Конструктивная опора — это часть здания или сооружения , которая обеспечивает необходимую жесткость и прочность для сопротивления внутренним силам (вертикальным силам тяжести и боковым силам, вызванным ветром и землетрясениями) и безопасного направления их к земле. Внешние нагрузки (воздействия других тел), которые действуют на здания, вызывают внутренние силы (силы и пары со стороны остальной части конструкции) в опорных конструкциях здания. Опоры могут находиться либо на конце, либо в любой промежуточной точке вдоль конструктивного элемента или составной части здания, и их называют соединениями, стыками или ограничениями. [1]
Строительные опорные конструкции, независимо от используемых материалов, должны давать точные и безопасные результаты. Конструкция в меньшей степени зависит от веса и жесткости материала, а в большей — от его геометрии для обеспечения устойчивости. [2] Независимо от условий, для конструкций соединений необходима определенная жесткость. Тип опорного соединения влияет на несущую способность каждого элемента, который составляет структурную систему. Каждое условие поддержки влияет на поведение элементов и, следовательно, системы. Конструкции могут быть либо горизонтальными опорными системами (конструкции пола и крыши), либо вертикальными системами строительных конструкций (стены, рамы, ядра и т. д.) [3]
Структура необходима для зданий, но архитектура, как идея, не требует структуры. Каждое здание имеет как несущие конструкции, так и ненесущие части. Структурные элементы образуют системы и передают нагрузки, действующие на структурные системы, через ряд элементов на землю. Элементы структуры здания включают в себя линейные ( балки , колонны , тросы , рамы или арки , пространственные рамы , элементы поверхности (стены, плиты или оболочки ) и свободную форму. [3]
Функциональные требования конструкции сузят возможные формы, которые можно рассматривать. Другие факторы, такие как доступность материалов, условия фундамента, эстетические требования и экономические ограничения, также играют важную роль в установлении структурной формы. [4] Структурные системы или все их элементы и части считаются находящимися в равновесии, если системы изначально находятся в состоянии покоя и остаются в состоянии покоя, когда на них действует система сил и пар. [5] Они не являются аспектами модели, которые следует угадывать. Чтобы иметь возможность анализировать конструкцию, необходимо четко представлять себе силы, которые могут быть довольно сложными.
Существует два типа сил: внешние силы, которые являются воздействием других тел на рассматриваемую конструкцию, и внутренние силы, которые остальная часть конструкции оказывает на элемент или часть конструкции в виде сил и пар. [6] Для защиты других окружающих материалов от этих сил конструкции требуется небольшой прогиб или люфт.
Существует пять основных типов идеализированных опорных конструкций, классифицированных по типам прогиба, которые они ограничивают: роликовая , штифтовая , фиксированная , подвесная и простая опора . [1]
Роликовая опора допускает тепловое расширение и сжатие пролета и предотвращает повреждение других структурных элементов, таких как штифтовая опора. Типичное применение роликовых опор — большие мосты. В гражданском строительстве роликовые опоры можно увидеть на одном конце моста.
Роликовая опора не может предотвратить поступательные движения в горизонтальном или боковом направлении и любое вращательное движение, но предотвращает вертикальные перемещения. [1] [5] Ее сила реакции представляет собой единственную линейную силу, перпендикулярную поверхности и направленную от нее (вверх или вниз). Предполагается, что этот тип опоры способен противостоять нормальному смещению.
Это могут быть резиновые подшипники , коромысло или набор шестеренок, допускающих ограниченное количество бокового движения. Например, конструкция на роликовых коньках остается на месте до тех пор, пока она должна только поддерживать себя. Как только боковая нагрузка давит на конструкцию, конструкция на роликовых коньках откатывается в ответ на силу.
Штифтовая опора прикрепляет единственную стенку балки к балке, называемой сдвиговым соединением. Опора может оказывать силу на элемент, действующую в любом направлении, и предотвращать поступательные движения или относительное смещение концов элемента во всех направлениях, но не может предотвращать вращательные движения . [1] Ее силы реакции представляют собой отдельные линейные силы неизвестного направления или горизонтальные и вертикальные силы, которые являются компонентами отдельной силы неизвестного направления. [5]
Штифтовая опора похожа на человеческий локоть. Ее можно разгибать и сгибать (вращение), но вы не можете двигать предплечьем слева направо (перемещение). Одним из преимуществ штифтовых опор является отсутствие внутренних моментных сил, и только их осевая сила играет большую роль в их проектировании. Однако одна штифтовая опора не может полностью удерживать конструкцию. Для сопротивления моменту необходимы как минимум две опоры. [7] Применение в фермах — один из частых способов использования этой опоры.
Жесткие или фиксированные опоры поддерживают угловое соотношение между соединенными элементами и обеспечивают как силовое, так и моментное сопротивление. Они оказывают силы, действующие в любом направлении, и предотвращают все поступательные движения (горизонтальные и вертикальные), а также все вращательные движения элемента. Силы реакции этих опор являются горизонтальными и вертикальными компонентами линейной результирующей ; момента. [5] Это жесткий тип опоры или соединения. Применение фиксированной опоры выгодно, когда мы можем использовать только одну опору, и люди наиболее широко использовали этот тип в качестве единственной опоры для консоли . [7] Они распространены в соединениях балок с колоннами стальных каркасов, выдерживающих момент, и в соединениях балок, колонн и плит в бетонных каркасах.
Опора подвески только оказывает усилие и не позволяет элементу действовать или перемещаться в направлении подвески. Однако эта опора не может предотвратить поступательное движение во всех направлениях и любое вращательное движение. [1] [5] Это одна из простейших структурных форм, в которой элементы находятся в состоянии чистого растяжения. Конструкции этого типа варьируются от простых конструкций с оттяжками или распорками до больших мостовых и кровельных систем с тросовой поддержкой. [4]
Простая опора в основном заключается в том, что структурный элемент опирается на внешнюю конструкцию, например, на два бетонных блока, удерживающих на своих вершинах опорную доску из дерева. Эта опора похожа на роликовую опору в том смысле, что она сдерживает вертикальные силы, но не горизонтальные силы. Поэтому она не так широко используется в реальных конструкциях, если только инженер не может быть уверен, что элемент не будет перемещаться. [7]