Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный архитектурно - строительный университет» Кафедра Архитектуры. Дисциплина: Архитектурные конструкции и теории конструирования. Реферат на тему: «Конструкции и типологические виды арок для большепролетных зданий в отечественном и зарубежном строительстве» Выполнил: Ст. гр. 8АП02 Миннахметов А.И. Принял: Рачкова Ольга Георгиевна. Казань 2021. Содержание Введение .…………………………………………………………………..2 1. История создания арочных конструкций …………………………3 2. Конструктивные решения, узлы и виды арочных конструкций…4-8 3. Достоинства и недостатки………………………………………….9-10 4. Область применения………………………………………………..10 5. Отечественный и зарубежный опыт проектирования арочных конструкций……………………………………………………………..…11-13 Заключение…………………………………………………………..…14 Список литературы………………………………………………….…15 1 Введение Арка – одна из древнейших архитектурных форм, на заре цивилизации она не была просто перекрытием, она несла в себе ритуально-символический смысл. Слово «арка» происходит от латинского «arcus» – дуга, но существует версия, что слово происходит от ивритского «арука», что означает «длинная, тянущаяся». С развитием каменного зодчества, арки приобрели повсеместный характер и стали частью многих типов сооружений. Сегодня арка является популярным декоративным элементом, подчеркивающим изящность и одновременно монументальность объекта, наряду с этим они заняли нишу в промышленном строительстве и стали неотъемлемым элементом многих хозяйственных построек. Изучение арок, как основного элемента храмовой и соборной архитектуры, а так же, и как отдельно стоящего произведения монументальной архитектуры – триумфальной арки, занимает в истории искусств огромное место. Применение арок как пролетов или несущих конструкций имело повсеместный характер уже в начале нашей эры, а оформление арочной конструкцией входа и окон – с 10 по 15 века являлось каноническим и предопределяло становление архитектурных стилей. Возможность распределять нагрузку всего здания на одни лишь арки сыграла роль в становлении и развитии искусства постройки готических соборов, и способствовала появлению в них витража. Особое место арочный пролет занимает в мостострое, ведь именно благодаря этому элементу было создано огромное количество переправ. Сейчас же при помощи арочного принципа можно с легкостью создать покрытия промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий пролетом от 12 до 100м. Это могут быть ангары и складские помещения, спортивные и торговые комплексы, различные кровельные системы. Виды и формы арок, их назначение, а так же сооружение, в которых они применяются, достигли необыкновенного разнообразия и, скорее всего, пришли к кульминационному моменту развития, продолжая свой длинный исторический путь. 2 1. История создания арочных конструкций История арок насчитывает уже более двадцати пяти веков и за это время многое изменилось, конечно, кроме принципа их действия. Уже в третьем веке до н.э. в Азии у шумеров строились храмы с применением арочных сводов. Но одними из самых ранних достоверных находок археологов являются акведуки. Эти сооружения состояли из целых систем арок и простирались на большие расстояния. Водопроводы занимали особое место в благоустройстве городов, рост которых требовал все большего количества питьевой воды. Подававшаяся с холмов и других высоких окрестностей в городские резервуары вода протекала по каменным, оштукатуренным особым гидроизоляционным раствором, каналам, которые поддерживались арочными конструкциями. Самым древним известным акведуком можно считать акведук Джерванский в Ниневии (столица древней Ассирии), построенный в 700 до н.э. Его арки достигали высоты пяти метров и были выполнены из камня. Акведук Аква Клавдия был сооружен в 311 до н.э. Аппием Клавдием. Он подавал до 200 куб. м воды в сутки и протягивался на 60 км от гор до Рима. Его аркады из туфа и травертина с пролетами около 15 м опирались на столбы-опоры высотой до 20 м. В своей Естественной истории древнеримский писатель и ученый Плиний Старший записал: «Ничего более удивительного не было во всем мире». В комплексе акведука присутствовали Большие ворота. Эти двухарочные ворота являлись частью акведуков Аква Клавдиус и Анио Новус, построенных императором Клавдием над Пренестинской и Лабиканской дорогами. Грандиознейшим творением по праву можно считать акведук в Сполетто. Его длина составляет 206 метров, а высота 81. Он соединяет центр города с вершиной ближайших холмов. 