Арки покрытий и их расчет

Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Строительных конструкций и инженерных сооружений»

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по теме:

«Арки покрытий и их расчет»

 

 

 

 

Выполнил: студент группы ЗФ-532

Офицеров И.Н.

Проверил: Иващенко Ю.А.

 

 

 

 

 

 

г. Челябинск

2015

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Арки идеально подходят для создания отдельных конструкций, или используются как элемент сооружения, но существуют примеры зданий, в которых арочный принцип взят за основу.

Одним из самых известных и будоражащих воображение памятников архитектуры являются сады Семирамиды. Огромный четырехуровневый сад был устроен в форме пирамиды длиной около сорока метров. Вся конструкция висела на 25-метровых колоннах. В основании каждого яруса лежали каменные плиты, покрытые слоем камышей, а затем асфальтом и свинцовыми пластинами. Подобная система прослоек позволяла сажать разнообразные растения без ущерба зданию. Для дополнительной гидроизоляции прокладывали двухслойную кирпичную кладку. Поверх этой системы слоев насыпалась земля, в которую и сажали сотни разных растений. Висячие сады Семирамиды можно считать первым в истории ботаническим садом. Вода подавалась на верхний уровень с помощью насоса, а оттуда ручейкам и водопадам стекала на нижние этажи. Огромное сооружение, состоящее из аркад, погубил природный катаклизм – наводнение. При постройке предполагалось, что высокие колонны смогут защитить сад от воды, но она размыла основания колонн и сооружение рухнуло.

Другое и не менее известное сооружение, состоящее из аркад, это Колизей, крупнейший и наиболее знаменитый из римских амфитеатров. Колизей был заложен императором Веспасианом в 75 и торжественно открыт его сыном Титом в 80. Перестройки и ремонты, необходимость в которых возникала из-за пожаров или землетрясений, продолжались здесь до начала 6 в. К 523 относится последнее упоминание о проведенной травле диких зверей, а гладиаторские игры были запрещены еще в 404. Несмотря на то, что в последующие эпохи Колизей многого лишился из-за плохого присмотра, землетрясений и, главное, строителей, растаскивавших здание на камни, более трети внешних аркад уцелели до наших дней. Сейчас насчитывается до 80 арок. Колизей имеет в плане эллиптическую форму, длина его большой оси 188 м, малой – 155,5 м. Наружная конструкция, имеющая высоту 48,5 м, образована тремя ярусами аркад, поверх которых находится еще один сплошной, прорезанный небольшими прямоугольными окнами. В каждой из аркад некогда было по 80 арок. Многочисленные входы вели через нижнюю аркаду внутрь Колизея. Внешняя стена, равно как и внутренний каркас, вплоть до третьего яруса, были сооружены из крупных блоков травертина, скрепленных бронзовыми связями. Прочие элементы были возведены из более мягкого камня, бетона и кирпича.

Таким образом, арочные конструкции позволяют сооружать масштабные здания, делая их устойчивыми к ветрам, землетрясениям, повышая долговечность строения.

Влияние арок на архитектурные стили

 

В Европе применение арочных конструкций начинается с развитием Римской империи. Римляне во многом унаследовали архитектурные традиции этрусков, в том числе и циркульную арку. Именно этот элемент позволил создавать множество общественных сооружений, административно-бытовых комплексов. Вплоть до середины 2 в. до н.э. активно строятся акведуки, каналы и базилики. Арочная конструкция позволила не беспокоиться о весе здания, что повлияло на выбор материала. Теперь здания стали строить не только из вулканических пород, – пиперина и травертина, – но и из более массивного мрамора. Арки попадают в светскую архитектуру, так появляется здание городского архива – Табулариум. Оно построено в 78 до н.э. и имеет фасад, образованный двумя аркадами. Так же римляне подарили миру такое архитектурное сооружение, как триумфальную арку.

 

Арки индустриального периода

 

В 19–20 веках арки часто присутствуют как элементы зданий, но не являются чем-то новым или грандиозным. Хотя во многом включения арок поддерживают каноны стилей и эстетически незаменимы, они уже не впечатляют обывателя. Грандиозность и масштабность арки проявилась в таких сооружениях, как мосты или зданий индустриального времени, типа фабрик, заводов, добывающих предприятий. Теперь появилась возможность сооружать арки из кирпича, на основе стального каркаса или из железобетона, что позволило значительно увеличить их размеры пролета и высоты конструкции.

