Большепролетные покрытия зданий имеют пролет 30...100 м и в отдельных случаях и более. Применение больших пролетов обусловлено эксплуатационными и архитектурными требованиями в зданиях общественного назначения - рынках, вокзалах, стадионах, концертных и спортзалах. В производственных зданиях большие пролеты оговариваются технологическими требованиями (сборочные цехи самолетостроительных, судостроительных и машиностроительных заводов, ангары и др.) или для экономии полезной площади, помещений (гаражей, троллейбусных парков и др.). Выбор конструкций большепролетного покрытия определяется:
1.Архитектурно - планировочными требованиями (форма здания в плане, наличие подвесного потолка, возможность совмещения конструкций стен с опорными (покрытия и др.).
2. Инженерными требованиями (возможность передачи горизонтального распора на грунт, условий отвода воды с покрытия, необходимость размещения коммуникаций в строительной высоте покрытия).
3. Требованиями эксплуатации (наличие подвесного подъемно-транспортного или иного оборудования, обеспечение заданных акустических свойств помещений).
4. Требованиями изготовления и монтажа конструкций (технологичность заводского изготовления, условия транспортирования, скоростной монтаж, минимальная металлоемкость и стоимость).
Основная нагрузка на конструкции большепролетных покрытий - постоянная нагрузка от собственного веса несущих и ограждающих конструкций. Поэтому нужно стремиться к снижению их массы за счет применения легких ограждающих конструкций, использование высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов и эффективных профилей в конструкциях, предварительного напряжения конструкций, включения ограждающих конструкций в совместную работу с несущими.
Большепролетные покрытия разделяют на плоскостные и пространственные.
Плоскостные покрытия состоят из расположенных с определенным шагом отдельных рам, арок, гибких нитей и др., каждая из которых работает обособленно на нагрузки, приложенные в ее плоскости. Плоские несущие конструкции соединяются между собой второстепенными элементами (связями, прогонами).
В пространственных покрытиях в работу включаются все несущие элементы, вследствие чего по затратам они обычно экономичнее, чем плоскостные.
По конструкции большепролетные покрытия можно разделить на:
- плоскостные с жесткими элементами: балочные, арочные, рамные,
- пространственные с жесткими элементами, двух сетчатые стержневые системы типа структур и перекрестных ферм, одно сетчатые оболочки, купола, образованные из радиально расположенных плоских конструктивных элементов,
- плоскостные и пространственные висячие системы: вантовые, мембранные, плоскостные и пространственные комбинированные системы, состоящие из жестких балок с гибкими нитями, жестких балок с гибкими арками и др.
Балочные конструкции покрытия
Большепролетные балочные покрытия обычно используют при пролетах 50...100 м. Преимущество таких систем - их безраспорность, т.е. возникают только вертикальные реакции.
Основными элементами балочных покрытий являются плоские, спаренные в блоки или трехгранные фермы. Фермы соединяются между собой горизонтальными и вертикальными и прогонами, этим обеспечивается пространственная жесткость покрытия и устойчивость отдельных стержней ферм, как и в покрытиях малых пролетов.
Балочные покрытия применяются в зданиях прямоугольной формы или близкой к ней. Компоновка покрытия больших пролетов выполняется по нормальной или усложненной схеме (рис.11.1.а) при шаге в 12 м. При шаге главных ферм 18, 24 м и более переходят на усложненную схему компоновки (рис. 11.1.б) со вспомогательными фермами. Индустриальными являются покрытия из объемных блоков (рис. 11.1. в, г), при монтаже которых не требуются связи.
При больших пролетах рациональны полигональные, сегментные и параболические фермы (рис.11.1. д, е) с ромбической и крестовой решеткой.
Главный недостаток балочных конструкций - большая строительная высота. Высота ферм с параллельными поясами h =(1/8... 1/16) l,
трапециевидных h =(1/7... 1/11) l, сегментных h =(1/8...1/12) l, где l - пролет фермы. Часто применяется шпренгельная решетка, позволяющая уменьшить длину панелей и повысить устойчивость сжатого пояса в плоскости фермы.
