям полу­арок и опорный лист располагается перпендикулярно им. Узлы треугольных арок, в сечениях которых действуют в основном положительные изгибающие моменты и значительные поперечные силы, центрируются по расчетным осям, расположенным с эксцентриситетом относительно оси полуарок, а опорный лист башмака располагается перпендикулярно равнодействующей вертикальной и горизонтальной опорных реакций или продольной и поперечной силам в узле. При этом уменьшаются изгибающие моменты в арке и сдвигающие усилия в узле. Концы полуарок для облегчения их шарнирных поворотов в опорных узлах имеют одно- или двусторонние срезки. Опорные узлы большепролетных сегментных арок без затяжек выполняются с применением стальных шарниров качающегося или поворачивающегося типа. Стальные поверхности башмаков отделяются от древесины арок слоем гидроизоляции для предупреждения опасности ее конденсационного увлажне­ния.

Рис. 17. Опорные узлы клеедеревянных арок без затяжек

а – сетментной; б – треугольной; в – большепролетной;

1 – арка; 2 – стальной башмак; 3 – болт;

4 – сварка; 5 – анкер; 6 - шарнир

Опорные узлы клеедеревянных арок с затяжками (рис. 18) выполняются тоже, как правило, с приме­нением стальных башмаков, конструкция которых учитывает, что эти арки опираются на горизонтальные поверхности опор и имеют стальные затяжки. Например, опорный башмак сегментной или треугольной клеедеревянной арки с затяжкой из стальных уголков может состоять из горизонтального опорного листа с отверстиями для анкерных болтов, двух вертикальных фасонок с зазором между ними, равным ширине сечения верхнего пояса арки и вертикальной диафрагмы между ними (рис. 18, а). Опорный конец полуарки, имеющий горизонтальную и вертикаль­ную площади срезок, вводится в зазор между боковыми фасонками, опирается на опорный лист и упирается в диафрагму, образуя наклонные лобовые упоры, которые воспринимают вертикальную и горизонтальную опорные реакции арки. К фасонкам башмака крепятся снаружи сварными швами стальные полосовые накладки, соединяющие с башмаком уголки затяжки. Конец верхнего пояса крепится к фасонкам башмака конструктивными монтажными болтами. Оси верхнего пояса затяжки и опорного листа башмака сегментной арки центрируются, а верхний пояс треугольной арки крепится в башмаке с эксцентриситетом. При опирании арки непосредственно на клеедеревянные стойки каркаса стен боковые фасонки башмака удобно удлинять ниже опорного листа и делать в них отверстия для болтов крепления башмака к стойке. Опорный башмак может иметь также диафрагму листового сече­ния, перпендикулярную оси полуарки (рис. 18, б).

Опорные узлы клеедеревянных арок небольших пролетов с клеедеревянными нижними поясами могут выполняться также без стальных башмаков. Пояса арок в опорном узле могут быть соединены с помощью вклеенных стержней из стальной арматуры. Эти стержни вклеиваются в нижний пояс арки вдоль волокон древесины. При полносборном изготовлении арок вторые концы стержней вклеиваются также в конец верхнего пояса полу­арки под углом к волокнам древесины, равным углу наклона касательной к оси арки в опорном сечении. При сборке арки на месте установки из отдельно доставляемых поясов удобно стержни вклеивать только в концы нижнего пояса, а к концам верхнего пояса крепить концы стержней, пропущенные через соответствующие отверстия в древесине и стальных накладках, гайками.

Рис. 18. Опорные углы арок с затяжками

а – с вертикальной диафрагмой; б – с наклонной диафрагмой;

1 – башмаки; 2 – арки; 3 – затяжки;

4 – анкеры; 5 – диафрагма; 6 – болт;

7 – сварные швы; 8 – опорный лист

Коньковые узлы клеедеревянных трехшарнирных арок (рис. 19) выполняются с применением стальных креплений или деревянных накладок и болтов. Стальное крепление конькового узла (рис. 19, а) состоит из упорного листа и двух фасонок.

Упорный вертикальный лист имеет ширину, равную ширине лобо­вого упора полуарок, и длину, необходимую для постановки двух монтажных болтов, соединяющих полуарки при сборке. Фасонки имеют зазор, равный ширине сечения полуарок, и отвер­стия для болтов крепления к концу полуарки. В коньковом узле полуарки сегментных и стрельчатых арок соединяются центрировано, а концы треугольных арок — с эксцентриситетами. Для облегчения шарнирных поворотов полуарок в этом узле там можно между упорными листами ставить стальную шайбу.

Клеедеревянные накладки в коньковых узлах арок (рис. 19, б) имеют толщину порядка 10 см и крепятся к концу каждой полуарки двойными болтами, ближайшими к центру узла, и оди­ночными болтами у концов накладок. Коньковые узлы арок, работающих в химически агрессивной среде, могут выполняться с помощью вклеенных стальных стержней. Коньковые узлы боль­шепролетных трехшарнирных клеедеревянных арок выполняются в виде стальных шарниров качающегося или поворотного типа.

 

Рис. 19. Коньковые узлы клеедеревянных арок

а – со стальными креплениями; б – с деревянными накладками;

в – с шарниром; 1 – полуарка; 2 – стальное крепление;

3 – болт; 4 – деревянная накладка; 5 - шарнир

 

 

Опорные узлы арок из брусьев или бре­вен (рис. 20) при таких же нижних поясах могут выполняться при помощи лобовых врубок. При затяжках из арматурной стали опорный узел таких арок выполняется, как правило, упрощенно. Конец затяжки, имеющий нарезку, пропуска­ется через отверстие в конце полуарки и закрепляется гайкой на шайбе, опертой на вертикальный срез торца. Горизонтальный срез торца арки ставится на антисептированную и гидроизолированную подкладку опоры. Несколько более сложным является опорный узел с хомутом из арматурной стали. Этот хомут соединяется с затяжкой при помощи серьги с нарезанными концами и крепится к швеллерной упорной траверзе, передающей усилие в затяжке на вертикальный срез конца полуарки. Коньковые узлы этих арок обычно осуществляются при помощи двусторонних дощатых накладок и болтов.

Опорные узлы дощатых арок выполняются путем введения доски нижнего пояса в зазор между двумя досками верхнего пояса и соединения их болтами или гвоздями. Коньковый узел этих арок решается при помощи дощатых прокладок, накладок и болтов или гвоздей.

 

Рис. 20. Опорные узлы брусчатых арок

а – узел с шайбой; б – узел с серьгой;

1 – арка; 2 – затяжка; 3 – подкладка;

4 – шайба; 5 – траверса; 6 - серьга