Необходимость в новых мостах возникла с появлением железных дорог и стремительным развитием транспортной системы. Нагрузки на мосты стали огромными из-за тяжести поездов. Промышленная революция подарила нам не только массивные железнодорожные мосты, но и изящные ажурные пешеходные переправы. Ярким примером является первый изготовленный из чугуна в 1781 арочный мост Айрон-Бридж. Он был сооружен в Великобритании через реку Северен. Этот мост был занесен в список ЮНЕСКО как объект Всемирного культурного наследия и по сей день сохранился. А уже в 1850 постоянный чугунный мост появился и в Санкт-Петербурге. Благовещенский мост сооружен  по проекту инженера С.В.Кербедза. Мост имеет длину 250 м и образован восьми пролетами, один из которых разводной. Нельзя не упомянуть об одном из самых больших стальных мостов в мире. В 1932 в Сиднее был построен Харбор Бридж, арочный пролет которого длиной 503 м, поддерживает мостовый переход общей длиной 1149 м. Арка, опирающаяся на массивные башни, позволяет подвесить сам переход на высоте 49 м над поверхностью воды, что обеспечивает проход под мостом любых судов. Идею конструкции заимствовали у моста Хелл-Гейт, построенного в 1912. В проектировки моста участвовали 95 инженеров под руководством архитектора из Брно Густава Линденталя, который вместе с  Генри Хорнбостелом разработал башенные опоры. Но длина пролета моста Хелл-Гейт 298 м, что безусловно не сравниться с самым длинным арочным стальным мостом Нью-Ривер в Западной Верджинии. Его центральный пролет длиной 518 м возвышается над глубоким ущельем на высоте 267 м. Он был построен в 1977 инженерами фирмы «Майкл Вэйкер инкорпорейтед». Внимания заслуживает способ строительства моста. По тросам, натянутым над ущельем между двух башен, ездили на тележках. Трехдюймовые кабели простирались на 1070 м, что позволяло рабочим перемещаться вдоль всей длины конструкции, доставлять детали и материалы в нужное место. В Европе же самым высоким мостом считается мост Джурджевича. Он был построен в 1940 в Черногории. Это бетонный арочный мост очень оригинальной конструкции находится на высоте 172 метров над каньоном реки Тары. Мост Джурджевича состоит из пяти арок, пролет наибольшей арки составляет 116 м. Сейчас для сооружения переправ арочные мосты с большими пролетами применяются редко, так как арочные системы требуют сооружения более массивных опор, довольно трудоемки и являются нетиповыми, а индивидуальными объектами проектирования.

В странах с крупными горными системами в связи с развитием транспортных сетей встала проблема обхождения естественных преград. Стали появляться тоннели, дороги через породу, чуть ли не напрямик соединяющие пункты назначения. В сечении тоннель не что иное, как арка, поэтому по сути это еще одна форма арочной конструкции. Самая развитая страна того времени, столкнувшаяся с этой проблемой, была Англия, где в 1830 тоннель проложили на участке Ливерпуль — Манчестер, протяженностью 1190 м. Вскоре в 1838 был построен тоннель Килсби длиной 2218 м.

Во Франции, Бельгии и Германии также начинают строиться железнодорожные тоннели. В 1845 итальянское правительство приступило к строительству тоннеля у перевала Мон-Сени в Альпах под руководством бельгийского инженера Мозу и геолога Зизмонди. Мон-Сенийский тоннель длиной 12 849 м в те годы являлся крупнейшим тоннелем Европы. Первые четыре года работы вели вручную, и в сутки удавалось проходить в среднем 0,63 м породы. С 1861 работы пошли быстрее благодаря использованию в строительстве бурильных пневматических машин ударного действия. С их помощью бурили шпуры, в которые закладывали пороховые заряды. Но по мере прохождения вглубь работали все дальше от входа, из-за чего сокращался приток свежего воздуха. Для решения этой проблемы инженерами были сконструированы мощнейшие по тому времени всасывающие аппараты. Их установили с обоих концов тоннеля, а приводили в действие энергией горных рек. 21 декабря 1870 французские и итальянские рабочие соединили участки своих тоннелей. Тоннель был проложен с высокой точностью. Оба его участка совпали с отклонением всего лишь в 2 см. После пятнадцатилетнего строительства 17 сентября 1871 двухпутный Мон-Сенийский тоннель открыли для движения поездов между Парижем и Турином. Но уже в 1881 по проекту инженера Фавра был построен Сен-Готардский тоннель, протяженность которого 14 984 м.

Длина тоннелей и скорость их строительства росли, так что до Первой мировой войны было проложено 26 тоннелей длиной более 5 км каждый. В Лондоне в 1863 развитие получил метрополитен, который первоначально имел протяженность 3,7 км. Огромное значение для развития метрополитена имел переход в 90-х годах с паровой тяги на электрическую, прекратившую загрязнение тоннелей дымом и копотью. Это привело к быстрому появлению подземных железных дорог во многих крупных городах. А начало сооружения подводных тоннелей относится к 1843, когда завершилось строительство под Темзой в Лондоне тоннеля для движения экипажей и пешеходов инженером М.И.Брюнелем. Тоннель длиной 360 м состоит из двух отдельных проездов шириной каждый по 4,2 м. Они разделены между собой столбами, перекрытыми арками. Строительство этого тоннеля стало возможным благодаря разработанному Брюнелем способу ведения тоннельных работ с использованием проходческого щита. А для железнодорожного движения в 1868 началось сооружение нового тоннеля под Темзой длиной 411 м. Крупнейшим сооружением времени стал подводный тоннель под рекой Гудзон в Нью-Йорке между Мангатаном и Джерслей-Сити длиной 1700 м. Его строительство затянулось на 26 лет в связи с техническими трудностями и окончилось в 1905. Таким образом можно отметить колоссальный прорыв в тоннелестроении в конце 19 в.