Сечения тяжелых ферм приведены на рис. 11.1 ж. Узлы ферм выполняют с двумя фасонками (рис. 11.1 з), для уменьшения концентрации напряжений в фасонках устраивают выкружки для плавного перехода к стержням. При пролетах более 40 м необходимо обеспечивать беспрепятственный поворот опорных частей неподвижной опоры и горизонтальное перемещение подвижной опоры. В качестве шарнирно-неподвижной опоры пролетах до 40 м применяют тангенциальные плиты, при больших пролетах - балансирные опоры. Подвижная опора выполняется на катках.
Расчет усилий в стержнях тяжелых ферм выполняются также, как и для легких. Плоскостные балочные системы наиболее металлоемки из всех видов большепролетных конструкций (расход до 200 кг/м2). Для сокращения затрат стали и уменьшения строительной высоты применяется предварительное напряжение, а также трехгранные или спаренные в пространственные блоки плоские фермы.
Рамные конструкции
Рамные конструкции отличаются большой жесткостью и чаще применяются в зданиях промышленного и специального назначения - цехах заводских производств, эллингах, оборудованных подвесными кранами. Большепролетные рамы могут выполняться бесшарнирными со стойками, заделанными в фундаменты (рис. 11.2 а), двухшарнирными с шарнирами в уровне фундаментов (рис. 11.2. б) или в узлах сопряжения ригеля и стоек (рис. 11.2 в) - так называемые гибкие рамы. К разновидностям схем однопролетных рам относятся схемы с жесткой и гибкой стойками (рис.11.2 г), однопролетная рама с консолью (рис. 11.2 д), вспорушенная рама с криволинейным ригелем.
Бесшарнирная схема применяется при пролетах 120...130 м. Такие рамы имеют небольшую высоту и мощные ригели.
Наиболее распространены двухшарнирные рамы пролетом до 120 м с шарнирами в уровне фундаментов.
Рамы с жесткой и гибкой стойками и однопролетные рамы с консолью применяются в ангаростроении. Наличие консольного вылета длиной 40...60 и позволяет устраивать ворота шириной во весь фасад здания.
Схема со вспорушенным ригелем целесообразна для применения в конструкциях рынков и вокзалов (рис. 11.2 ж).
При пролетах рам 100...130 м ригели обычно выполняются сквозными и конструируются по типу тяжелых ферм (см. параграф 11.2). Высота ригелей принимается l/12. .1/20 пролета.
Компоновка рамных покрытий также, как и балочных, может выполняться по нормальной или усложненной схеме (см. рис.11.1 а,б).
Арочные покрытия
Арочные конструкции наиболее эффективны в зданиях с пролетами 60…70 м, функциональный объем которых вписывается в криволинейное очертание. К таким зданиям относятся дворцы спорта, выставочные павильоны.
Арки хорошо работают при отсутствии сосредоточенных сил и при небольших временных нагрузках. По затратам металла арки экономичнее балочных и рамных конструкций, но они являются распорными системами, т.е. имеются и горизонтальные опорные реакции. Распор может восприниматься мощными фундаментами или затяжками, соединяющими опоры арки между собой. В последнем случае система становится внешне безраспорной, и горизонтальные силы на фундаменты здания не передаются.
По статической схеме арки делятся на трехшарнирные (рис.11.3 а), двухшарнирные 1,11.3 б) и бесшарнирные (рис.11. 3 в). Трехшарнирные арки нечувствительны к осадкам опор и температурным деформациям, но по затратам материала наименее выгодны. Они обычно используются при строительстве на слабых основаниях. Наиболее часто применяются в покрытиях двухшарнирные арки, особенно с затяжками. В бесшарнирных арках опоры жестко заделываются в фундамент. По затратам металла они наиболее экономичны, но из-за больших опорных моментов их применять рационально при строительстве на скальных основаниях.
Конструктивные решения арок разнообразные. Очертание поясов трехшарнирной арки чаще применяется серповидным в соответствии с характером распределения изгибающих моментов (рис. 11. 3 а). Двухшарнирные арки выполняются с постоянной высотой сечения (рис. 11. 3 б), а бесшарнирные утолщаются к опорам (рис. 11. 3. в). Сечения арок могут быть сплошными в виде сварных или прокатных широкополочных двутавров. Высота сечения сплошных арок составляет
1/50...1/80 пролета. Сквозные арки выполняются из уголков, швеллеров, труб и могут быть плоскими, а при больших пролетах пространственными трехгранными (рис. 11. 3. г). Высота сечения сквозных арок составляет 1/30...1/40 пролета.
