Арочные конструкции – Вопрос 62. Арочные большепролетные конструкции. Их достоинства и недостатки. Нагрузки, действующие на арочные конструкции. Основы расчета и конструирования арочных конструкций. Арочные конструкции

Вопрос 62. Арочные большепролетные конструкции. Их достоинства и недостатки. Нагрузки, действующие на арочные конструкции. Основы расчета и конструирования арочных конструкций. Арочные конструкции

Арки применяются в павильонах, крытых рынках, ангарах, спортивных залах и т.п.

По затрате металла арки оказываются значительно выгоднее, чем балочные и рамные системы. Кроме того арки просты в изготовлении и монтаже.

Двухшарнирные арки (рис.1) могут легко деформироваться вследствие свободного поворота в шарнирах, и, благодаря этому, в них не возникает существенное увеличение напряжений от температурных воздействий и осадок опор.

Трехшарнирные арки (рис.2) не имеют особых преимуществ по сравнению с двухшарнирными, поскольку их статическая определимость при достаточной деформативности арочных конструкций существенного значения не имеет.

Наличие ключевого шарнира усложняет конструкцию арок и устройство кровельного покрытия.

Бесшарнирные арки (рис. 3) имеют наиболее благоприятное распределение изгибающих моментов по пролету и поэтому оказываются самыми легкими; однако они требуют массивных опор и их приходится рассчитывать на температурные воздействия.

При 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.

Для высоких арок с большим собственным весом целесообразно принимать очертание по цепной линии (катеноиду), Однако в высоких арках большие усилия вызывает ветровая нагрузка, которая может действовать с обеих сторон и давать две резко расходящиеся линии давления. В этом случае очертание арки целесообразно принимать по середине между двумя крайними линиями давления.

В многопролетных арках распоры смежных пролетов в значительной мере уравновешиваются, и средние опоры работают на изгиб только от односторонней временной вертикальной и ветровой нагрузок.

Двухшарнирные сплошные арки проектируют чаще всего с параллельными поясами (рис. 4)

Сквозные арки делают или с параллельными поясами или, при большой высоте арки, с переломом наружного пояса, который над опорами имеет вертикальные участки (Рис. 5) Около опор пояса арок сближаются и заканчиваются опорным устройством – шарниром.

Высоту сечения сплошных арок назначают в пределах (1/50÷1/80) пролета, сквозных – в пределах (1/30÷1/60) пролета. Возможность применения в арках небольшой высоты сечения объясняется малой величиной изгибающих моментов.

Сплошные арки проектируются сварными с сечением в виде широкополочного двутавра (как и в сплошных рамах), в пологих арках продольные силы велики, поэтому стенку поперечного сечения арки можно назначать большей толщины, чем в раме.

Сквозные арки проектируются аналогично легким фермам. Пояса их компонуются из двух уголков или из двух легких швеллеров.

При больших усилиях применяются двухстенчатые сечения. Если кривая давления не выходит за пределы высоты сечения, то оба пояса оказываются сжатыми и тогда особое внимание необходимо обратить на обеспечение устойчивости. Сечения элементов, поскольку поперечная сила мала, подбирают по гибкости из уголков или из небольших швеллеров. Криволинейное очертание сплошных арок усложняет их изготовление.

Сквозные арки в целях упрощения изготовления могут иметь ломаное очертание. В арках применяется также предварительное напряжение или регулирование усилий.

Одним из приемов рационального распределения усилий является принудительное смещение опорных узлов наружу после установки арки на опоры. При этом в нижнем поясе и раскосах арки возникает растягивающие напряжения, которые могут быть достаточными для погашения сжимающих напряжений от внешней нагрузки. В этом случае нижний пояс и решетка арки могут быть выполнены из стальных канатов, а верхний пояс – жестким.

Наиболее сложными конструктивными узлами в арках, так же как и в рамах, являются опорные и ключевые шарниры.

Опорные шарниры могут быть трех типов: плиточные, пятниковые и балансирные

.

Плиточные шарниры имеют наиболее простую конструкцию. Применяются они при сравнительно небольших опорных давлениях и преимущественно при вертикальном положении примыкающей к шарниру части арки.

Пятниковые шарниры имеют специальное опорное гнездо – пятник, в который вставляется закругленная опорная часть арки. Пятник делают литым или сварным из листовой стали.

Балансирные шарниры применяют в тяжелых арках. Конструкция шарнира состоит из верхнего и нижнего балансиров, в гнезда которых укладывают плотно пригнанную цилиндрическую цапфу. Арку крепят к верхнему балансиру через плиту, которую приваривают к контуру опорного сечения арки и притягивают болтами к балансиру. Торцы опорных сечений арки обычно фрезеруют.

Для восприятия отрицательных реакций от действия ветра может появиться необходимость крепления легких и высоких арок к опорам анкерными болтами. Анкерные болты следует располагать по оси арки, чтобы они не мешали свободному повороту конструкции в опорных шарнирах, закрепляют анкеры в консолях, приваренных к стенке арки (см. плиточный шарнир).

В ключе арки также могут быть применены плиточные или балансирные шарниры (рис.7

а, б), которые проектируются аналогично опорным. В ключе легких арок могут применяться листовые (рис.7в) или болтовые (рис.7г) шарниры.

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 n_c= 0,9.

Существенной нагрузкой для арочных конструкций является давление ветра. Ветровая нагрузка для арочных покрытий, не имеющих стен, принимается по упрощенной схеме.

Расчетный коэффициент обтекания имеет положительное значение только в первой четверти дуги арки с наветренной стороны; в средней части дуги коэффициент обтекания имеет max по абсолютной величине отрицательное значение (отсос) и в последней четверти величина его резко падает, сохраняя отрицательное значение.

Ветровое давление считается приложенным нормально к поверхности арочного покрытия. Отрицательные ветровые усилия в высоких арках при малом собственном весе арки могут вызвать отрицательные опорные реакции.

На величину ветрового давления существенное влияние оказывают открытые проемы. При открытых торцах арочных покрытий ветер направленный параллельно торцам, обтекает сооружение с двух сторон, и внутри образуется вакуум, увеличивающий положительное давление на арки и уменьшающий отсос.

Для покрытий, торцы которых могут быть открытыми (навесы, вокзальные перекрытия и т.п.) необходимо учитывать возможные комбинации трех видов ветровых нагрузок:

1. бокового или торцового давления ветра на сооружение;

2. вакуума, создаваемого вследствие отсоса воздуха из-под арочного покрытия;

3. действия ветра внутри сооружения, который попадает под покрытие через широкие проемы и создает отрицательное давление.

Последние два вида нагрузок не нормированы и устанавливаются специальными техническими условиями для данного сооружения или на основе аэродинамических испытаний на моделях.

Конструкции арочных покрытий при расчете расчленяют на отдельные элементы (арки, прогоны и т.п.) и рассчитывают методами строительной механики (определяют M, Q, N).

Сечения стержней сквозных арок подбирают так же, как сечения стержней ферм. Арка как криволинейный сжатый брус требует проверки устойчивости.

studfile.net

Арочные конструкции из дерева !

Деревянные арки широко используют в качестве основных несущих конструкций зданий различного назначения. Их применяют в покрытиях промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий пролетом от 12 до 70 м. Применяют деревянные арки пролетом до 100 м и более.

Схемы деревянных арок:

а — арки без затяжек; б — арки с затяжками; в — сквозные арки; 1 — треугольная; 2 — пятиугольная; 3 — стрельчатая; 4 — сегментная.

По статической схеме арки разделяют на трехшарнирные и двухшарнирные без ключевого шарнира. По схеме опирания их делят на арки без затяжек, распор которых передается на опоры, и арки с затяжками, воспринимающими распор, который в данном случае на опоры не передается. По форме оси арки делят на треугольные из прямых полуарок, сегментные, оси которых располагаются на общей окружности, и стрельчатые, состоящие из полуарок, оси которых располагаются на двух окружностях, смыкающихся в ключе под углом. По конструкции они делятся на цельные, клееные и арки из ферм.

Арки без затяжек применяют в покрытиях помещений значительной высоты, как правило, без вертикальных стеновых ограждений, например в покрытиях складов сыпучих материалов, спортивных и зрелищных помещений. Арки с затяжками применяют в покрытиях общего типа в том же качестве, что балки и фермы, и опирают на несущие стены.

Арки из клееных элементов заводского изготовления имеют наиболее широкую область применения, поскольку их форма, размеры и несущая способность могут отвечать требованиям сооружения покрытий самого различного назначения, в том числе уникальных по своим размерам. Арки из цельных элементов построечного изготовления могут в ряде случаев найти эффективное применение, однако их форма, пролеты и несущая способность строго ограничены сортаментом лесоматериалов.