Еще одним достижением в строительстве, которым пользуются до сих пор, является бескаркасное арочное сооружение. В 1949 инженер-изобретатель Эдвард Мартин запатентовал революционное, самонесущее арочное сооружение из стали. Так как конструкция представляет собой систему полуциркульных арок, то может выдерживать большие нагрузки с полным отсутствием внутренних опор. Арочные сегменты из стальных гофрированных листов соединяются заклепками, и получившийся тоннель ставится на фундамент. Волнистость основного материала играет роль ребер жесткости, придавая прочность конструкции. Форма арки в сечении дает возможность воспринимать внешние нагрузки. Материал легок и прост в эксплуатации, а скорость сборки и мобильность размещения крайне высоки. Все это позволяет создать арочное сооружение, себестоимость которого существенно ниже и время установки которого также очень небольшое по сравнению со схожими типовыми сооружениями. В 1950 сэр Питер Педерсен и его сын, Питер С.Педерсен-младший, основали производственную компанию в Чикаго, чтобы начать производить этот новый продукт – стальное здание как «Удивительное Сооружение» («Wonder Building»). Такие конструкции используются для возведения ангаров, сельскохозяйственных станций, зданий торговых центров, выставочных павильонов, спортивных сооружений, заводских корпусов, складов, холодильных камер.

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.

 

Общая характеристика

 

Арки также как и рамные относятся к распорным конструкциям, т. е. для них характерно наличие горизонтальной составляющей опорной реакции (распора).

Арки используются в качестве основных несущих конструкций зданий различного назначения. Их применяют в покрытиях промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий пролетом от 12 до 70 м. В зарубежном строительстве с успехом применяют арки пролетом до 100 м и более.

По статической схеме арки разделяют на трехшарнирные и двухшарнирные без ключевого шарнира:

Рисунок 1 – Трехшарнирная и двухшарнирная арка

По схеме опирания их делят на арки с затяжками, воспринимающими распор и на арки без затяжек, распор которых передается на опоры.

Рисунок 2 - Арка без затяжки и с затяжкой

Затяжки изготовливают в большинстве случаев из арматуры или профильной стали. Возможно применение деревянных клееных затяжек, в условиях химически агрессивных сред, где металл будет корродировать.

По форме оси арки делят на:

- треугольные из прямых  полуарок

- пятиугольные

Рисунок 3

- сегментные, оси полуарок  располагаются на общей окружности

- стрельчатые, состоящие  из полуарок, оси которых располагаются на двух окружностях, смыкающихся в ключе под углом.

Рисунок 4

По конструкции арки делятся на:

1) цельные (только треугольной  формы);

2) арки из ферм

Рисунок 5 – Арка из фермы (l=30…60 м, f=l/3…l/2)

3) арки из балок на пластинчатых нагелях (Деревягина)

4) кружальные арки, состоящие  из двух или более рядов  косяков, соединенных между собой  нагелями

Рисунок 6 – Кружальная арка

5) арки с перекрестной  дощатой стенкой на гвоздях

Рисунок 7 – Арка с перекрестной дощатой стенкой (l=20…40 м, f≥l/6)

6) клееные арки (дощатоклееные  и клеефанерные)

Из перечисленных видов арок наиболее широкое применение получили клееные арки заводского изготовления. Распоры и несущая способность таких арок могут отвечать требованиям сооружения покрытий самого различного назначения, в том числе уникальных по своим размерам.

Арки остальных видов являются арками построечного изготовления и сейчас почти не применяются. Дощатоклееные деревянные арки представляют собой пакет склеенных по пласте гнутых досок.

По форме оси дощатоклееные арки могут иметь любой из перечисленных выше видов, т.е. они могут быть треугольными (без затяжек – при высоте 1/2 l и с затяжками – при высоте 1/6 … 1/8 l в покрытиях до 24 м), пятиугольными с гнутыми участками в местах переломов осей, пологими сегментными двух- или трехшарнирными со стрелой подъема не менее 1/6 l (в редких случаях 1/7…1/8 l) и высокими трехшарнирными стрельчатыми из элементов кругового очертания со стрелой подъема 1/3…2/3 l. Последние два вида клееных арок (сегментные и стрельчатые) рекомендуются в качестве основных.

Поперечное сечение клееных арок рекомендуется принимать прямоугольным и постоянным по всей длине. Высота поперечного сечения назначается от 1/30…1/50 пролета. Толщина слоев для изготовления арок при радиусе кривизны до 15 м принимается не более 4 см.