Балки со сплошной стенкой применялись в течение многих лет при строительстве зданий для поддержания междуэтажных перекрытий или плоских крыш в тех случаях, когда длина пролетов или нагрузки слишком велики для применения стальных прокатных балок. В большинстве случаев, когда в помещениях большой ширины не допускается устройство внутренних колонн, длина пролета и требования в отношении нагрузок вынуждают отдавать предпочтение решетчатым фермам. Пример такого решения здание национального банка в Далласе.
Стальные решетчатые фермы разнообразной конструкции широко применяются в зданиях в качестве несущих элементов покрытий.
Для плоских крыш с уклоном от 4 до 6°, при длине пролета от 9 до 60 м, широко применяются полигональные фермы с небольшим уклоном верхнего пояса; такие фермы наиболее экономичны при пролетах до 38 м.
Уклон пояса таких ферм пригоден для мягкой кровли. Типовая конструкция такой фермы. Применение ферм с раскосами переменного направления в производственном и в общественном зданиях. В качестве варианта при таком же пролете могут применяться полигональные фермы с нисходящими раскосами. Предпочтение обычно отдается фермам с переменным направлением раскосов.
Фермы с параллельными поясами не имеют широкого применения при пролетах более 15 м, так как большинство проектировщиков предпочитают придавать крыше некоторый уклон для обеспечения стока воды, а верхний пояс служит обычно непосредственной опорой конструкции кровли.
Широкое применение для крутых скатных крыш в зданиях любого назначения имеют фермы типа Полонсо. Они часто применяются в производственных зданиях со стальным каркасом в качестве опоры для стальных протонов обрешетки, несущих кровлю из волнистой стали; они применимы также в жилых или монументальных зданиях. В наиболее простом виде фермы Полонсо могут быть целесообразно использованы даже при столь малых пролетах, как 6 м; часто они экономически выгодны и при пролетах, превышающих 31 м. Обычный уклон верхнего пояса в таких фермах составляет 1:2,5. Для скатных крыш с большим уклоном применяются фермы как с переменным направлением раскосов, так и с нисходящими раскосами; однако в большинстве они дороже ферм типа Полонсо. В тех случаях, когда приемлем верхний криволинейный пояс, фермы с таким поясом могут оказаться экономически выгодными при пролетах приблизительно до 38 м.
Серповидные фермы применяются очень редко.
При пролете 30 м фермы как с треугольной, так и с простой раскосной решеткой и с верхними поясами, имеющими небольшой уклон, должны иметь высоту приблизительно около 3,4 м в середине пролета и около 1,8м — по концам. При параллельных поясах фермы обоих этих типов должны иметь высоту, равную приблизительно 1/12 пролета. При тяжелых нагрузках высота ферм с параллельными поясами может составлять около 1/10 пролета. Фермы Полонсо могут иметь при пролете 30 м высоту около 6,4 м, а фермы такого же пролета с криволинейным верхним поясом — около 3 м. Конструкция фермы здания национального банка в Далласе, является примером применения тяжелых стальных ферм, несущих вес междуэтажных перекрытий шести этажей и крыши. Этим фермам, с раскосами переменного направления, придана огнестойкость перлито-гипсовой штукатуркой, нанесенной по металлической сетке.
Расстояние между стропильными фермами зависит от конструкции крыши, от длины пролета, от стоимости фундаментов и от нагрузок, которые должны нести фермы в дополнение к нагрузке от крыши. В конструкции одноэтажных производственных зданий обычный шаг колонн, определяющий расстояние между фермами, колеблется от 6 до 8,5 м. При дорогостоящих фундаментах предпочтение следует отдавать большему пределу. При проектировании производственных зданий многих типов проектировщик должен уделить значительное внимание ограничению числа колонн.
Значительная свободная площадь пола может в некоторых случаях оказаться более экономичной, несмотря на более высокие первоначальные затраты.
Недавно построенный в Бельгии ангар может служить примером увеличения пролетов, которое может быть достигнуто при применении тросов для предварительного напряжения стальных ферм. В этом сооружении, запроектированном профессором Маньелем, главные фермы имеют пролет 76,5 ж; высота их составляет, в середине пролета только 4,1 ж и 5,6 ж в точке, где две фермы сопрягаются на одной центральной колонне, являющейся единственной внутренней опорой на площади 1 га.
