Конструктивные схемы арок и ее опорных узлов
Арки в качестве основных несущих элементов покрытия применяются в павильонах, крытых рынках, спортивных залах, ангарах, производственных складах большой площади и т.д.
Система арок достаточно разнообразна. Самыми распространенными из них являются двухшарнирные арки (рис. 4.1.А). К их достоинствам относятся простой монтаж и изготовление, а также экономичность сечения конструкции.
Трехшарнирные арки (рис. 4.1.Б) не имеют особых преимуществ по сравнению с двухшарнирными, но они позволяют перекрывать значительно большие пролеты до 80-100 м.
Бесшарнирные арки (рис. 4.1.В) имеют благоприятное распределение изгибающих моментов по пролету и поэтому оказываются самыми легкими. Однако они требуют устройства более мощных опор и распорные усилия в них существенно больше. Это снижает экономику применения арок данного типа.
Опорами арок служат специальные фундаменты, «мощность» которых зависит как от величины опорных давлений, так и от несущей способности грунта. При слабых грунтах может оказаться целесообразным, чтобы распор арки воспринимался затяжкой, расположенной ниже уровня пола. При наличии затяжки опоры воспринимают только вертикальные нагрузки и поэтому имеют наименьший объем и более простую форму в плане. Это существенно упрощает технологию их устройства. Конструктивные схемы «типовых опор» арок приведены на рис.4.2 и 4.3.
Схема фундамента для арок с «затяжкой» приведена на рис. 4.3.
При назначении варианта схемы фундамента используется традиционная методика расчета данной конструкции. Существенном моментом при окончательном выборе той или иной конструктивной схемы является «экономика» устройства самого фундамента. Она определяется составом технологических операций и, очевидно, что состав и набор работ для каждого варианта, будет не «типовым» и он приводится ниже.
Рисунок 4.1 Конструктивная система арок: А — двухшарнирные; Б – трехшарнирные; В – бесшарнирные; 1 – фундамент; 2 – шарнир; 3 – арка; 4 – затяжка.
Рисунок 4.2 Схема опоры арки: 1 – арка; 2 – шарнир; 3 – фундамент, 
; 
— соответственно «распор» арки и его горизонтальные и вертикальные составляющие; a, b, c –соответственно ширина, длина и высота ступеней фундамента.
Вариант № 1 (рис. 4.2)
Технологическая схема работ, присущих данному варианту, содержит следующие процессы:
1. разработка траншеи (котлована) до отметки «заложения» фундамента механизированным способом;
2. зачистка «недобора» грунта механизированным и ручным методами;
3. устройства щебеночной подготовки (по размеру нижней ступени);
4. монтаж армокаркаса нижней ступени фундамента с выпусками арматурных стержней из нижней части фундамента;
5. монтаж опалубки нижней ступени из инвентарных щитов;
6. бетонирование нижней ступени с выдержкой бетона до 15-20 % 
7. распалубка фундамента
8. монтаж армокаркаса конусной части фундамента с шарниром под опору арки;
9. монтаж опалубки конусной части фундамента из отдельных элементов, формирующихся не из инвентарных щитов;
10. бетонирование конусной части фундамента жесткой бетонной смесью (ОК 
4 см), позволяющей формовать наклонную поверхность ступени через «окна» в щитах опалубки;
11. выдержка бетона до 15 — 20 % ;
12. распалубка фундамента;
13. устройство шарнирной опоры арки.
Рисунок 4.3 Схема фундамента арочного покрытия, работающего с «затяжкой»: 1 – арка; 2- шарнир; 3 – затяжка; 4 – фундамент.
Вариант № 2 (рис. 4.3)
Технологическая схема работ, присущих данному варианту, содержит следующие процессы:
1. разработка траншей (котлована) под фундамент;
2. зачистка «недобора» грунта и устройство подготовки фундамента;
3. армирование фундамента в полном объеме арматурного каркаса конструкции;
4. монтаж опалубки из инвентарных щитов типа «Монолит — 78»;
5. бетонирование фундамента по схеме: автотранспорт — бункер – кран – опалубка;
6. выдержка бетона до набора прочности 15-20 % 
;
7. распалубка фундамента;
8. монтаж шарнира арки;
9. монтаж узла «затяжки» арки (установка хомута затяжки).