Дощатоклееные арки, склеенные из досок плашмя в условиях заводского изготовления. Элементы таких арок имеют прямоугольные сечения. Клееные арки могут иметь любую из указанных выше форм и применяются в покрытиях с пролетами от 12 до 60 м.

Треугольныеклееные арки имеют трехшарнирную схему и применяются в покрытиях пролетом до 24 м. Затяжки из арматурной или профильной стали. Отличаются простотой изготовления, не требуя гнутья досок при склеивании. Однако они требуют повышенного расхода древесины, поскольку в их поясах возникают значительные изгибающие моменты. Полуарки крепятся в узлах, как правило, с некоторым эксцентриситетом относительно их действительных осей.

Сегментныеклееные арки могут быть трехшарнирными и двухшарнирными схемы. Применение двухшарнирных арок целесообразно при малых пролетах, допускающих транспортирование поясов или арок целиком, а также при больших пролетах, когда необходимо иметь несколько монтажных жестких узлов по длине пояса и шарнир лишается монтажного значения. Применяются в покрытиях пролетом до 60 м и более. Затяжки арок больших пролетов проектируются, как правило, из профильной стали. В арках малых пролетов при­еняются затяжки из арматурной стали или из клеенной древесины.

Стрельчатыеклееные арки имеют трехшарнирную схему и сегментное очертание полуарок без затяжек в покрытиях пролетом до 50 м. Пятиугольные арки имеют те же параметры, что и стрельчатые.

Клеефанерныеарки имеют перспективы применения в легких покрытиях. Они имеют треугольную форму и состоят из коробчатых клеефанерных полуарок. Такие арки имеют малую массу и позволяют получать существенную экономию древесины.

Арки из цельных элементов могут быть только треугольной формы. Они в большинстве случаев имеют затяжки и изготовляются в построечных условиях из бревен, брусьев или толстых досок. Их размеры и несущая способность, ограниченные сортаментом лесоматериалов и поэтому они имеют пролеты не более 12 м и ставятся в покрытия с шагом до 3 м

Арки на податливых соединениях имеют треугольную форму. Их образуют полуарки из брусчатых балок на податливых соединениях — деревянных вкладышах, в большинстве случаев — дубовых пластинках.

Сквозные арки без затяжек и с затяжками находили применение в большепролетных покрытиях. Такие арки являются трудоемкими в изготовлении, требуют закрепления сжатых нижних поясов от потери устойчивости и в настоящее время почти не применяются.

Статический расчет деревянных арок производят общими методами строительной механики, как статически определимых трехшарнирных систем

Владельцы небольших квартир предпочитают не закрывать открытые проёмы дверью, а украшать их арочными конструкциями. За счёт этого визуально увеличивается пространство, интерьер комнаты становится значительно изящнее и осуществляется объединение двух помещений в одно.

Можно воспользоваться готовыми арочными конструкциями, которые продаются в строительных магазинах и представляют из себя набор деталей, а можно собрать арку собственными руками, предварительно заготовив необходимые материалы.

Как же изготовить изящные элементы? Посмотрите фото арки своими руками. Список технологий и применяемых материалов — огромен – фантазируйте!

Установка арки в квартире

У себя дома можно не прибегая к помощи строительной бригады и инженерных навыков установить невероятной красоты арку. Достаточно выбрать понравившуюся арочную конструкцию и материал с инструментом, чтобы её изготовить. Если следовать инструкции ниже, то можно избежать наиболее частых ошибок, которые совершают новички.

Сами структуры арок в строительной отрасли обычно играют роль опорных элементов при сооружении потолков и стен. В нашем примере дверные проёмы не являются несущими конструкциями. Для первого случая материалы берут, учитывая серьёзную нагрузку на стены, декоративные арочные конструкции должны выдерживать только свой собственный вес.

Дверная арка в квартире заменяет дверь, её устанавливают на то же самое место, что и подвижную конструкцию. Это будущий элемент дизайнерского оформления.

Идеи арок своими руками многообразны, самые простые мы опишем в нашей статье. Изготовить арку можно с помощью бруса 2-3 см сечением или легкого профиля. Данная конструкция в любом исполнении будет прекрасно удерживать вес отделки. Главное, надёжно закрепить все элементы на стене, чтобы красивый декор не посыпался спустя пару-тройку дней.

Обратите внимание! Декоративная арка больше играет дизайнерскую функцию в квартирах, она не является поддержкой основных конструкций. Основная нагрузка в подобной ситуации на стены из бетона и перемычках.

Существует огромный выбор арочных форм и дизайнерских решений, каждая из которых подбирается под конкретных случай.

Представленная выше в качестве наглядного примера арка имеет форму полукруга правильной формы. В последнем случае проход со строгими очертаниями прямоугольника. Дальше идут промежуточные варианты арочных конструкций.

Есть и масса других примеров, где используется только одна опора или изогнутые стойки. Внешний вид дверной арки напрямую зависит от выбранного дизайна помещения.

Следует учесть размеры проемов, высоту потолков и некоторые возможные особенности планировки помещения. У кого-то дома в классическом ретро-стиле будет прекрасно вписываться элегантная арка с полукруглой формой, у других в модернистском — прямоугольной портальной формы.

На эти вещи влияет вкусовые изыски хозяев и дизайнерские особенности квартиры. Кто-то и вовсе выбирает конусообразные арки.

Советы дизайнеров

Выбрав классику, обратите внимание, чтобы потолки в квартире были высокими и имели высоту не менее 3-х метров. Если у Вас типовая панельная квартира с низким потолком, воспользуйтесь арочной системой «модерн».

Широкие стойки модели «романтика» прекрасно будут дополнять арку проёма с широкими стойками. Модель арки «портал» подходит для интерьера с чётко преобладающими прямыми формами. Этот вариант идеальный выбор для бревенчатых домов.

Делаем арку своими руками

Изготовить изящную арку можно быстро с помощью пластика и ламинированных элементов, пошаговая инструкция как сделать арку представлена дальше. Они обрезаются до нужных размеров в высоту, а потом крепятся по инструкции в нужных местах. Это стандартные варианты, которые делаются по единому шаблону, ими ничем не удивить покупателя, да и цена не всегда заманчивая. Да и подобрать модель необходимого размера под Ваш проём иногда весьма проблематично.

Чтобы изготовить элементы конструкции арки, нужны будут следующие материалы: плиты двп, гипсокартонные плиты и фанера. Как сделать арку своими руками? Если Вы смотрели как профессиональные строители работают с гипсокартонными плитами, то наверняка догадались, что их лучше всего выбирать для обшивки. Их можно после монтажа отделать различными материалами. В свою очередь, у тонкой фанеры есть один большой плюс — она легко сгибается.

Каркас арки изготавливают из бруска сечением 20 х 20 мм (30 х 30 мм) или металлического профиля.

Как правильно сделать арку в проеме?

Яркой и вызывающей будет арка сделанная из красного кирпича, бетона или газобетонных блоков. Красный кирпич можно использовать без отделочных материалов. Такая арка будет подчёркивать солидность и материальную обеспеченность её владельца.

Прекрасно подойдёт для современного дизайна помещений. Вес подобной конструкции весьма большой и в старых квартирах сооружать подобное не рекомендуется, большая нагрузка на стены.

Металлоконструкции сложной формы следует оставить для работы профессиональным конструкторам и инженером. С металлом сложно и хлопотно работать, эти проекты весьма сложны в своей реализации и под них заранее подготавливаются инженерные документации.

Профиль и гипсокартон – самые простые и доступные вещи, позволяющие изготавливать конструкции любой формы и стиля.

Арка из дерева

Не каждому человеку нравится сосна, но для отделочных работ может использоваться любой другой благородный древесный материал: дуб, ясень и прочие. Красивые арки в интерьере дополнят изящную классическую деревянную мебель.

Вообще, работать с любым деревом без опыта очень сложно. Лучше все работы доверить профессиональным строителям. Ориентируйтесь на собственные возможности и опыт.

Проём арочной конструкции из дерева создаётся путём сборки множества небольших фрагментов. С помощью прессования делают круглые элементы, потом их же склеивают или скручивают между собой. На этом этапе потребуется много инструментов и времени.

Межкомнатные арки сильно преображают помещение, делают его визуально просторнее. Оформление проема в стене можно выполнить различными материалами, одним из доступных вариантов является дерево. Нельзя сказать, что делать деревянные арки самостоятельно легко. В любом случае их всегда можно заказать, а после установить своими руками.