Весьма важно для открытых стальных ферм большой длины, опирающихся на каменные или бетонные устои (как, например, фермы железнодорожных мостов), обеспечение их свободного расширения или сокращения при изменении температуры. Условия в зданиях в этом отношении значительно менее суровы. Поэтому фермы пролетом до 38 м, если они опираются на стальные колонны (поверху или в середине их), присоединяются к колоннам посредством консолей или подкосов без принятия каких-либо мер для свободного перемещения концов ферм.
Когда опорами фермы служат каменные стены или пилоны, никаких специальных опорных устройств при пролетах, не превышающих 15 ж, не требуется; за пределами этой длины пролета вопрос должен быть тщательно рассмотрен в каждом случае. Хотя есть много примеров, когда фермы значительно большего пролета были установлены непосредственно на каменные опоры, опыт показывает, что в этом вопросе требуется осторожность, особенно в местностях с холодным климатом. В производственных зданиях, состоящих из многих пролетов, обслуживаемых кранами, необходимо устраивать при ширине здания, превышающей 150- 180 ж, либо спаренные колонны, либо продольный температурный шов. В тех случаях, когда возможное перемещение фермы значительно превышает величину, которая может быть безопасно воспринята поддерживающей ее конструкцией, на одном конце фермы должна быть устроена подвижная опора в виде скользящих плит или другого подобного приспособления. Выбор типа опорной части требует особого внимания, так как многие конструкции этого рода, применявшиеся в прошлом, оказались неудовлетворительными.
Стальные решетчатые балки с верхним и нижним поясами, состоящими из стальных прокатных профилей, сваренных между собой для образования пояса, и с элементами решетки также из стальных профилей, изготовляются высотой от 0,45 до 1,2 ж. Такие балки применимы для устройства междуэтажных перекрытий и покрытий при малых нагрузках и при пролетах в свету, не превышающих 20-кратной их высоты- при применении их в междуэтажных перекрытиях и 24-кратной высоты — при применении их в покрытиях. Практическим пределом пролета таких балок для междуэтажных перекрытий следует считать 21 ж, а для покрытий — 27 ж. При опираний таких балок на каменную кладку пролет в свету не должен превышать 24 ж.
Решетка таких балок так же, как и в фермах, может быть с нисходящими раскосами или с раскосами переменного направления, или же любого другого типа, стандартного для завода-изготовителя. Балки изготовляются либо прямоугольными, либо полигональными с верхними поясами горизонтальными или имеющими уклон в одну или в обе сторрны. Обычный уклон пояса 1:100. Между балками необходимо устраивать распорки, максимальное расстояние между которыми составляет от 3 до 4,8 м. Верхним поясам балок необходимо придавать боковую жесткость при помощи горизонтальных связей, которыми обычно служат конструкции перекрытий или покрытий. Длина конца балки, опираемого на каменную кладку или на бетон, должна быть не менее 150 мм, а при опираний на стальные конструкции не менее 100 мм. Решетчатые балки особенно широко применяются для устройства покрытий.
Конструкции в виде стальных жестких рам широко применяются для перекрытия пролетов от 18 до 70 м. Две типичные сварные конструкции, предназначенные для производственных зданий. Достигаемые благодаря применению сварки лучший внешний вид конструкции и экономия материалов особенно очевидны в жестких рамах. Такие рамы применяются для устройства ангаров, гимнастических залов, цейхгаузов и амфитеатров, а также в производственных зданиях. Шедовые крыши применяются в настоящее время реже, чем раньше, главным образом потому, что теперь во многих отраслях промышленности отдают предпочтение искусственному освещению перед естественным, а также в связи с большей экономичностью гладких, неизломанных поверхностей крыши как в отношении первоначальных затрат, так и в отношении эксплуатации.
Все жесткие рамы требуют принятия мер для противодействия горизонтальным составляющим наклонных реакций в основании стоек. Если грунтовые условия благоприятны, то для этой цели, при пролетах средней величины, могут служить фундаменты. В большинстве случаев в конструкции пола, между основаниями стоек, помещаются затяжки в виде стальных стержней, а иногда в качестве затяжек могут быть использованы стальные несущие элементы пола.
Сборка жестких рам на месте может быть облегчена путем изготовления на заводе крупных секций, максимально допустимых по условиям транспорта. Однопролетные жесткие рамы обычно рассчитываются и устраиваются в виде двухшарнирных конструкций.