Каждый из вариантов, как следует из приведенного выше «набора» работ, характеризуется своими «положительными» и «негативными» характеристиками. Поэтому выбор варианта фундамента должен сопровождаться технико-экономическими расчетами, включающими определение таких показателей, как:
— удельные трудозатраты на устройство фундаментов;
— удельная стоимость работ.
Меньше значения этих «удельных затрат» объективно определяют более рациональный тип фундамента.
Источник
Деревянные арки. Виды арок и области применения. Способы восприятия распора. Устройство опорных узлов. Расчет арок.
Арки относятся к плоским распорным несущим конструкциям.
Деревянные арки являются в настоящее время наиболее распространенными основными несущими конструкции деревянных покрытий зданий различного назначения. Их изготовляют путем склеивания надежными синтетическими клеями гнутых и прямых клеедеревянных элементов значительных длин и сечений требуемой несущей способности. Клееные дощатые арки — наиболее эффективный вид несущих деревянных конструкций, особенно при круговом или стрельчатом очертании.
Клееные фанерные арки — применяют реже из-за трудоемкости их изготовления и дефицитности высококачественной фанеры.
Клееные деревянные арки рекомендуется применять при пролетах от 12 до 60 м.
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 при условии конструирования узлов на деревянных или стеклопластиковых нагелях.
Как и клееные балки, арки образуются склеиванием досок. Криволинейные арки по статической работе более выгодны, чем прямолинейные треугольные, однако их изготовление более трудоемко.
Дощатоклееные деревянные арки представляют собой пакет склееных по пласти гнутых слоев. Поперечное сечение арок рекомендуется принимать прямоугольным и постоянным по всей длине.
При больших пролетах целесообразно применять арки переменного по высоте сечения, принятого с учетом изменения момента по длине.
Другие виды сечений допускается применять при надлежащем технико-экономическом обосновании.
Клееные арки обычно изготавливают с постоянным по длине арки прямоугольным поперечным сечением с h/b≤ 8. Сечения арок могут быть армированными.
Арки могут применяться в зданиях различного назначения с утепленными или неутепленными ограждающими конструкциями из панелей или листовых материалов.
Деревянные арки разделяются:
I. По статической схеме:
1. Трехшарнирные арки.
Имеют два опорных и один коньковый (ключевой) шарнир. 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 полуарок (рис. 1.1, а);
2. Двухшарнирные арки.
Имеют только два опорных шарнира. 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, поэтому их пролеты ограничены (рис. 1.1, б);
3. Бесшарнирные арки (рис. 1.1, в).
II. По особенностям опирания на опоры:
Арки с затяжками сложнее по конструкции. Опоры рассчитываются только на вертикальные опорные давления (рис. 1.1, г);
Арки без затяжек опираются на фундаменты или стеновые несущие конструкции и являются наиболее простыми. Опоры должны рассчитываться на вертикальные и на горизонтальные (распор) опорные давления
III. По профилю (очертанию):
Пологие — двухшарнирные и трехшарнирные арки кругового очертания.
Стрела подъема принимается f ≤1/6L, при соответствующем технико-экономическом обосновании может быть уменьшена до 1/7-1/8L.Высоту поперечного сечения арок рекомендуется назначать от 1/20 до1/30L;
2. 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;
3. 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 (рис. 1.1, е);
4. 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 (рис. 1.1, ж).
IV. По форме сечения:
1. Прямоугольное из склеенных досок (рис. 1.1, з);
2. Тавровое (рис. 1.1, и);
3. Коробчатое (рис. 1.1, к);
4. Армированное стальными стержнями.
Рис. 1.1 Клеедеревянные арки: а – трехшарнирные, б — двухшарнирные, в — безшарнирные, г – с затяжками, д — без затяжки, е – стрельчатые, ж – треугольные, з – прямоугольное сечение, и – двутавровое сечение, к – коробчатое сечение.
Расчет арок производится по правилам строительной механики, причем распор пологих двухшарнирных арок при стреле подъема не более 1/4 пролета разрешается определять в предположении наличия шарнира в ключе.