Преимущество арочных конструкций

Аркой называют перекрытие между опорами или в проеме стены. Дугообразная форма помогает лучше выдерживать нагрузку сверху. Арки появились почти 4 тысячи лет назад на Ближнем Востоке, были широко распространены в Риме. В архитектуре христианских храмов они играют одну из ведущих ролей.

В наше время арки, в том числе деревянные, в квартирах и на дачах применяют по нескольким причинам:

• они дают возможность изменить планировку;
• визуально расширяют пространство;
• скрывают некоторые недостатки строения;
• дают возможность не устанавливать двери.

Удачно подобранная межкомнатная арка из дерева способна преобразить помещение, сделать его красивее, элегантнее.

Как правильно выбрать форму

Выбирая деревянную арку, надо учитывать цветовое оформление комнаты, расцветку напольного покрытия, обоев, дизайн мебели. Если не удается подобрать арку в цвет, то выбирают контрастное решение. Хорошо смотрятся светлые обои и более темное дерево арочной конструкции.

Особое значение имеет и форма проема в стене. Классический вариант – округлые линии. Он подойдет для любого помещения. Если проем высотой 2,5 м или больше, то стоит выбирать именно такой вариант. Радиус закругления равен половине ширины проема.

Эллипс можно выбрать, если потолки низкие и нет возможности построить широкую арку. Название «Романтика» имеют арки, верхняя часть которых прямая, а углы закругляются. Тоже идеально подходит для низких потолков и проемов, поскольку не забирает лишнюю площадь.

Деревянную арку типа «Портал» можно легко вмонтировать в проем, так как она имеет прямоугольную форму. Если дерево украсить резьбой, то такая конструкция смотрится ничуть не хуже дугообразной. П-образную форму можно использовать для офисных помещений, кабинетов, комнат, оформленных в строгом стиле.

Деревянные тонкие арки наподобие коромысла подходят для широких проемов. Их устанавливают в комнатах в скандинавском стиле или кантри.

Арка может повторять форму двери, в этом случае она называется фрамугой. Стиль модерн отличается более строгими, но тем не менее плавными формами. Можно также остановить выбор на трапеции, которую выполнить из дерева и установить в дверной проем проще, чем круглую конструкцию. Она подойдет для дачи или для помещения, оформленного в деловом стиле.

Характеристики некоторых материалов

При выборе древесины обращают внимание на цвет, фактуру, долговечность и стоимость материала.

Наиболее долговечным и устойчивым к сырости считается дуб, но цена его высока. Самая доступная по стоимости – сосна.

Для строительства применяют тонкие плиты МДФ, которые гнут. Качественная отделка такого материала создаст полное впечатление натурального дерева. Вместе с тем конструкция прослужит достаточно долго.

Делают арки из ДСП, оклеивая их декоративной пленкой. Недорогой материал можно отделать шпоном дерева. В этом случае будет иллюзия натуральной древесины и мало кто почувствует разницу.

Размеры арки

Рассмотрим в качестве примера, как сделать классическую деревянную арку своими руками. Если ширина проема в стене будет 1,5 м, то радиус изгиба должен составлять 75 см. Толщину можно сделать 16 см, расстояние от пола до самой высокой точки проема (высота) будет составлять 2,3 м. Этого вполне достаточно, чтобы прошел высокий человек.

Деревянная дуга собирается из множества деталей, так как обеспечить изгиб можно лишь таким способом, если речь идет о цельном дереве.

Обратите внимание! Чем больше изгиб, тем сложнее изготовить арку.

В случае если надо заказать арку у мастера или в специализирующейся компании, точно измеряют все параметры проема, в том числе глубину арки, которая зависит от толщины стен.

Последовательность работ

Вначале надо выполнить разметку, то есть начертить арку, чтобы точно представлять, как она будет выглядеть.

Важно! Расстояние от высшей точки арки до потолка должно быть не менее 30 см.

Далее изготавливают шаблон верхней дуги арки. Шаблон поможет точно выдержать форму изделия. Для этого на листе толстой фанеры или ДВП надо начертить две полуокружности с одним центром. Меньший радиус будет равняться 75 см, а больший 75+4 =79 см, так как 4 см – это ширина перемычки. Выпиливают шаблон электролобзиком, затем его края шлифуют. Если выбрана арка в форме эллипса, то, соответственно, надо выпилить такую фигуру.

Набирают арку по шаблону из деревянных брусков или тонких пластинок – ламелей. Вариантов набора существует несколько. Все зависит от того, какой именно основной материал есть в наличии.

Можно выпилить части из бруса. В этом случае разделяют арку на три части: верхнюю и две боковые. Это позволяет обеспечить плавный переход на изгибе. В процессе вырезания оставляют небольшие припуски на элементы крепления и дальнейшее обтачивание (выравнивание). Для крепления можно использовать микрошип, который вытачивают с помощью специальной фрезы.

Шипы промазывают столярным клеем, собирают все части вместе, сжимают струбцинами и оставляют сохнуть. После прочного склеивания фрезеруют поверхность и шлифуют, удаляя все неровности. Создается впечатление, что дуга выполнена из единого куска дерева, хотя на самом деле арка всегда набирается частями.

Если используются тонкие бруски или ламели, то их накладывают рядами и с небольшим перекрытием в последующем ряду. Такое строение обеспечит прочность конструкции, она не будет коробиться, растрескиваться.

В некоторых случаях детали арки притягивают металлическими креплениями, прикручивают саморезами. Получается очень прочная дуга. К ней уже прикрепляют вертикальные стойки, чтобы образовалась целостная конструкция.

Когда арка собрана, ее необходимо отшлифовать, чтобы не было видно мест стыка и других неровностей. Деревянную поверхность покрывают морилкой и лакируют. Оттенок выбирают в зависимости от собственных предпочтений.

Один из вариантов изготовления

Доску, из которой выпиливаются брусочки, надо подготовить. Если используется необрезная доска, то срезают обзол циркулярной пилой, затем прогоняют на рейсмусовом станке, чтобы выровнять, и только после этого нарезают на бруски толщиной 3 см.

В гипсокартоне вырезают дугу, которая на 1 см меньше дуги арки. Подготавливают 2 таких детали и соединяют их деревянными планками на саморезах. Получается шаблон верхней части арки. Его ширина должна равняться глубине проема.

Деревянные заготовки нарезают на маленькие бруски такой ширины, чтобы они ложились в шаблон, заполняли его и образовывали ровную дугообразную поверхность. Брусочки промазывают клеем и укладывают в шаблон, гипсокартон их с боков поддерживает. Надо уложить два таких ряда, чтобы нарастить толщину. После этого делают отдельно арочный наличник из кусков доски, выравнивают его, зачищают, приклеивают к дуге из брусков. Поручают верхнюю часть арки.

Установка

Перед установкой межкомнатной арки готовят проход, чтобы вся конструкция в него поместилась, шпаклюют стены. Установку начинают сверху, независимо от того, из дерева сделана арка или из МДФ.

Если свод состоит из нескольких частей, то их собирают и склеивают. Фиксируют к стене с помощью жидких гвоздей или монтажной пены. Если есть деревянные балки, то прибивают к ним.

После закрепления свода устанавливают вертикальные элементы. Подгоняют при необходимости по высоте, ширине. Если требуется наличник, то его можно выпилить из доски. Иногда наличник делают из двух частей, соединяя их, а стык декорируя накладкой.

Можно сделать арку из гипсокартона, установив его на каркас из алюминиевых профилей, и украсить деревянным наличником. Это самый простой вариант, но цельное дерево смотрится богаче и красивее.

kak-peresadit.ru

Арочные металлические конструкции, арки, проектирование, изготовление

Конструкции с криволинейными арочными формами дают значительные возможности для достижения архитектурной выразительности, особенно в случае, если стены и кровля объединены единым конструктивным решением, которое позволяет устранить визуальную границу перехода между ними. Кроме эстетической привлекательности, арочная форма позволяет максимально использовать все полезное внутреннее пространство, минимизируя разницу между функциональным и строительным объемом здания. Малая строительная высота и визуальная «легкость» арок позволяет не только придавать архитектурно выразительный внешний вид зданиям, но и обеспечить внутреннее естественное освещение на необходимом уровне.

Арочные конструкции это несущие системы стальных конструкций быстровозводимых зданий, активные по поверхности.

Арки представляют собой несущие конструкции положительной кривизны, взаимодействующие с внешним силовым потоком всей своей поверхностью. Арочные конструкции классифицируют в основном по их абрису, статической схеме и способу восприятия распора.

Классификация арочных конструкций

По абрису главный тип арочных конструкций – параболические, но также они могут иметь форму части окружности, переменный радиус кривизны или даже форму цепной линии, состоящей из множественных сопряженных линейных элементов. Благодаря этому арочные конструкции позволяют достичь высокой архитектурной выразительности с прозрачной демонстрацией конструктивного принципа работы и широко применяются в различных типах быстровозводимых зданий. С точки зрения конструктивной схемы аналогично рамам выделяют двух-, трех- и бесшарнирные арочные конструкции. Фактически арки получаются из криволинейных балок путем закрепления обеих опор в неподвижные и вспарушивания продольной оси. Из-за этого в арках возникают распорные усилия. Передача распора возможна на фундаменты или колонны-контрфорсы, а также на иные примыкающие конструкции, способные его воспринять.

Альтернативой является 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.

Особенности проектирования арочных конструкций

В арочных конструкциях действуют как преобладающие сжимающие, так и поперечные усилия, а кроме того изгибающие моменты. Поэтому арки рассчитывают по предельным состояниям первой группы на прочность при изгибе и сжатии с изгибом, устойчивость в своей плоскости и из плоскости. Отдельные сварные элементы сплошностенчатых арок из листов требуют также проверки местной устойчивости. Арочные конструкции в основном имеют значительную жесткость, однако для пологих арок покрытий быстровозводимых зданий уделяется особое внимание к вертикальным перемещениям, так как они могут приводить к изменению расчетной схемы и непредвиденному «прощелкиванию» арки вниз. Сплошностенчатые арки выполняются из прокатных двутавровых профилей или элементов трубчатого замкнутого сечения путем гибки в разогретом состоянии на заводе. Поскольку при изгибе элемент подвергается пластическим деформациям, радиус гиба технологически ограничен, и такой способ изготовления арок не годится для профилей большого сечения.

В таблице приведены рекомендуемые минимальные радиусы изгиба для некоторых профилей относительно их главных осей. Ограничения радиусов накладываются конструктивными и технологическими возможностями. Следует помнить, что в рамках одного типоразмера некоторые более толстостенные профили могут иметь меньший радиус изгиба по сравнению с тонкостенными. Также при конструктивной или архитектурной необходимости, выгибание элементов может быть с переменным радиусом.

Изгиб, как правило, осуществляют путем холодной гибки, при которой элемент пропускается через стан из роликовых катков. Катки имеют специальную конструкцию и расположение, соответствующее обрабатываемому профилю. Они обеспечивают настраиваемый радиус изгиба и не допускают потери местной устойчивости элементов сечения. Толстостенные и массивные профили могут быть предварительно подвергнуты локальному индукционному нагреву для обеспечения более плавных и точных контуров изгиба. Следует иметь в виду, что в местах изгиба остаются напряжения, и сталь профилей самоупрочняется, выбирая площадку текучести – получается так называемый наклеп. Это приводит к ухудшению работы элементов и повышению риска растрескивания при организации сварных узлов.

Для элементов из стали повышенной прочности или ответственного назначения в системе каркаса здания радиус гибки изменяют в сторону увеличения. Чтобы получить арочные профили большего сечения, их разбивают на прямолинейные участки, которые свариваются между собой. Еще более эффективным способом может быть изготовление стенок сварных профилей путем фигурного вырезания из листа стали. Полки при этом все равно подвергаются изгибу перед приваркой в цельное сечение, однако это технологически приемлемо из-за их малого сопротивления изгибу. Сквозные арки имеют решетчатую конструкцию или могут быть организованы с помощью перфорированных профилей. Также арочными могут быть сплошные, континуальные конструкции, которые организовывают из металлических профилированных листов. Как было указано выше, конструктивной особенностью арочных конструкций является наличие наружных горизонтальных усилий распора. При восприятии распорных усилий при помощи затяжек последние выполняются из прокатных стальных элементов либо канатов и требуют обязательного предварительного натяжения для выбирания начальных провисаний и включения в работу. Поэтому арочные конструкции с затяжкой применяются, как правило, при пролетах не более 20 м.

На рис. показаны примеры арочных покрытий над новыми и существующими зданиями, что позволяет легко организовывать атриумы и пассажи. Усилия распора при этом воспринимают каркасы быстровозводимых зданий, работающие как пространственные опоры.

Следует помнить, что если опирание арок происходит на существующие здания, может понадобится усиление их каркаса.

Арочные конструкции как конструктивный инструмент архитектурной формы

Одним из современных примеров, показывающих характерную эффективность использования арок с затяжкой, служит 10-этажное здание Broadgate (г. Лондон), в котором расположен вход станции метро Liverpool Street. Необходимость обеспечения максимального пространства для пассажиропотока привела к отказу от колонн во входной группе здания, из-за чего был применен арочный аутригер с нижней контурной балкой в виде затяжки и V-образной подвеской. Колонны крепятся к арке в точках пересечения, обеспечивая передачу усилий и раскрепление арки из плоскости. На рис. показан более простой пример применения параболических арок в качестве основных несущих конструкций пожарной части. Шаг арок в каркасе подобран с учетом технологических требований, чтобы обеспечить беспрепятственный заезд пожарных машин.

mtmrt.ru

7. Виды деревянных арок и рам. Очертание. Пролеты. Назначение. Принципы расчета.

АРКИ:

Деревянные арки широко используют в качестве основных несущих конструкций зданий различного назначения. Их применяют в покрытиях промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий пролетом от 12 до 70 м. Применяют деревянные арки пролетом до 100 м и более.

Схемы деревянных арок:

а — арки без затяжек; б — арки с затяжками; в — сквозные арки; 1 — треугольная; 2 — пятиугольная; 3 — стрельчатая; 4 — сегментная.

По статической схеме арки разделяют на трехшарнирные и двухшарнирные без ключевого шарнира. По схеме опирания их делят на арки без затяжек, распор которых передается на опоры, и арки с затяжками, воспринимающими распор, который в данном случае на опоры не передается. По форме оси арки делят на треугольные из прямых полуарок, сегментные, оси которых располагаются на общей окружности, и стрельчатые, состоящие из полуарок, оси которых располагаются на двух окружностях, смыкающихся в ключе под углом. По конструкции они делятся на цельные, клееные и арки из ферм.

Арки без затяжек применяют в покрытиях помещений значительной высоты, как правило, без вертикальных стеновых ограждений, например в покрытиях складов сыпучих материалов, спортивных и зрелищных помещений. Арки с затяжками применяют в покрытиях общего типа в том же качестве, что балки и фермы, и опирают на несущие стены.

Арки из клееных элементов заводского изготовления имеют наиболее широкую область применения, поскольку их форма, размеры и несущая способность могут отвечать требованиям сооружения покрытий самого различного назначения, в том числе уникальных по своим размерам. Арки из цельных элементов построечного изготовления могут в ряде случаев найти эффективное применение, однако их форма, пролеты и несущая способность строго ограничены сортаментом лесоматериалов.

Дощатоклееные арки, склеенные из досок плашмя в условиях заводского изготовления. Элементы таких арок имеют прямоугольные сечения. Клееные арки могут иметь любую из указанных выше форм и применяются в покрытиях с пролетами от 12 до 60 м.

Треугольныеклееные арки имеют трехшарнирную схему и применяются в покрытиях пролетом до 24 м. Затяжки из арматурной или профильной стали. Отличаются простотой изготовления, не требуя гнутья досок при склеивании. Однако они требуют повышенного расхода древесины, поскольку в их поясах возникают значительные изгибающие моменты. Полуарки крепятся в узлах, как правило, с некоторым эксцентриситетом относительно их действительных осей.

Сегментныеклееные арки могут быть трехшарнирными и двухшарнирными схемы. Применение двухшарнирных арок целесообразно при малых пролетах, допускающих транспортирование поясов или арок целиком, а также при больших пролетах, когда необходимо иметь несколько монтажных жестких узлов по длине пояса и шарнир лишается монтажного значения. Применяются в покрытиях пролетом до 60 м и более. Затяжки арок больших пролетов проектируются, как правило, из профильной стали. В арках малых пролетов при­еняются затяжки из арматурной стали или из клеенной древесины.

Стрельчатыеклееные арки имеют трехшарнирную схему и сегментное очертание полуарок без затяжек в покрытиях пролетом до 50 м. Пятиугольные арки имеют те же параметры, что и стрельчатые.

Клеефанерныеарки имеют перспективы применения в легких покрытиях. Они имеют треугольную форму и состоят из коробчатых клеефанерных полуарок. Такие арки имеют малую массу и позволяют получать существенную экономию древесины.