Сварные жесткие рамы в производственных зданиях препятствий для видимости и при значительной высоте помещения. Жесткие рамы конструктивно применимы для крыш с разным уклоном.
Примеры рам, состоящих из стальных балок небольшой длины, соединенных между собой заклепками, болтами или на сварке и образующих ребра сводов или жестких рам. Такая система была применена при пролетах до 90 м; некоторые детали такой конструкции были запатентованы их изобретателями.
Такие конструкции обычно устраиваются двухшарнирными или трехшарнирными. Хотя расчет трехшарнирных конструкций значительно более прост, но шарнир, расположенный в замке, может потребовать как при сооружении здания, так и при его эксплуатации значительных дополнительных затрат для обеспечения возможности температурного расширения настила крыши, не создавая течи в водонепроницаемом покрытии.
Арки эти, пролетом 73,5 м и высотой над уровнем пола 28,8 м, являются двухшарнирными; с одной стороны здания распор арок воспринимается контрфорсами, а с другой стороны — опорами, дающими возможность расположить дополнительные помещения рядом с основным зданием. Арки расположены с расстоянием между ними в осях 7,9 м.
В качестве прогонов обрешетки служат широкополочные стальные балки высотой 250 мм, расположенные через 2,1 м; по прогонам уложены второстепенные балки-обрешетины, поддерживающие сборные фибролитовые плиты типа порекс, по которым устроена алюминиевая кровля.
Стальные арки большого пролета устраиваются также решетчатой конструкции; они находят применение главным образом в ангарах и в зданиях, в которых при пролете, превышающем 90 м, требуется значительная высота помещений. Во время второй мировой войны управление портов и доков США сооружало ангары для военно-морской авиации пролетом 72 м при высоте над уровнем пола 55 м; они представляют собой огромные здания длиной 322 м.
Упомянутые выше стальные ангары в Идльвилде, превышают по размерам все сооружения этого типа. Они имеют свободный пролет 91 ж и свободную высоту в центре 23 м. Стрела подъема арок составляет приблизительно 15 ж. Арки трехшарнирной конструкции, сечение которых такое же, как и балок со сплошной стенкой, были собраны с устройством на месте только двух стыков. Две средние арки в каждом ангаре расположены с расстоянием между ними 7,3 м, а остальные арки, необходимые для перекрытия каждой части ангара длиной 96,8 м, расположены с расстоянием между ними 14,6 и. Балки обрешетки с решетчатой стенкой перекрывают пролеты между арками и поддерживают металлический настил с теплоизоляцией и мягкой кровлей.
Стальные своды сетчатой конструкции, применимые для покрытия зданий гимнастических залов, аудиторий и ресторанов, не находят столь широкого распространения, как своды такой же конструкции в дереве. Сетчатые своды, изготовляемые из коротких отрезков балок, соединенных между собой болтами, заклепками или сваркой, оказываются несколько более дорогими при устройстве их в стали, чем в дереве. Горизонтальный распор таких сводов может быть воспринят затяжками в уровне верха стен или контрфорсами. Настил покрытия может быть устроен из металла, досок, сборных железобетонных плит или из другого подходящего материала. Обычный пролет оводов такой конструкции составляет от 9 до 30 м. Такой свод был применен для покрытия здания городского зала общественных собраний и имеющего пролет в свету 68 м.
В куполах с оболочкой из камня или из другого более легкого материала несущая конструкция устраивается обычно из стали. Внешний вид и конструкция купола над памятником Джефферсону в Вашингтоне. Конструкция купола над зданием Колизеума в г. Шарлотта (штат Северная Каролина); купол этот, диаметром 101,2 м, возвышается на 34 л. Над уровнем улицы и является крупнейшим в мире куполом с несущей стальной конструкцией. Выбор круглого очертания купола в плане дает максимальную площадь помещения при данном периметре и экономичную конструкцию крыши, а также сокращает расстояния внутри помещения от центра его до различных точек на трибунах. Стальной каркас купола с кольцом сечением 81Х105 сл, воспринимающим распор, опирается на наклонные железобетонные колонны.
Другой подобный купол со стальным каркасом, построенный в Бостоне, имеет диаметр 68 м и высоту 17,6 м.