Развитие раскосных и сетчатых пролетных конструкций В. Г. Шухова

Развитие раскосных и сетчатых пролетных конструкций В. Г. Шухова

Оригинальные творческие идеи В. Г. Шухова в области раскосных и сетчатых пространственных пролетных конструкций представляют не только исторический интерес — они и сегодня служат дальнейшему развитию инженерной практики.

В 1897 г. вышла в свет книга В. Г. Шухова «Стропила», в которой впервые сформулированы задачи рационального проектирования покрытий и для их решения избран изящный путь [1]. Как правило, проектная разработка и практическое осуществление в металле конструктивных замыслов В. Г. Шухова опережали публикацию.

Пролетная конструкция, по Шухову, должна отвечать следующим требованиям: иметь по возможности меньший вес; обладать простым устройством; геометрия ее должна быть такова,, чтобы элементы конструкции работали на однозначные усилия либо сжатия, либо растяжения; прочность материала в каждом элементе должна использоваться максимально и поэтому количество ступеней в передаче нагрузки должно быть минимальным.

Опираясь на четкий математический анализ, автор разработал рациональную раскосную решетку для треугольных ферм, просто и строго доказал, что параболическая (сeгментная) ферма во всех отношениях «наивыгоднейшая», что замена ее раскосной решетки системой лучевых тяг наиболее целесообразна по затратам материала и труда.

Полагая верхний пояс треугольной фермы состоящим из равных панелей, Шухов описал рисунок ее решетки величиной х_т (рис. 1, а). Так, при х_т=0 ферма будет, как тогда называли, «английской» (рис. 1, б), а при х_т=а — «американской» (рис. 1, в). Соответственно изменяются усилия в стойках и восходящих либо нисходящих раскосах.

Вес фермы слагается из веса поясов и решетки. С увеличением высоты фермы сечение поясов уменьшается, так как усилия в них обратно пропорциональны высоте f, но возрастает длина элементов решетки, вес которой зависит и от ее рисунка: более длинные сжатые раскосы фермы (см. рис. 1, в) получаются утяжеленными.

Выразив усилия во всех элементах панели, а значит, и их вес через переменную х_т, приравняв первую производную по х_т нулю, Шухов получил условие

Преобразовав это условие, он нашел правило графического построения треугольной решетки такой фермы — из центра опорного узла проводят дуги через середину каждой (кроме первой) панели верхнего пояса, отмечая ими точки на нижнем поясе, которые соединяют с ранее размеченными концами панелей верхнего пояса (рис. 1, г).

Пользуясь результатами этих исследований, Шухов еще более упростил аппарат оптимизации ферм Полонсо, для которых им также была разработана рациональная решетка (рис. 2).

Описывая аналитически усилия в элементах m-й панели фермы, Шухов обратил внимание на то, что все они содержат постоянную величину

где а — длина панели; q — распределенная нагрузка; I — полупролёт с числом панелей п; f — высота фермы. Представив ее своеобразным масштабом, можно найти усилие в любом элементе фермы геометрическим путем. Для этого проводят по две вспомогательные линии, параллельные раскосам, из каждой точки пересечения нижнего пояса с нормалями к нему из узлов верхнего пояса (рис. 3, а). Усилие в каждом раскосе равно в масштабе длине вспомогательной (пунктирной) линии, параллельной этому раскосу и находящейся в той же панели.

б — рациональная по В. Г. Шухову

Для элементов треугольной фермы с восходящими раскосами (рис. 3, б) графоаналитическое решение, предложенное Шуховым, несколько проще: усилие сжатия в стойке равно длине следующей стойки, в раскосе — его собственной длине, в панели верхнего пояса —расстоянию от левого конца панели до вертикали, проведенной через правый опорный узел фермы, нижнего пояса — расстоянию от правого конца рассматриваемой панели до этой вертикали.

