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. Стержневые элементы в несущих конструкциях:

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. Криволинейные элементы (брусья) в несущих конструкциях:

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. Растянутые несущие конструкции – нити:

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. Базовый элемент – пластина и конструкции на ее основе:

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

Рис. 1.5. Базовый элемент – безмоментная оболочка и конструкции на ее основе:

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. Базовый элемент – мембрана и конструкции на ее основе:

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)