Арки из цельных элементов могут быть только треугольной формы. Они в большинстве случаев имеют затяжки и изготовляются в построечных условиях из бревен, брусьев или толстых досок. Их размеры и несущая способность, ограниченные сортаментом лесоматериалов и поэтому они имеют пролеты не более 12 м и ставятся в покрытия с шагом до 3 м

Арки на податливых соединениях имеют треугольную форму. Их образуют полуарки из брусчатых балок на податливых соединениях — деревянных вкладышах, в большинстве случаев — дубовых пластинках.

Сквозные арки без затяжек и с затяжками находили применение в большепролетных покрытиях. Такие арки являются трудоемкими в изготовлении, требуют закрепления сжатых нижних поясов от потери устойчивости и в настоящее время почти не применяются.

Статический расчет деревянных арок производят общими методами строительной механики, как статически определимых трехшарнирных систем

studfile.net

Арка — это… Что такое Арка?

Арка из каменной кладки
1. Замковый камень 2. Клинчатый камень 3. Внешняя поверхность свода (экстрадос) 4. Пятовый камень (импост) 5. Внутренний свод (интрадос) 6. Стрела подъёма 7. Пролёт 8. Опорная стена

А́рка — архитектурный элемент, криволинейное перекрытие сквозного или глухого проёма в стене или пролёта между двумя опорами (колоннами, устоями моста). Как и любая сводчатая конструкция, создаёт боковой распор. Как правило, арки симметричны относительно вертикальной оси.

История

Арки впервые появились во II тысячелетии до н. э. в архитектуре Древнего Востока, в частности в Междуречье, где строительство кирпичных сооружений достигло высокого уровня. Широкое распространение также получили арки в архитектуре Древнего Рима.

Механика

Арка — это криволинейный брус плавного обриса, несущая строительная конструкция. В отличие от балки которая испытывает нормальное механическое напряжение, арка испытывает касательное механическое напряжение, из-за чего возникает горизонтальная опорная реакция (распор). От свода арка отличается лишь значительно меньшей шириной. Под вертикальной нагрузкой арка работает в большей степени на сжатие и в меньшей степени на изгиб.

Арки бывают безшарнирные, двухшарнирные и трёхшарнирные; если опорные концы арки соединить стержнем (затяжкой, которая воспринимет горизонтальную реакцию), то получается арка с затяжкой.

Названия частей арки

1. Замковый камень — поперечное сечение около вершины
2. Клинчатый камень
3. Внешняя поверхность свода (экстрадос)
4. Пятовый камень (импост) — поперечное сечение около опоры, пята арки
5. Внутренний свод (интрадос)
6. Стрела подъёма — расстояние центра замкового камня арки от линии, которая соединяет центры двух пятовых камней арки
7. Пролёт
8. Опорная стена

Расстояние между центрами пят называется расчётной проймой. При увеличении стрелы подъёма уменьшается распор арки. Ось арки подбирают так, чтобы сжатие на изгиб было минимальным; тогда арка будет наиболее крепкой и стойкой. Крепость арки зависит от её формы. Простейшие арки имеют форму полукруга, однако теоретически наиболее крепкими являются арки с формой параболы или цепной линии. Параболические арки впервые использовал испанский архитектор Антонио Гауди. Такие арки передают весь распор на опорную стену и не требуют дополнительных элементов.

Кирпичная кладка стен во дворце Августов. Древний Рим. Использованы разгрузочные арки.

Арки, перекрывающие несквозной проем, называются слепыми. Одной из целей этого является увеличение прочности стены при экономии материала. В древности известен прием, когда арка делалась для облегчения, например, когда перекрытие проёма в стене было выполнено в виде плоской арки, для разгрузки которой над нею делалась слепая арка.

Типы арок

По форме различают арки:

• аравийская — имеет повышенный центр построения, была распространена в зодчестве народов востока, в испано-мавританской архитектуре.
• аркбутан — арка с пятами на разных уровнях, наклонно передающая распор свода на внешнюю опору.
• вогнутая — перекрытая двумя дугами, обращёнными выпуклыми сторонами в пролёт.
• двухлопастная — сложенная из двух малых арок одинаковых размеров, импосты и соединения которых расположены на одном уровне.
• двухцентровая — дуга, образованная из двух дуг одного и того же радиуса, пересекающихся в замке под тупым углом.
• диагональная — расположена в крестовом своде по диагонали квадрата или прямоугольника, то есть Нервюра, которую называют «ожива».
• эллиптичная — образована в пересечении частью эллипса.
• заплечная — устроенная над углублением в стене, тип круглой арки.
• обратная — с обращенной вниз выпуклостью дуги.
• зубчатая — с равномерным расположением по внутренней поверхности остроконечных выступов.
• килеподобная (килевидная или «ослиный хребет») — имеет вид поперечного разреза опрокинутого килевого судна, нашла применение в русском зодчестве.
• клинчатая — выложенная их клинчатых камней или из прямоугольных камней с клинчатыми швами.
• косая — см. ползучая.
• коробовая или эллиптическая — дуга, описанная из трех, пяти, семи центров. Разновидностью её является седловидная арка.
• круговая (стиснутая) — описана полукругом из центра, расположенного ниже пят.
• угловая — то же самое, что и митровая.
• ланцетоподобная (копьеподобная) — образована двумя дугами, которые соединяются под углом и имеет формы стрельчатой равносторонней, стрельчатой стиснутой, стрельчатой плоской.
• ломаная — см. стрельчатая.
• лучковая (круговая) — с дугой менее полуокружности (одноцентровая).
• мавританская — то же самое, что и аравийская
• митровая — с двумя симметричными спадами в завершении.
• многолопастная — вид арки, составленной из трех или большего числа кривых, пересекающихся под острым углом.
• овальная — образует в своде часть овала.
• выпукло-вогнутая — выгибы у пят обращены выпуклыми сторонами в середину пролёта и плавно переходят в одноцентровой или многоцентровой подъём по вертикальной оси.
• параболическая — образует в своде часть параболы.
• опрокинутая — такая, в которой замок находится ниже пят. Выполняет функции разгрузочной и устраивается в нижней части стены.
• перспективная — концентрическая, уходящая внутрь стены уступами уменьшающихся радиусов, находит применение при оформлении порталов.
• полуциркульная или полукруглая — её дуга описана полуокружностью; наиболее распространенный вид арки.
• подвесная — состоит из двух дуг, точка пересечения которых расположена ниже вершины арки.
• подковообразная — то же самое, что аравийская.
• сводная — то же самое, что ланцетоподобная.
• стрельчатая — состоит из двух дуг, пересекающихся в замке под острым углом. Получила широкое применение в готической архитектуре. Различают стрельчатую арку, сжатую и ланцетовидную.
• плоская — со стрелой подъёма в несколько раз меньше пролёта.
• ползучая или «кобылья голова» — арка, имеющая опоры (пяты) на различных уровнях, например, под маршами лестниц.
• подпружная — вспомогательная арка, укрепляющая или поддерживающая различные конструкции сводов.
• портьерная — образована двумя или четырьмя дугами с центрами за пределами пролёта.
• притупленная — пологая стрельчатая с округлениями в пятах.
• пятилистная — навершие окна в виде пятилистника.
• разгрузочная — арка, заделанная в стене и распределяющая нагрузку от верхних частей здания на опоры, или наоборот, от отдельных опор на стенку фундамента.
• сжатая (лежачая) — завершенная горизонтальной перемычкой.
• скамеечка — беседка в виде триумфальной арки со сквозными решетчатыми стенками, к которым примыкают сиденья.
• стрельчатая — образована двумя дугами, которые пересекаются под углом.
• ступенчатая — система арок в виде нескольких ярусов закомар.
• трёхлопастная — образована тремя полуокружностями, причём приподнятое среднее опирается на концы боковых, которые зеркально повторяют друг друга.
• трёхцентровая — полуовальная в разрезе, состоит из дуг трёх окружностей, из которых наибольшее среднее построенное радиусом из центра на оси пролёта. Две другие дуги прокладываются радиусами из точек, что находятся значительно выше.
• «тюдор» — пологая с заострённым верхом.
• воображаемая или фальшивая — арка, не дающая горизонтального распора, так как выложена путем горизонтального напуска камней.
• царская — расположенная в Царских вратах иконостаса христианского храма.
• щековая — подпружная крестового свода, расположена по бокам прямоугольника его плана. Окружает свод перпендикулярно к его образующей.
• упорная — см. аркбутан.

Арки сооружаются также в виде отдельных сооружений:

• мемориальная — сооруженная в память о важном событии или исторической личности.
• триумфальная — подробнее см. триумфальная арка.