В процессе исследований было установлено, что решетка, сжатые раскосы которой направлены по биссектрисам углов между растянутыми раскосами и нижним поясом, обладает новым свойством: усилия в растянутых раскосах равны разности усилий в панелях нижнего пояса, примыкающих слева и справа к рассматриваемому узлу. Применение такой решетки в стальных фермах не имело особых преимуществ, и потому она там не привилась. Но она еще не получила должного признания при проектировании ферм из железобетона. Такая решетка позволяет армировать растянутые раскосы теми стержнями, какие могут быть оборваны при переходе через узел от более нагруженной панели нижнего пояса к менее нагруженной (рис. 4).

Изгибающий момент в произвольно очерченном верхнем поясе фермы, в точке с координатами х, у (рис. 5) от распределенной нагрузки q представляется формулой:

Отыскивая уравнение кривой оптимального очертания верхнего пояса, Шухов приравнивает нулю это выражение для М и получает уравнение квадратной параболы

Следовательно, параболическая ферма оптимальна, а затем он показывает, что «параболическое очертание верхнего пояса есть наивыгоднейшее и для односторонней нагрузки».

Задаваясь целью выяснить, какая должна быть решетка, должна ли она быть треугольной, и отвечая на этот вопрос «нет», Шухов с помощью новых доказательств показывает преимущества лучевой решетки из растянутых гибких тяг-хорд.

Длина сжатых раскосов в арочной ферме с односторонней нагрузкой больше, чем в треугольной, что определяет их повышенный вес и целесообразность замены растянутыми тягами.

В арочной ферме с горизонтальной и двумя наклонными тягами (рис. 6, а и 6, б) изгибающие моменты от односторонней нагрузки q таковы, что по абсолютной величине M₃>M₁. Если правильно выбрать места крепления тяг к верхнему поясу, то М₃=М₂ (арка равного сопротивления), откуда а=0,68/, М₃ = —M_z = 0,022ql². Это более чем в три раза меньше по сравнению с аркой на одной горизонтальной тяге, для которой М_max— 007ql²

Рассматривая далее арочную ферму с произвольным числом тяг, Шухов установил, что при односторонней нагрузке q сумма горизонтальных натяжений в наклонных тягах не зависит от их количества и равна натяжению в одной горизонтальной тяге арочной фермы при равномерной нагрузке той же интенсивности q, но по всему пролету; что треугольная ферма на 20—25% тяжелее арочной с лучевой решеткой; арочные фермы выгоднее нагружать не в узлах, так как это вызывает изгиб верхнего пояса между ними, а равномерно.

Рис. 4. Железобетонная ферма с решеткой В. Г. Шухова

Задаче комбинаций расстояний между фермами и обрешетками Шухов посвящает в книге отдельный параграф, в котором приходит к важнейшим выводам:

1. Вес материала на единицу площади покрытия

где р-величина, характеризующая работу обрешетки на из-

2 Практический минимум этого веса получится тогда когда шаг ферм е и длина их панелей а одинаковы и равны шагу с обрешетки по фермам, а в обрешетке при этом нет более нужды

«Единственный практически возможный путь для уменьшения размеров а и е заключается в устройстве арочных сетчатых покрытий, которые при самых разнообразных условиях заданий по составленным мною проектам, были уже построены.

В книге «Стропила» были сформулированы идеи обоснованные, разработанные и осуществленные В. Г. Шуховым задолго до её публикации и зафиксированные раньше в виде конечного результата – изобретённых им новых конструктивных форм. 27 марта 1895 г. В. Г. Шухов предложил заявку на «сетчатые покрытия для зданий» (привилегия №1894) и на «сетчатые сводообразные покрытия для зданий №1895) (рис 7 и 8) а 11 января 1896 (привилегия № 1896) марта 1899 г. все три привилегии (авторские в 1898г. (рис.9).считалась взаимными пересечениями — сетчатостью, а устойчивость всего свода — сперва наклонными тягами, а в более поздних конструкциях — двоякой кривизной поверхности. Сетчатые своды двоякой кривизны Выксунского чугуноплавильного завода — первая в мире пространственно работающая пролетная конструкция такого типа была построена по проекту В. Т. Шухова



Рис. 7. Чертеж В. Г. Шухова к привилегии № 1894 на висячие покрытия
Сетчатые своды Шухова позднее, после 1921 г., будут называться сводами Цоллингера, Цейса, Ламеля, а приоритет в создании оболочки двоякой кривизны был присвоен в 1923 г. Ф. Дишингеру [5, с. 247].

