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.