3 2. Конструктивные решения и виды арочных конструкций: Классификация арочных покрытий по статической схеме По статической схеме арки подразделяются на трехшарнирные, двухшарнирные и бесшарнирные. Наиболее распространенными являются двухшарнирные арки: они достаточно просты в изготовлении и монтаже, нечувствительны к неравномерным вертикальным смещениям опор, а напряжения от изменения температуры в них несущественны. Трехшарнирные арки, как статически определимые системы, безразличны к осадкам опор и температурным воздействиям, однако, устройство шарнира в ключе осложняет как конструкцию самих арок, так и решение кровельного покрытия. Бесшарнирные арки обладают преимуществами большей жесткости и меньшего расхода металла, вместе с тем они связаны с устройством более мощных опор и требуют обязательного расчета на прогнозируемую разность осадок опор и температурные воздействия (рис.1). Рис. 1. Типы арок по статической работе: а) трехшарнирная, б) двухшарнирная, в) бесшарнирная Классификация арочных покрытий по способу восприятия распорных усилий Арки так же как и рамные относятся к распорным конструкциям, т. е. для них характерно наличие горизонтальной составляющей опорной реакции (распора). По схеме опирания их делят на арки с затяжками, воспринимающими распор и на арки без затяжек, распор которых передается на на фундаменты или колонны-контрфорсы, а также на иные примыкающие конструкции, способные его воспринять (рис. 2). 4 Рис. 2. Типы арочных конструкций по способу восприятия распорных усилий: а — фундаментами; б — затяжкой; в — смежными конструкциями Наличии затяжки опоры воспринимают (в основном) вертикальные нагрузки и поэтому получаются более легкими. Затяжка может одновременно использоваться для устройства подвесного потолка и для создания предварительного напряжения в арках. Очертание арок выбирается близким к линии давления. При симметричной, равномерно распределенной по хорде арки нагрузке (в пологих арках ) наиболее выгодным является очертание арки по квадратной параболе. Параболу часто заменяют дугой окружности, что в пологих арках не приводит к существенному изменению усилий, но значительно упрощается проектирование и изготовление арок, поскольку при постоянной кривизне дуги достигается наибольшая стандартизация конструктивных элементов и узлов арки. (рис. 3) Рис.3. Применение затяжек, которые, работая на растяжение, замыкают усилия внутри арочной конструкции, но значительно увеличивают строительную высоту. Одним из решений, позволяющих избежать этого, является пропуск затяжек в железобетонных коробах в подпольном пространстве ниже функционального объема конструкции однако следует помнить, что такое решение требует специальных конструктивных мер, допускающих ревизию канатов затяжек, и ограничивает нагрузки на пол . Затяжки изготавливают в большинстве случаев из арматуры или профильной стали. Возможно применение деревянных клееных затяжек, в условиях химически агрессивных сред, где металл будет коррозировать. Классификация арочных покрытий по типу сечения Высота сечения арки зависит от пролета и соотношения между величинами постоянной и переменной нагрузок и принимается для решетчатых арок в пределах l/30 — l/60 пролета, для сплошных сечений l/50 — l/80. Сплошные сечения в арках следует принимать при условии возможности вальцовки прокатных профиле. Сечения сквозных арок рекомендуется назначать постоянной высоты, т. е. с параллельными поясами, что наиболее полно отвечает характеру изменения усилий по длине. Вместе с тем имеется немало 5 случаев применения переменных по высоте сечений, например, серповидных в двух- и трехшарнирных арочных покрытиях . Классификация арочных покрытий по профилю (очертанию) Пологие — двухшарнирные и трехшарнирные арки кругового очертания. Стрела подъема принимается f ≤1/6L, при соответствующем техникоэкономическом обосновании может быть уменьшена до 1/7–1/8L.Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/20 до1/30L; Высокие — стрельчатые трехшарнирные арки из элементов кругового очертания. Стрела подъема принимается f ≤1/3L-2/3L. Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/30 до1/50L; Стрельчатые арки. Состоят из двух полуарок, оси которых располагаются на двух одинаковых частях окружности, стыкующихся под углом в коньковом шарнире, как правило, без затяжек. Расчетная схема трехшарнирная. Стрела подъема принимается f ≤1/3L-1/3L. Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/30 до1/40L; Треугольные арки. Могут быть только трехшарнирными с затяжками или без них. Проще в изготовлении и монтаже. Стрела подъема принимается f ≤1/2L-1/5L. Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/20 до1/30L. Арочные конструкции рассчитывают на вертикальные (собственный вес, снег) и ветровые нагрузки. Температурные воздействия для арок обычно несущественны. Вертикальные нагрузки относят к основным сочетаниям нагрузок, ветровые и температурные воздействия – к дополнительным, величина которых при определении расчетного усилия принимается с коэффициентом сочетания nc = 0,9. Как показывает практика строительства, конструктивное решение и пролет арки определяют выбор технологии производства работ по возведению арочных покрытий зданий и сооружений. На сегодня известны следующие методы монтажа арочных конструкций: на сплошных подмостях; передвижных подмостях; с использованием временных опор; отдельными арками с последующим соединением их между собой связями и прогонами. На практике предпочтение отдается сплошным подмостям и временным опорам. На сплошных подмостях, поддерживающих конструкцию в процессе монтажа и воспринимающих нагрузки от ее массы, рекомендуется выполнять монтаж двухшарнирных и трехшарниных ажурных арок больших пролетов. 6 Суть данного метода монтажа арок состоит в следующем: после полного завершения работ нулевого цикла внутри возводимого здания с помощью самоходного крана устанавливаются подмости, которые являются сборочной площадкой для укрупнительной сборки, монтируемой арки (рис. 4). Снижение трудоемкости и повышение качества при укрупнительной сборке арок можно достигнуть, выполнив следующие подготовительные операции. По деревянному настилу сплошных подмостей укладывают металлический лист толщиной до 2 мм, на котором в масштабе 1 : 1 краской (фломастером) наносят геометрическую схему монтируемой арки. Степень деталировки, нанесенной на металлический лист геометрической схемы монтируемой арки, зависит от принятого метода монтажа конструкции. Для отправочных марок достаточно упрощенной схемы без детализации узлов. Учитывая, что, как правило, все арки, монтируемые в пролете возводимого здания, идентичны, нанесенная на металлический лист геометрическая схема арки используется как шаблон для сборки остальных арок. После завершения подготовительных работ монтажники металлоконструкций приступают к сборке арки. По завершении работ по укрупнительной сборке арки выполняется контроль качества сборки. (Рис. 4.) Схема монтажа арок на сплошных подмостях: 1 – монтируемая арка; 2 – фундамент арки; 3 – сплошные подмости; 4 – металлический лист; 5 – деревянный щит сплошных подмостей; 6 – стальные тросы (растяжки); 7 – грузовая лебедка; 8 – тормозная лебедка 7 Монтаж арочных конструкций с использованием временных опор является универсальным, так как может применяться для монтажа арок всех конструктивных решений: двух-, трехшарнирных и бесшарнирных. Суть метода монтажа арок с использованием временных опор заключается в следующем. После завершения работ нулевого цикла и подписания акта о приемке фундаментов на строительную площадку завозятся автотранспортом отправочные марки монтируемых арок. Затем на выровненное и уплотненное основание в местах расположения монтажных стыков арки устанавливаются временные монтажные опоры. Для выведения отправочных марок монтируемых арок в проектное положение (на нужную отметку) на оголовках временных монтажных опор смонтированы винтовые домкраты. Монтаж отправочных марок арки ведется самоходным краном. Первой монтируется отправочная марка, опирающаяся на фундамент. Как правило, до начала подъема отправочной марки арки самоходным краном выполняют временное усиление зоны строповки арки металлическими пластинами или швеллерами. Для снижения трудоемкости монтажа и обеспечения безопасных условий труда временные монтажные опоры обустраивают монтажными площадками. Демонтаж временных монтажных опор выполняют после завершения монтажных работ в коньковом узле и выполнения контроля качества выполненных работ. После завершения работ по монтажу арки временные монтажные опоры с помощью самоходного крана переставляют на другой участок. Схема технологической последовательности монтажа арочной конструкции с использованием временных опор приведена на рис. 5. Рис. 5. Технологическая схема монтажа арочной конструкции с использованием временных опор: 1 – смонтированная отправочная марка; 2 – монтажные стыки арки; 3 – временные опоры; 4 – монтируемая отправочная марка; 5 – монтажная площадка; 6 – винтовой домкрат; 7 – подкладки под пояс арки; 8 – выравнивающие деревянные бруски 8 Узлы и детали Рис. 6. Конструкция трехшарнирной арки из балок Деревягина и схемы опирания концов прямолинейных элементов а — общий вид; б — схема упоров в опорных и коньковых узлах Рис. 7 Конструкции дощатых арок а — кружельной системы; б — конструкции опорного и замкового шарнира трехшар-нирной арки двутаврового профиля 9 Рис. 8 Конструкция клееной трехшарнирной арки пролетом 15 м Рис. 9 Опорные шарниры арок и рам 10 Рис. 10 Ключевые шарниры арок Рис. 11 Опорный узел арки: 1 – верхний криволинейный пояс дощатоклееной арки; 2 – затяжка из круглой стали; 3 – стальная листовая подкладка переменной жесткости; 4 – стальные накладки; 5 – опора 11 3. Достоинства и недостатки Арочные, плоскостные системы большепролетных покрытий проектируются обычно без учета совместной работы всех несущих элементов, так как отдельные плоские диски соединяются друг с другом сравнительно слабыми связями, не способными существенно распределить нагрузки. Их достоинства: высокая прочность, относительно небольшая масса. ... Поэтому при выборе материала для большепролетных конструкций необходимо отдавать предпочтение тому материалу, который в конкретных условиях строительства наилучшим образом отвечает поставленной задаче По затрате металла арки оказываются значительно выгоднее, чем балочные и рамные системы. Кроме того арки просты в изготовлении и монтаже. Хорошими показателями по стоимости и расходу стали в сегменте лёгких универсальных промышленных зданий обладают арочные конструкции из тонкостенных холодногнутых профилей (Рис. 6). Рис.12. Арочный ангар с применением ЛСТК Бесшарнирные арки. Достоинства: экономия материалов, простота монтажа. Недостаток: чувствительность к неравномерной осадке опор, необходимость мощных фундаментов при устройстве на слабых грунтах Двухшарнирные арки могут легко деформироваться вследствие свободного поворота в шарнирах, и, благодаря этому, в них не возникает существенное увеличение напряжений от температурных воздействий и осадок опор. Менее металлоёмкие.Трехшарнирные арки не имеют особых преимуществ по сравнению с двухшарнирными, поскольку их статическая определимость при достаточной деформативности арочных конструкций существенного значения не имеет. 12 4. Область применения Металлические арки применяются в: павильонах, крытых рынках, ангарах, спортивных залах, музеях, зрительских залах, бассейнах, Клееные деревянные арки применяются при строительстве: большепролетных общественных, спортивных зданий, производственных и складских зданий с химически агрессивной средой. Большой опыт применения клееных деревянных арок накоплен в Пермской области при возведении складов минеральных удобрений на калийных предприятиях. 13 5. Отечественный и зарубежный опыт Рис. 13. Большой Москворецкий мост в Москве Рис. 14. Дом Хоббит (Hobbit Hall) в России от Архитектурного бюро Романа Леонидова Рис. 15 Жилой дом парус. Москва 14 Зарубежный опыт: Рис 16. Японский павильон в Германии (2000 год) Рис. 17. Центр Помпиду Шигеру Бана Рис 18. музей автомобилей Гарольда ЛеМея) возведено в городе Такома (США) 15 Рис. 19. Комплекс «Истинный Север» (True North) 16 Заключение Таким образом, арка является во многом незаменимой конструкцией. Она имеет богатую историю и культурную ценность. Этот элемент зодчества проник во многие сферы строительства, зачастую делая возможными немыслимые проекты. Порой арка просто приятна человеческому взору. Но еще она дает возможность отлично распределять силы и нагрузки, порой формируя новые архитектурные стили. Арки можно встретить повсюду, на любом континенте, у любого народа, и даже у самой природы. Так что за этой простотой скрывается удивительный мир возможностей и множество поразительных историй. Металлические арки применяются в: • павильонах, • крытых рынках, • ангарах, • спортивных залах, • музеях, • зрительских залах, • бассейнах, Клееные деревянные арки применяются при строительстве: • большепролетных общественных, • спортивных зданий, • производственных и складских зданий с химически агрессивной средой. Большой опыт применения клееных деревянных арок накоплен в Пермской области при возведении складов минеральных удобрений на калийных предприятиях. Стыки клееных арок представляют собой зубчатые соединения досок по длине и стыки по пласти слоев досок между собой (в арках шириной сечения более 180 мм могут применяться еще и стыки по 17 кромкам). Арки больших пролетов соединяются по длине жесткими стыками с помощью двусторонних накладок из профильной стали и болтов. Можно сделать вывод, что арочные конструкции для большепролетных зданий бывают металлические, деревянные. Применяются в строительстве различных спортивных комплексов, торговых, ангаров, театров, музеев и т.д. Их достоинства: высокая прочность, относительно небольшая масса. То есть арочные конструкции многофункциональны и востребовательны, особенно в нашем современном мире и строительстве! 18 Список литературы СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования http://bse.sci-lib.com/article070408.html https://www.krugosvet.ru/enc/arkhitektura/arochnye-konstruktsii https://megaobuchalka.ru/10/6059.html https://extxe.com/18076/arochnye-pokrytija-zdanij/ 19