По сеткам Шухов укладывал кровельную сталь. Но центральная часть круглого павильона Нижегородской выставки покрыта висячей пеленой диаметром 25 м из одних только кровельных листов — последний шаг на пути сокращения ступенчатости восприятия и передачи нагрузки.

Так, этот выдающийся ученый и инженер всего за три года изобрел, разработал детали, спроектировал и выполнил на практике пролетные конструкции будущего, на много опередив свое время. Первое повторение висячей пелены Шухова было сделано в 1932 г. в Олбани (США), затем в 1937 г. в покрытии павильона Франции на выставке в Загребе (Югославия).

Первое повторение висячей сетки было сделано в 1958 г. в США (Ралей-арена) и в том же году на французском павильоне в Брюсселе (Бельгия). Сегодня тысячи висячих сетчатых и сплошных конструкций построены в различных городах многих стран мира: над резервуарами, павильонами, концертными залами, стадионами. Однако с именем Шухова авторы этих построек свои проекты никогда не связывали.

В СССР лишь за последние годы построено и строится более 100 общественных и промышленных зданий и сооружений, перекрытых висячими конструкциями. Чисто стальные конструкции Шухова сочетают теперь с железобетоном опорных устройств и плит покрытий. Это позволило получить решения, новые в своей архитектурной и конструктивной выразительности.

Возрождены после некоторого перерыва (по ЗО-е годы) сетчатые сводчатые конструкции. Одно из наиболее изящных современных воплощений этой идеи В. Г. Шухова в железобетоне — ангары для самолетов, построенные Л. Нерви в 1936 г. в Орвьето и в 1940—1941 гг. в Орбетелло и других городах Италии [5—7]. Выполнены многочисленные разработки и исследования сегментных ферм с жестким верхним поясом и лучевой решеткой из предварительно напряженных гибких элементов.

В зарубежных изданиях и проектах, которые повторяют шу-ховские конструкции, о приоритете В. Г. Шухова не упоминают, хотя нижегородские сетчатые конструкции были описаны в иностранных журналах того времени («Engineer» за 1896, 1897 гг. и др.), первые повторения его новых конструктивных форм были построены еще при жизни Шухова.

Нам интересно и важно знать, как возникали постройки Шухова? По счастливому наитию, по озарению гения? Или в результате строгого анализа, поиска и установления закономерностей развития пролетных пространственно работающих конструкций? Многого из великого шуховского наследия не находим мы и в на^ ших учебниках. Приведенные здесь некоторые доказательства и геометрические построения Шухова не устарели ни на сегодняшний, ни даже на завтрашний день, но мы не найдем их изложения в учебниках и пособиях.

Успех шуховских идей состоит в том, что они всегда были передовыми, ясными, строго обоснованными, а технические потребности настоящего времени обеспечили их широкое распространение, дальнейшее развитие и новые практические воплощения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шухов В. Г. Стропила: Изыскание рациональных типов прямолинейных стропильных ферм и теория арочных ферм. М., 1897, 120 с.

2. Привилегия № 1894, 1895. Свод привилегий. Департамент торговли' и мануфактур. 1899. 338 с.

3 Блументаль С. Новое слово в области строительных ферм.— Техн.. сб. и вестн. пром-сти, 1897, № 9, с. 344—350; № 11, с. 431—436.

4. Худяков П. К. Новые типы металлических и деревянных покрытий для ■ зданий по системе инженера В. Г. Шухова.— Техн. сб. и аестн. пром-сти,

1896, № 5, с. 169—172.

5. Висячие покрытия/Под ред. И. М. Рабиновича. М.: Госстройиздат, -1962. ' 247 с. (Тр. совещ. по исследованию и внедрению висячих покрытий).

6. 'Пространственные конструкции/Под ред. И. Д. Герасимова. М.: Высш. шк.,

1967, с. 264—334. (Науч. тр.).

7. Фрей О. Висячие покрытия. М.: Госстройиздат, 1960. 179 с.

жүктеу/скачать 2.48 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: