Умный поиск

Clipart 1920x320 | PBL-курс "Расчет стройконструкций с нуля"

Цикл статей "Как рождается архитектура" | Dystlab Library

Роль шарнира в строительной конструкции

Слушатели курса "Расчет строительных конструкций — с нуля!", который я веду в проекте Dystlab Education, периодически просят меня объяснить им такие понятия, как "шарнир", "шарнирная опора". Видимо, понимание этих важных, с точки зрения работы сооружения, элементов вызывает у начинающих проектантов некоторые трудности.

Различные словари и вики определяют шарнир как "вращательную кинематическую пару", что терминологически больше относится к машиностроению (элементам машин и механизмов), нежели к строительным конструкциям, хотя принцип действия шарнира везде одинаковый. Шарнир — устройство, которое соединяет два элемента таким образом, чтобы они могли вращаться относительно одной точки или оси.

Различные схемы применения шарниров продемонстрированы в следующих видео. В первом видео, шарниры применяются для оконных и дверных систем, во втором — для гиростабилизации камеры (используется не один, а несколько шарниров):

Видео 1. Примеры шарнирных петель

Видео 2. Шарниры в составе сложного механизма

Из этих роликов должна стать понятной сама концепция: шарнир нужен там, где не требуется жестко фиксировать элемент, а нужно дать ему возможность вращаться.

Шарниры в строительных конструкциях

В зданиях и сооружениях шарниры применяются, как правило, в наиболее ответственных узлах — опорах. Иногда шарниры внедряют в какую-то "внутреннюю" часть конструкции:

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Опорная часть пролетного строения моста

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Опорная часть пролетного строения моста

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Крепление каната на временных опорах — тоже шарнирное

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Шарнир как часть несущей конструкции в здании гражданского назначения

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Пешеходный мост, реализованный по схеме "трехшарнирная арка" (редкая конструкция!)

 Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Шарнирная опора аттракциона "колесо обозрения"

Шарниры в расчетных схемах

Так или иначе, проектирование конструкции начинается с разработки ее расчетной схемы. Рассмотрим несколько примеров простейших расчетных схем:

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Рисунок 1. Примеры расчетных схем с шарнирными опорами

Удивляет вас это или нет, но на всех трех схемах изображен один и тот же тип опирания конструкции — шарнирное. Обратите внимание, что левая опора в каждой схеме "повернута" на какой-то угол. Это сделано лишь с целью подчеркнуть, что сейчас мы работаем не с реальной конструкцией, а с её виртуальным аналогом, упрощенной моделью (расчетной схемой). А на расчетной схеме важно отметить только те особенности, которые принципиально влияют на работу конструкции: в данном случае это два опорных стержня, которыми конструкция крепится к земле.

Вот еще пример расчетной схемы, взятый из пояснительной записки проекта путепровода 1905 года:

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Рисунок 2. Шарнирно-опертая балка, проект 1905 г.

Справа (фиг. 8, рис. 2) показана простая балка на двух опорах, а черными треугольниками показаны шарнирно-подвижная и шарнирно-неподвижная опоры (правда, сложно узнать где какая, но это уже вопрос к авторам проекта, инженерам Е. О. Патону и П. Я. Каменцеву). Как видим, единого правильного варианта в обозначении шарнирной опоры нет, и как этот элемент показывать на схемах — решать вам.

Что означает кружок

Как легко убедиться, на схемах шарнир символизирует маленький кружок. Вокруг этого центра происходит вращение опорного сечения конструкции:

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Рисунок 3. Сечения конструкции A, B вращаются при изгибе вокруг шарнирных опор

Перемещения и реакции

Шарнир допускает вращение сечения вокруг своего центра. Поскольку в этой точке разрешены угловые перемещения, то соответствующий опорный момент отсутствует. В этом состоит основное назначение шарнира в строительной конструкции — обнулять моменты, появляющиеся в процессе изгиба:

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Рисунок 4. Жесткое защемление (1) и шарнирное опирание (2) балки

В чем разница между подвижной и неподвижной опорами?

Вы наверняка обратили внимание, что на рисунках 1, 3, 4 балки лежат на разных опорах: слева опора нарисована тремя кружками и двумя соединительными линиями, а справа — двумя кружками и одной линией. Почему так?

Каждая соединительная линия (короткий отрезок в изображении опоры) моделирует крепление данного узла к земле, поэтому линейные перемещения балки в этом направлении запрещены. Так, балка не может прогибаться вниз в опорных сечениях; и в начале, и в конце конструкции нарисованы вертикальные или наклонные стержни, поддерживающие балку. Напомню, что наклонную конструкцию всегда можно спроецировать на взаимно перпендикулярные оси (вертикальную и горизонтальную), поэтому схема 2 на рисунке 1 принципиально не отличается от остальных.

Важно также понимать назначение единственного горизонтального опорного стержня. Он запрещает горизонтальное перемещение балки (в направлении продольной оси), но только того сечения, в котором он установлен. Это классическая шарнирно-неподвижная опора:

Роль шарнира в строительной конструкции | Dystlab Library

Рисунок 5. Какие перемещения запрещают и разрешают шарнирные опоры

На рисунке 5 правая опора называется шарнирно-подвижной, так как допускает смещение правого конца балки в горизонтальном направлении. Это важное обстоятельство для учета удлинений и укорочений конструкции вследствие, например, температурных колебаний.

Выводы

Шарнир является важным элементом конструкции: он позволяет сечениям, которые к нему прикреплены, вращаться вокруг оси шарнира. Шарнир обнуляет опорные моменты.

На расчетной схеме шарнир показывают, как правило, кружком. Шарнирно-подвижная и шарнирно-неподвижная опоры являются одним из самых распространенных типов опирания балочных систем. Обе они имеют шарниры и допускают поворот опорного сечения, а шарнирно-подвижная опора допускает также горизонтальные перемещения соответствующего конца балки.

Принято говорить, что опоры крепятся "к земле", однако не следует понимать это буквально. Нередко "землей" служит другой элемент конструкции, большей жесткости.

Комментарии   

+3 # Богдан 13.09.2016 06:32
Виталий, очень полезная и познавательная статья!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Под статьей | Случайные статьи по инженерии