Ответственными узлами арок являются опорные и ключевые шарниры В качестве опорных наиболее простые по конструкции плиточные шарниры (рис.11.4 а), которые применяются в легких арках при вертикальном примыкании надопорной части. В тяжелых арках больших пролетов используются балансирные шарниры (рис.11.4 в), аналогичные опорным устройствам балочных конструкций. Пятниковый шарнир (рис. 11. 4 б) представляет собой опорное гнездо - пятник, в которое вставляется опорная часть арки. Ключевые шарниры трех шарнирных арок могут иметь плиточную или балансирную конструкцию (рис. 11. 5) В легких арках в ключе, устраивают листовые шарниры, в которых свободный поворот обеспечивается изгибом горизонтального листа.
Усилия в арках определяют методами строительной механики. Наиболее распространены 2-х шарнирные арки, они являются системами один раз статически неопределимы. Для предварительных расчетов непологих арок при равномерно зеленной нагрузке распор можно определить по формуле
н= q l2/ 8f
где f - стрела подъема арки (рис. 11.6а). Изгибающий момент, продольная и поперечная сила в сечениях арки, расположенном на расстоянии х от опоры, определяются по формулам
Mx = Mb – н*у;
Nx = Qb sin a + H cos a;
Qx = Qb cosa – H sina.
В приведенных формулах Mx; Qx - изгибающий момент и поперечная сила, вычисленные также, как для балки пролетом l, равным пролету арки, у - ордината оси арки на расстоянии х от опоры, a - угол между горизонталью и касательной к оси арки в рассматриваемом сечении.
В сквозных арках (рис. 11.6. б) усилия в поясах и решетке могут быть получены с использованием формул
Nb = Nx /2 
Mx /h;
Nd = -Qx sin 
где Nb - усилие в верхнем и нижнем поясах, вычисляемые с зачетом изгибающего га б сечении, Nd - усилие в раскосе, h - высота сечения арки,
- угол между раскосом и поясом.
Купола
Купола относятся к пространственному типу покрытий. Они являются распорными системами. Различают 3 типа конструктивных схем куполов: ребристые, ребристо - кольцевые и сетчатые.
Ребристые купола образуются из радиально расположенных ребер - полуарок (рис. 11. 8 а). В основании купола ребра опираются на стены здания либо на криволинейный или многоугольный в плане кольцевой элемент, воспринимающий распор X. В вершине купола ребра опираются на центральное кольцо. При расчете на осесимметричные нагрузки можно расчленять на плоские арки. При шарнирном сопряжении ребер с верхним кольцом получаются трехшарнирные арки. При жесткой заделке ребер в верхнем опорном кольце рассчитываются двухшарнирные арки с условной затяжкой, роль которой выполняет нижнее опорное кольцо.
Ребра выполняются сплошными или решетчатыми и соединяются между собой ими. Для обеспечения устойчивости ребер из плоскости между прогонами устраивают связи.
Ребристо-кольцевые купола (рис. 11.8. б) отличаются от ребристых тем, что прогоны включаются совместно с ребрами на восприятие распора. Прогоны в этом случае представляют собой ряд горизонтальных колец, расположенных в разных уровнях и испытывающих растягивающие усилия. В таких куполах, заметнее чем, в ребристых, проявляется эффект пространственности. При асимметричной нагрузке купола можно рассчитывать, расчленяя их на плоские арки с условными затяжками в уровнях кольцевых прогонов.
Сетчатые купола образуются из ребристо-кольцевых включением на восприятие диагональных связей между ребрами и прогонами (рис.11.8.в). Сетчатые купола опираются в отдельных точках или связываются упруго с опорными кольцами.
При больших пролетах можно приближенно рассчитывать такие купола как безмоментные оболочки. Найденные в оболочке меридиальные и кольцевые усилия раскладывают на направления стержней, сходящихся в узле. По конструкции стержневого набора сетчатые купола могут быть односетчатыми и 2-х сетчатыми. Пролеты куполов могут достигать 400 м.
Для однотипности элементов сетчатого купола, при построении их геометрии используются правильные и полуправильные многогранники, вписанные в сферу, например, икосаэдр, имеющий 20 одинаковых граней, 80-гранник, дающий два типа граней или 320-гранник с пятью типами граней.
