Причины эффективности большепролетных оболочек систем

Арочные конструкции. Арка представляет собой брус криволинейного очертания (циркульного, параболического).

Кривизна арки обеспечивает возможность ее статической работы преимущественно на сжимающие усилия, но в отличии от балочных конструкций, вызывает не только вертикальные, но и горизонтальные реакции опор – распор. Это требует соответствующего усиления опор или применения затяжки, стягивающей опоры арки и работающей на растяжение. В случае использования затяжек в опорах возникают только вертикальные реакции. Такая работа арок позволяет перекрывать ими значительно большие пролеты, чем балка.

При увеличении ширины арки в направлении, перпендикулярном ее пролету, образуется конструкция пространственной формы и называется цилиндрическим сводом. В такой конструкции арочная кривая служит направляющей, а горизонтальная прямая – образующей поверхности свода.

Конструкция цилиндрического свода при пространственной геометрической форме в статическом отношении является плоскостной. Если конструкция свода мысленно рассечь на ряд параллельных друг другу арок, то все они (при равномерно распределенной нагрузке) будут иметь идентичное напряженное состояние и не окажут воздействия на смежную арку.

В соответствии с функциональными и эстетическими задачами цилиндрический свод получил в архитектуре множество модификаций.

Все модификации цилиндрического свода в плане пересечений под разными углами являются пространственными конструкциями по статической работе.

В строительной практике сводчатые конструкции выполняются преимущественно из ж/б, а арочные – из дерева, стали, ж/б.

5. Оболочки. Представляют собой тонкостенные жесткие конструкции с криволинейной поверхностью. Толщина оболочек значительно мала по сравнению с остальными размерами. Тонкостенность конструкции исключает возможность работы оболочки на поперечный изгиб и обеспечивает работу только на осевые усилия. Геометрические и статические свойства оболочек зависят от их кривизны и ее непрерывности.

В общем случае поверхности оболочек имеют кривизну в двух направлениях. Такие конструкции называются оболочками двоякой кривизны. Характеристикой кривизны поверхности называется Гауссова кривизна К.

К = 1/R₁R₂

Знак кривизны К зависит от расположения центров радиусов кривизны по отношению к поверхности.

Если поверхность оболочки в одном из направлений имеет конечную величину, а в перпендикулярном направлении - нулевую, то она называется поверхностью нулевой кривизны (например, цилиндрический свод – оболочка).

Оболочки являются пространственными конструкциями как по форме, так и по существу статической работы. Их большая по сравнению с плоскостными конструкциями несущая способность определяется не дополнительным расходом материалов, а только изменением формы конструкции, способствующей повышению ее жесткости.

А – плоскостная плита

Б – цилиндрический свод-оболочка

В – цилиндрический свод

1 – оболочка

2 – бортовой элемент

3 – диафрагма жесткости (обеспечивает стабильность формы оболочки)

Цилиндрический свод-оболочка (Б) – безраспорная конструкция, работающая на поперечный изгиб как балка пространственной жесткости.

Цилиндрический свод (В) – распорная конструкция, работающая преимущественно на осевые усилия. Продольная ось длинного цилиндрического свода-оболочки размещается параллельно перекрываемому пролету, а продольная ось свода – перпендикулярно пролету.

Основной причиной экономичности оболочек и возможности перекрытия больших пролетов по сравнению с плоскими системами является безмоментность работы плиты оболочки.

Плоская изгибаемая плита толщиной 10 см может перекрыть пролет около 5 м. Оболочка, например, купол, толщиной 10 см может перекрыть десятки метров. Любая конструкция, перекрывающая пролет, воспринимает изгибающий момент внешних сил усилиями растяжения и сжатия в ее элементах, умноженными на плечо внутренней пары усилий.

На рис. 8 видно, что плечо внутренней пары плоской плиты есть часть ее толщины, т.е. несколько сантиметров, а в куполе или в арке плечо есть строительная высота конструкции, т.е. несколько метров. Соответственно, при том же порядке усилий и толщинах плит в оболочке и плите, оболочка может перекрывать в десятки раз больше пролеты.

Для создания экономичной оболочки необходимо добиться, чтобы в поле ее плиты не возникали даже небольшие по величине изгибающие моменты.

Безмоментность оболочки достигает при соблюдении следующих основных условий:

-толщина оболочки много меньше радиусов кривизны оболочки d< < Rmin;

-кривизна срединной поверхности оболочки, ее толщина и внешняя нагрузка не должны изменяться по поверхности оболочки быстро, то есть поверхность должна быть плавной, толщина оболочки изменяться плавно и интенсивность нагрузки не должна иметь скачков.

Однако, если интенсивность основного сочетания нагрузок представляет быстро меняющуюся, по величине функцию, то можно найти форму поверхности, которая, несмотря на это, будет почти безмоментной (рис.9), кроме крайнего случая сосредоточенной нагрузки.

Нахождения оптимальной для данной нагрузки формы поверхности оболочки возможно с помощью компьютерного < < выдавливания> > ее поверхности по определенным правилам.

На рис. 9а показан купол с формой, подходящей для равнонмерной нагрузки, на рис. 9б – купол для нагрузки с интенсивностью, возрастающей к центру.

Однако существует весьма опасный участок моментной работы оболочки. Это участок ее примыкания к опорному контуру. У обычного пологого купола опорный контур стесняет его радиальное перемещения.

Наиболее наглядно виден изгиб приопорной части оболочки, называемый < < краевым эффектом изгибной группы усилий> >, на примере стенки цилиндрического резервуара (рис. 10).

При ручных расчетах континуальных оболочек принято допущение, позволяющее значительно упростить выкладки и окончательный результат. Допущение заключается в том, что собственно оболочка в месте примыкания к бортовым элементам не включается в работу совместно бортовым элементом вдоль его оси. Такой подход приходит к тому, что усилия в оболочке скачком меняют знак на границе с опорным контуром. В реальной конструкции это невозможно, поскольку нарушается условие совместности деформации. Фактически происходит перетекание усилий из опорного контура в примыкающую зону поля оболочки. Этот < < краевой эффект в мембранной группе усилий> > легко определяется с помощью компьютерного расчета.

Уменьшения отрицательного влияния < < краевой эффект> > и обычно изменение температурного режима (контур в холоде, оболочка в тепле), что приводит к появлению точки росы и коррозии.