Полуциркульная арка

Полуциркульная (полукруглая) арка — арка, имеющая форму полуокружности, центр которой расположен на уровне пят арки.

Простейший и наиболее распространённый тип арки. Присутствует в зодчестве разных эпох, стран и стилей. Наиболее характерна для классической архитектуры, где она чаще всего бывает обрамлена архивольтом (от лат. arcus volutus — «обрамляющая дуга») или выделена рядом клинчатых камней с замковым камнем посередине. Обычно опирается на пилоны.

Лучковая арка

Мясной мост в Нюрнберге Нюрнберг. Вассершлосс Обербюрг. Ворота в виде двух лучковых арок

Лучковая арка — арка, имеющая форму дуги примерно в четверть окружности. В Древнем Риме арки такой формы служили перемычкой оконных проемов в жилых зданиях. Типичным примером применения лучковой арки является сегментный арочный мост.

Стрельчатая арка

Собор Парижской Богоматери

На Востоке полукруглая арка претерпела наиболее сильную трансформацию, превратившись в так называемую стрельчатую, или ломаную арку, дуги которой пересекаются под углом.

По форме различают несколько видов стрельчатых арок:

• равносторонние арки, центры дуг которых находятся в пятах арок;
• сжатые арки, центры дуг которых находятся на горизонтальной линии, проходящей через пяты арок;
• плоские арки, центры дуг которых находятся ниже пят арок.

См. также

Ссылки

dic.academic.ru

Рациональная форма лёгких арочных конструкций



В статье проводится обзор научной литературы в области арочных конструкций. Рассматриваются существующие конструктивные решения универсальных промышленных арочных сооружений.

Ключевые слова: проектирование, арка, легкие арочные конструкции, ЛСТК, рациональное очертание арок

На сегодняшний день в России большое количество объектов производственного сектора, представляет собой переоборудованные заводские помещения, которые ранее остались невостребованными вследствие снижения объемов промышленного производств (рис. 1).

Рис. 1.Невостребованные заводские помещения

Техническое состояние таких объектов зачастую не соответствует современным нормативным требованиям и потребностям эксплуатирующих организаций. В связи с меняющейся экономической ситуацией в стране и с переходом в ряде отраслей к импортозамещению появилась необходимость возведения большого количества промышленных объектов различного назначения.

Существует проблема, связанная с необходимостью разработки конструктивных решений, для быстрого, экономически выгодного и качественного повышения темпа промышленного производства.

Арочные конструкции из лёгких стальных тонкостенных профилей

Для того чтобы сооружение отвечало требованиям экономичности при проектировании необходимо применять рациональное очертание и эффективные типы профилей металлических конструкций.

Хорошими показателями по стоимости и расходу стали в сегменте лёгких универсальных промышленных зданий обладают арочные конструкции из тонкостенных холодногнутых профилей (Рис. 2).

Рис. 2. Арочный ангар с применением ЛСТК

Тонкостенные конструкции хорошо зарекомендовали себя в строительстве малоэтажных жилых и гражданских, а также универсальных производственных объектов [1, 2].

ЛСТК — Лёгкие стальные тонкостенные конструкции из тонкой (до 3 мм) оцинкованной стали повышенной прочности (рис. 3,4).

Рис. 3. Холодногнутые профили обычной жёсткости

Рис. 4. Холодногнутые профили повышенной жёсткости

К легким металлическим конструкциям относится целый класс стальных тонкостенных профилированных настилов (рис. 5).

Рис. 5. Сечение стального профилированного настила

Также в качестве несущих элементов применяются термопрофили с перфорацией стенок. Перфорация значительно снижает потери тепла из-за удлинения мостика холода (рис. 6).

Рис. 6. Термопрофиль с прорезанными в шахматном порядке отверстиями

Использование ЛСТК, в сравнении с другими конструкциями, имеет ряд достоинств:

– Экономичность;

– В силу своей небольшой массы каркасы из ЛСТК не требуют массивных фундаментов;

– Для монтажа лёгких стальных тонкостенных профилей не требуется грузоподъёмное оборудование;

– Высокая скорость сборки;

– Низкая теплопроводность ЛСТ термопрофилей;

– Всесезонный монтаж.

Однако столь важное свойство, как легкость может заметно сказаться на несущей способности конструкции. Поэтому легкие стальные тонкостенные конструкции перед их внедрением в строительство должны быть подвергнуты тщательному анализу по несущей способности [3].

Также имеются и недостатки у данного типа профилей:

– Несмотря на активное распространение ЛСТК в России, на сегодняшний день отсутствует нормативная база по расчёту и проектированию этих конструкций;

– Предвзятое отношение у заказчика, из-за небольшой толщины металла профилей ЛСТК и кажущейся низкой несущей способности;

– Недолговечность (не более 100 лет).

Развитие теоретических положений рационального очертания арочных конструкций

Арка (arcus по-латыни — дуга, изгиб) — это дугообразное перекрытие проема в стене или пролета между двумя опорами [4].

История арок насчитывает уже более двадцати пяти веков. Несмотря на широкое применение арок и различных сводов, в то время не существовало теории их расчёта. Ещё римляне применяли каменные своды для перекрытий зданий и мостов. Долговечность сооружений достигалась применением конструкций с излишним запасом, так как отсутствовал расчёт этих конструкций [5].

Первые попытки теоретически объяснить работу арок стали появляться в конце XVII и в начале XVIII столетия. В 1678 году Роберт Гук высказал идею о том, что правильная форма арки представляет собой перевернутую висячую цепь. В 1697 году Грегори Бенфорд опубликовал теорию арок, в которой высказал предположение о том, что линия давления должна совпасть с внутренней гранью арки [6].

Также необходимо упомянуть выдающегося изобретателя и механика Ивана Петровича Кулибина (1735–1816), который сделал существенный вклад в теорию расчета. Составленный им проект деревянного арочного моста (рис. 7), перекрывающего р. Неву одним пролетом в 296 метров, был выдающимся для своего времени (1773–1776 гг.).

Рис. 7. Проект моста И. П. Кулибина через Неву

В дальнейшем большое количество учёных провели множество исследований и экспериментов. В 1826 году Навье опубликовал курс механики арок. Впервые расчёт арки как деформируемого упругого бруса представил Бресс в 1848 году [7].

Первый расчет арки методами теории упругости дал проф. X. С. Головин (1844–1904) в 1882 году. В начале XX века были опубликованы исследования профессора С. И. Белзецкого, которые были посвящены аналитической теории рациональных очертаний сводов и арок.

Арка с рациональной осью — это такая арка, в любом сечении которой изгибающий момент равен нулю. При равномерно-распределённой нагрузке рациональная дуга арки имеет параболическое очертание. На практике такие ситуации не встречаются. Обычно приходится учитывать совокупность различных по характеру нагрузок.

В начале XX столетия были опубликованы глубокие исследования проф. С. И. Белзецкого, посвященные аналитической теории рациональных очертаний цилиндрических сводов и арок. В этих работах были заложены начала многих дальнейших исследований различных авторов по вопросам подбора очертания арок [5].

До сегодняшнего дня, вопрос о расчёте арок не перестаёт привлекать к себе внимание и продолжает являться объектом научных исследований.

Проектирование арочных конструкций внаши дни

Традиционный подход к проектированию и строительству зданий состоит в назначении фиксированного пролета, габаритной высоты и рациональной конструктивной схемы. Такой подход, приводит к большому числу вариантов зданий, что затрудняет их реализацию по технико-экономическим критериям. Для сокращения количества типоразмеров используются унифицированные параметры зданий, что, в свою очередь, приводит к нерациональному использованию их площадей.

Для решения это проблемы существует методика проектирования по принципу «открытой типизации», которая предполагает множество вариантов зданий, используя при этом минимальное число конструктивных элементов. В своей работе «Конструкции легких арочных зданий, реализуемых по принципу «открытой» типизации» [8] Фахрутдинов А. Э., в какой-то степени, реализовал этот принцип применительно к арочным ангарам.

Зачастую, при проектировании, применяется круговое очертание арок (Рис. 8. а), что не является оптимальным решением с точки зрения металлоёмкости. Применение рациональных форм арок (Рис. 8. б) позволит снизить изгибающие моменты в конструкции, а, следовательно, снизить и расход металла. Существующие аналитические и графические методы определения рациональной формы арки достаточно трудоёмки и учитывают не весь спектр возможных нагрузок, которые может воспринимать конструкция, поэтому существует необходимость их дальнейшего развития.