Расчет арок после сбора нагрузок выполняется в следующем порядке:
1) геометрический расчет арки;
2) статический расчет;
3) подбор сечений и проверка напряжений;
4) расчет узлов арки.
Нагрузки, действующие на арку, могут быть распределенными и сосредоточенными. Постоянную равномерную нагрузку g от массы покрытия и самой арки определяют с учетом шага арок. Она обычно условно считается в запас прочности, равномерно распределенной по длине пролета, для чего ее фактическое значение умножают на отношение длины арки к ее пролету S/l.
Массой арки можно задаться предварительно с использованием коэффициентов собственной массы kсв=2…4, и определить его в зависимости от массы покрытия gn, снега p и других нагрузок из выражения
Снеговую нагрузку р определяют по нормам нагрузок и воздействий, условно равномерно распределенную по длине пролета покрытия.
При расчете сегментных арок при f/l≥1/8 нужно учитывать также распределение снеговой нагрузки по треугольным эпюрам при значении коэффициента перехода в ключе 0, близ опор – от 1.6 до 2.2 с одной стороны и от 0.8 до 1.1 – с другой.
Стрельчатые арки при определении снеговых нагрузок могут условно считаться треугольными.
Ветровую нагрузку q определяют по нормам нагрузок и воздействий с учетом шага арок и считают приложенной нормально к поверхности покрытия. При этом для упрощения расчета криволинейные эпюры этой нагрузки можно заменять прямолинейными нормальными к хордам полуарок.
При стрельчатых арках они условно могут считаться треугольными, и нагрузка распределится нормально к хордам полуарок.
Сосредоточенные, временные нагрузки Р включают в себя массу подвесного оборудования и временных нагрузок на нем.
Геометрический расчет арки заключается в определении всех размеров, углов и их тригонометрических функций полуарки, необходимых для дальнейших расчетов. Исходными данными при этом являются пролет l, высота f, а в стрельчатых арках также радиус полуарки r или ее высота f.
По этим данным в треугольных арках определяют длину S/2 и угол наклона полуарки α. В сегментных арках определяют радиус
,
центральный угол φ из условия 
и длину дуги 
полуарки и находят уравнение дуги в координатах с центром в левой опоре 
Рисунок 8 – Геометрическая и расчетная схема арки
В стрельчатых арках определяют угол наклона α и длину l хорды, центральный угол φ и длину S/2 полуарки, координаты центра a и b, угол наклона опорного радиуса φ0 и уравнение дуги левой полуарки 
. Затем половину пролета арки делят на четное число, но не менее шести равных частей и в этих сечениях определяют координаты х и у, углы наклона касательных α и их тригонометрические функции.
Опорные реакции трехшарнирной арки состоят из вертикальных и горизонтальных составляющих. Вертикальные реакции Ra и Rb определяют как в однопролетной свободно опертой балке из условия равенства нулю моментов в опорных шарнирах. Горизонтальные реакции (распор) Ha и Hb определяют из условия равенства нулю моментов в коньковом шарнире.
Определение реакций и усилий удобно производить в сечениях только одной левой полуарки в следующем порядке:
— сначала усилия от единичной нагрузки справа и слева, затем от левостороннего, правостороннего снега, ветра слева, ветра справа и массы оборудования.
Изгибающие моменты следует определять во всех сечениях и иллюстрировать эпюрами.
Продольные и поперечные силы можно определять только в сечениях у шарниров, где они достигают максимальных величин и необходимы для расчетов узлов. Необходимо также определять продольную силу в месте действия максимального изгибающего момента при таком же сочетании нагрузок.
Усилия от двустороннего снега и собственной массы определяют путем суммирования усилий от односторонних нагрузок.
Полученные результаты сводят в таблицу усилий, по которой затем определяют максимальные расчетные усилия при основных наиболее не выгодных сочетаниях нагрузок.
В число таких сечений должны входить:
1) собственная масса и снег;
2) собственная масса, снег и масса оборудования;
3) все действующие нагрузки, включая ветровую с коэффициентом 0.9, вводимого в усилия от временных нагрузок.
Для клееных арок «Пособие» к СНиП II-25-80 расчет на прочность рекомендует выполнять при следующих сочетаниях нагрузок.
а) в пологих арках (f
Источник