Рис. 8. Частный случай сравнения изгибающих моментов трёхшарнирных арок: а — кругового очертания; б — рационального очертания

Заключение

В результате анализа научной литературы и существующих конструктивных решений, в сегменте универсальных промышленных арочных конструкций, можно сделать следующие выводы:

– Существующие на данный момент конструктивные решения тонкостенных арочных конструкций имеют ряд недостатков и не удовлетворяют технико-экономическим требованиям к данным сооружениям;

– Требуется разработка методики определения рационального очертания тонкостенных арочных конструкций и развитие экспериментально-теоретических исследований в этой области;

– Наблюдаются тенденции развития теории расчёта ЛСТК и арочных конструкций.

– Проектирование зданий и сооружений на данном этапе развития движется к применению рациональных конструктивных форм, эффективных сечений для достижения максимального экономического эффекта.

Литература:

1. Ватин Н. И., Синельников А. С. Большепролетные надземные пешеходные переходы из легкого холодногнутого стального профиля // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 1. С.47–52.
2. Ватин Н. И., Синельников А. С. Холодногнутый стальной профиль в малых мостовых конструкциях // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 3. С. 39–51.
3. Рыбаков В. А., Гамаюнова О. С. Напряженно-деформированное состояние элементов каркасных сооружений из тонкостенных стержней // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 7 (12). С. 79–123.
4. Горев, В. В. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов, Г. И. Белый и др. М.: Высш. шк., 1999. 528 с.
5. Бернштейн, С. А. Очерки по истории строительной механики / С. А. Бернштейн. М.: Стройиздат, 1957. — 233 с.
6. Koiter, W. T. The effective width of flat plates for various longitudinal edge conditions at loads far beyond the buckling load // Rep. № 5287, National Luchtvaart Laboratorium, 2012, pp. 365–374.
7. Thomas, H. Optimum least-coast design of a truss root system / H. Thomas, Ir. Randolph, Daniel M. Brown // Computers and structers. 1977. — № 1. — P. 13–22.
8. Фахрутдинов, А. Э. Конструкции лёгких арочных зданий, реализуемых по принципу «открытой» типизации [Текст]: автореферат. дис. … техн. наук: 05.23.01 / А. Э. Фахрутдинов. — Казань, 2012. — 20 с.

Основные термины (генерируются автоматически): конструкция, рациональное очертание, арка, несущая способность, Россия, Нева, промышленное производство, научная литература, аналитическая теория, проектирование.

moluch.ru

Расчет арки: особенности, правила и примеры

Зачастую перед строителем возникает задача выстраивания арочного перекрытия, обустройства куполообразной кровли или оригинального «горбатого» мостика над водоемом, который становится все более популярной малой архитектурной формой. При этом, в большинстве случаев мастера не утруждают себя сложными расчетами, используя две величины, которые известны даже семикласснику. Такими величинами являются ширина пролета, впоследствии перекрываемая аркой, и высота подъема арки, которая рассчитывается путем определения расстояния между воображаемой горизонтальной линией, проведенной между точками, на которые осуществляется упор арки, и наивысшей точкой арки. По мнению специалистов, данных величин недостаточно, чтобы обустроить надежную арку с высокими эксплуатационными характеристиками. Основная роль при конструировании арочного перекрытия отводится выбору материалов, из которого будет сооружаться арка, и связанному с ним расчету арки, правильность проведения которого определяет ее последующие эксплуатационные характеристики. Следуя данным рекомендациям, вы сможете сконструировать надежное арочное перекрытие, которое станет отличным решением и не только разнообразит дизайн квартиры, но и станет отличным украшением ландшафтного дизайна сада. Специалисты в данной сфере без труда произведут все необходимые расчеты, но что делать, если нет возможности воспользоваться их услугами, и приходится выполнять все работы самостоятельно? В этом случае воспользуйтесь нашими рекомендациями, которые помогут вам максимально эффективно справиться с поставленной задачей.

Содержание

1. Арочные системы с точки зрения профессионала
2. Классификация арок: основные разновидности
3. Как осуществить расчет трехшарнирной арки с затяжкой: рекомендации специалистов
4. Несколько слов о выборе материала для арки
5. Расчет кирпичной арки: основные моменты
6. И в заключение

 

Арочные системы с точки зрения профессионала

С точки зрения специалистов инженеров, арочными конструкциями называются системы ломаного или криволинейного характера, на опорные элементы которых действуют вертикальные нагрузки, приводящие к наклонным реакциям, направленным внутрь проема. Горизонтальной составляющей подобной опорной реакции является распор, что свидетельствует о том, что арочные системы являются распорными конструкциями.  Это и является их основным отличием от балок, которые испытывают только нормальное механическое напряжение. В современном строительстве арки используются в качестве основных несущих конструкций сооружений различного назначения, будь то хозяйственные, промышленные или сельскохозяйственные постройки, пролетом от 12 до 70 м. Что касается зарубежного строительства, то в данной отрасли конструирование арочных пролетов еще более развито, что позволяет сооружать арки высотой до 100 м и более.

Классификация арок: основные разновидности

В соответствии со статической схемой, различают  бесшарнирные, двухшарнирные и трехшарнирные арки;

Также опорные конца арки можно соединить горизонтально расположенным стержнем, воспринимающим горизонтальную нагрузку и называемым затяжкой. Расчет арки с затяжкой несколько отличается от расчета двухшарнирной арки или трехшарнирной арки без затяжки.

Для каждого из этих типов характерны свои достоинства и недостатки, в связи с чем, выбор конструкции осуществляется инженером-проектировщиком, который осуществит расчет трехшарнирной арки с учетом прочностных требований, предъявляемых к ней, материалов, используемых для ее конструирования, и архитектурных задач, которые возлагаются на ту или иную конструкцию.

В соответствии со схемой опирания, выделяют арки с затяжкой и арки без затяжки. Если первые воспринимают распор, то распор последних передается на опоры. Изготовление затяжки осуществляют из профильной стали или арматуры. Если эксплуатация арки будет осуществляться в условиях агрессивных сред, способствующих коррозии металла, допускается использование деревянных клееных затяжек.

По форме различают:

• Треугольные арки, состоящие из прямых полуарок. Расчет треугольной арки не представляет сложностей, и вы сможете произвести его самостоятельно;

• Пятиугольные арки;
• Сегментарные арки, оси полуарок которых располагаются на общей окружности;
• Стрельчатые арки, состоящие из нескольких полуарок, оси которых расположены на двух окружностях;

Как осуществить расчет трехшарнирной арки с затяжкой: рекомендации специалистов

Если вы планируете осуществить монтаж небольшой арки, расчет и конструирование не доставят вам особых сложностей, так как для их производства предпочтительнее использовать листы строительного материала огромных размеров, такого как фанера, гипсокартон или OSB-плиты. Наибольшие показатели их длины  ширины составляют 250 и 120 см соответственно, что позволяет просто начертить арку на листе материала и выпилить как минимум две составляющие детали несущих балок. В завершение такие арки обшивают листовым материалом, после чего можно считать, что арка готова. Несмотря на быстроту и простоту монтажа арок данным методом, для него характерны и свои недостатки, среди которых большое количество материала, затраченного на отходы, декоративность готовой арки и неспособность конструкции нести нагрузки.

Обустройство арочных конструкций существенно усложняется, если перед мастером стоит задача монтажа арки над большим просветом (до нескольких метров) или арки, способной выдерживать высочайшие нагрузки. В связи с тем, что на строительном рынке трудно найти материалы, размеры которых позволяют осуществить монтаж такой арки, она конструируется как наборная конструкция, состоящая из нескольких деталей. В связи с этим, перед мастером встает задача точного расчета арки и определения размеров ее деталей.

Как уже упоминалось ранее, арки различают в соответствии с такими параметрами, как форма, размер и высота, и прежде, чем реализовать проект расчета деревянной арки, необходимо четко представлять себе конструкцию и приблизительные размеры желаемой арки. С учетом данных параметров, легче определиться с выбором материалов для ее монтажа и последующим проведением расчетов.

Дилетанты, услышав словосочетание «расчет арки» зачастую пугаются, однако расчеты в данном случае несложные и основаны на использовании школьных формул из геометрии. Кроме того, чтобы облегчить проведение расчетов, необходимо начертить на миллиметровой бумаге контур арки в несколько уменьшенном масштабе. После этого изготавливают шаблон арки в реальном размере, имея который, вы сможете наиболее эффективно провести дальнейшие расчеты, так как  сможете приложить так называемую копию арки к месту ее монтажа и оценить правильность проведенных расчетов. Для изготовления шаблона можно использовать плотный картон, фанеру или лист ДВП.

Арочные конструкции занимают обширную нишу в архитектуре, и их использование – широчайшая тема, объять которую невозможно в одной статье. В настоящем материале мы рассмотрим изготовление арки в квартире или частном доме, так как традиционный прямоугольный проем, оформленный в виде арки, станет эксклюзивной деталью интерьера квартиры, выгодно отличающей ее от других квартир.

Рассмотрим пример расчета трехшарнирной арки:

В большинстве случаев, независимо от опыта мастера, ему известны  три параметра арки, среди которых ширина пролета, перекрываемого аркой, высота арки, а также глубина (ширина) стены. Перед мастером при этом стоит задача рассчитать параметры деталей арки, собрать их в единую арочную конструкцию и прочно закрепить ее.

Способ № 1 — эмпирический

Несмотря на то, что любой расчет арки начинается с вычисления радиуса ее окружности, арка не всегда представляет дугу окружности. Существуют ситуации, когда арка состоит из двух дуг (это относится к аркам, выполненным в готическом стиле) или характеризуются несимметричными очертаниями. В этом случае расчет каждой дуги арки производится отдельно. Но, вернемся к расчету окружности арки. Его удобнее производить на бумаге, при этом уменьшив размер, в масштабе, например, 1: 50. Подготовив бумагу и циркуль, чертим на листе дверной проем с учетом масштаба и проводим ось симметрии, делящую проем пополам. После этого ось циркуля необходимо изменить, поставив ножку с иглой непосредственно на ось симметрии. Далее нужно  начертить несколько дуг и, остановив свой выбор на наиболее оптимальной, остальные убрать с помощью ластика.

Чтобы нагляднее продемонстрировать данный пример, изобразим дугу арки:

где R – радиус окружности арки, а L представляет собой половину хорды дуги, тогда как размер хорды соответствует  длине арочного просвета. Что касается H, то данный показатель отображает высоту подъема арки.

Способ № 2 — математический

Чтобы осуществить математический расчет радиуса окружности арки, воспользуйтесь теоремой Пифагора, в соответствии с которой:

R= L2 + (R2 — h3)

R= L2 + (R — H)2

Разложив двучлен, преобразуем выражение в вид:

R2 = L2 + R2 – 2HR + h3

Вычтем из обеих частей R и получим:

L2 + h3 — 2HR = 0

Перенесем слагаемое с R за знак равенства:

2RH = L2 + h3

И, наконец, получим искомый R:

R = (L2 + h3)/ 2H

Важно! Формула для вычисления радиуса окружности арки: R = (L2 + h3)/ 2H, где R – радиус окружности арки, H – высота подъема арки, L – половина хорды дуги (длина арочного просвета).

В связи с тем, что арка состоит из нескольких частей, для изготовления которых придется использовать доску определенной ширины,  произведем расчет размеров детали, которую можно изготовить из доски с конкретными размерами. Для этого необходимо решить обратную задачу. С учетом известного радиуса арки и высота ее подъема (в данном случае это ширина доски), рассчитаем максимально возможную длину детали, которую можно изготовить из доски с определенной шириной, то есть произведем расчет длины арки. В связи с тем, что из предыдущих расчетов нам уже известны определенные соотношения, выведем следующую формулу:

L2 = 2RH – h3

HR – h3

Чтобы правильно изготовить арку, необходимо подготовить несколько больше деталей, с учетом того, что в процессе монтажа их придется стыковать. Способ стыковки выбирается в зависимости от назначения арки. Практикуется использование накладных деталей по «щекам» арки и стыковка двух арок, с учетом сдвига на полдетали.

В процессе расчета деталей необходимо учитывать то, какая сторона арки, в зависимости от ее расположения по отношению к деталям, больше всего нас интересует (внутренняя или внешняя). Проще говоря, нам необходимо понять, как будут располагаться несущие детали арки по отношению к самой арке. Например, при обустройстве куполообразной кровли, несущие детали арочной конструкции будут располагаться ниже арки, а при монтаже арочного свода – выше. Возникают ситуации, когда необходимо обустроить двустороннюю арку. В последнем случае расчет деталей арки произведет по наименьшему закруглению.

Если в процессе эксплуатации, арка будет нести высокие нагрузки, необходимо произвести ее усиление с помощью различных балок и затяжек, установленных между узлами арки. Таким образом, вы сможете обустроить несущую ферму, которая способна выдержать повышенные нагрузки.

Если вы решили обустроить арку в готическом стиле, вам необходимо максимально точно определить радиус закругления арки на концах. В этом случае вы облегчите себе задачу, используя эмпирический способ расчета арки, с помощью которого вы экспериментальным путем подберете точку закругления арки, далее из этой точки вниз проведете линию, идущую параллельно стене, измерите полученное расстояние и проведете линию такой же длины с другой стороны. Затем ножку циркуля ставят на эту линию, определяют расстояние (радиус) и, двигаясь вниз или вверх параллельно линии, определяют точку, где линия стены и дуга арки сомкнутся посредством второй (меньшей) дуги. На второй стороне чертежа необходимо произвести то же самое.

Чтобы облегчить себе задачу и максимально эффективно произвести расчет арки, вы можете сделать несколько чертежей и выбрать наиболее подходящий. Как вы уже поняли, приведенные примеры расчета арки далеко не единственные, и существуют другие способа расчета, однако эмпирический способ наглядно вам демонстрирует, как будет выглядеть арка после осуществления монтажа. Кроме того, в процессе осуществления расчетов вы сможете легко корректировать чертеж до тех пор, пока не достигнете желаемого результата.

Сделав чертеж и удостоверившись в его правильности, необходимо изготовить шаблон арки, используя который, вы без труда осуществите монтаж любой арочной конструкции.

Несколько слов о выборе материала для арки

Для изготовления арки можно использовать различные материалы, в том числе и металл (расчет металлической арки производится несколько иначе), а также кирпич и бетон, однако наиболее простым и дешевым способом является изготовления арки из гипсокартона. В связи с тем, что арка, изготовленная из кирпича и бетона, будет очень тяжелой, для нее необходимо монтировать арматурный каркас. Арматура легко поддается сгибанию, и вы без труда сможете сварить из нее каркас. После этого, используя перфоратор, в стенах необходимо просверлить отверстия, вбить в них штыри и приварить к ним арочный каркас.

Изготовление арки из гипсокартона осуществляется намного проще и быстрее, однако готовая конструкция будет менее прочной, чем ее кирпичные или бетонные аналоги. Для этого необходимо изготовить каркас из жестяных профилей, по бокам обшить их гипсокартоном, а для обшивки внутреннего проема использовать сегменты(для их изготовления гипсокартон разрезают с одной стороны, выгибают и в заключение закрепляют саморезами). Образовавшиеся грани необходимо сгладить шпаклевкой.

Расчет кирпичной арки: основные моменты

Чтобы осуществить расчет кирпичной арки, также необходимо изготовить шаблон из ДВП, качество которого во многом определяет эксплуатационные характеристики и внешний вид будущей кирпичной арки.  В первую очередь необходимо рассчитать размеры шаблона, для чего потребуется знание ширины арочного проема. Например, ширина арочного проема составляет 15000 мм.

Так как ширина шаблона должна быть на 5 мм меньше, значит, она составит 1495 мм. Даже если произойдет разбухание шаблона от влаги, вы сможете без труда осуществить его демонтаж на финальных стадиях работы. Высота шаблона должна соответствовать высоте арки, в нашем случае пусть будет 168 мм. Так как целый лицевой кирпич рекомендуется класть в верхней части арки, необходимо произвести расчет числа кирпичей. Так как высота одного ряда составляет около 72 мм (высота кирпича + высота шва), а общее число рядов равно 4, арочная высота составляет 72*4 – 120 = 168мм. (120мм при этом – высота кирпича, уложенного на ребро).

И в заключение

Чаще всего монтаж арочных конструкций осуществляется для декоративного оформления помещения, независимо от его предназначения. Это может быть и дом, и квартира, и офис.

Зачастую с помощью арки оформляют дверной проем между кухней и гостиной. Однако монтаж арки может использоваться и в процессе более масштабных видов строительства. Если вы планируете оформить с помощью арки внутреннее убранство помещения, специалисты рекомендуют изготовить арочную конструкцию из гипсокартона, так как это намного дешевле, проще и менее трудозатратно. При этом готовая конструкция ничуть не уступит аркам из кирпича или дерева. Чтобы не разочароваться в красоте и правильности арки, специалисты рекомендуют подойти к монтажу арочной конструкции с должной тщательностью и провести расчет арки, что можно осуществить несколькими способами. В нашей статье мы предложили вам два наиболее распространенных и эффективных способа расчета арки, воспользовавшись которыми, вы сможете соорудить надежную и эстетически привлекательную арку.

strport.ru