Л3. Оболочки положительной гауссовой кривизны и принципы конструирования оболочек. ЖБ 2 страница

1 – Покрытия одинарной кривизны; 2, 5 – Схемы висячих покрытий двоякой кривизны; 3, 4 – оболочки типа гипаров.

рис. 10. Основные типы и формы покрытий с использованием железобетонных с сталежелезобетонных конструкций.

Различие приемов использования гипаров вытекает как из способов опирания оболочек, так из самой их формы и сочетаний форм. Гипары могут опираться на одну опору (гриб или чаша), на две опоры (в виде консоли), на четыре точки (ребрами вверх и вниз), на 3 точки (с частичными консолями). Уже в способе опирания заключены огромные возможности композиционных решений. Еще большую вариабельность дает сочетание различных по форме элементов гипаров в пространстве, например в виде крестовых сводов или центрических цветкообразных покрытий. Подробнее такие оболочки будут рассмотрены ниже.

рис. 11. Оболочки типа гипар и приме­ры комбинированных оболочек.

А - положительной гауссовой кривизны; Б - отрицательной: а - формообразование и параметры поверхности переноса; б, в - поверхности тора положительной и отрицательной кривизны; г - поверхность гипара;

д - схема разрезки поверхности двоякой кривизны на элементы цилиндрической формы; е - то же, по поверхности тора: 1- радиальные секущие плоскости; 2 - то же, вертикальные; ж - параметры однолепесткового гипара; В - общий вид и план спортивного зала в Сидзуока (Япония) с покрытием одним «лепестком» гипара

Рис.12. Пологие оболочки.

Литература:

1. Дыховичный Ю. А., Жуковский Э. 3. Д91 Пространственные составные конструкции: Учеб. пос. для студ. по спец. «Пром. и гражд. строит.» — М.: Высш. шк., 1989. —288 с.

2. Кирсанов Н.М. Висячие системы повышенной жесткости. М.: Стройиздат, 1973. -116с.

3. Людковский И.Г. Проектирование и возведение комбинированных висячих покрытий // Бетон и железобетон. №4, 1979

4. Ведеников Г.С. Влияние параметров конструкций и нагрузки на точность расчетов несущих систем висячих покрытий // Металлические конструкции, работы школы проф.Н.С.Стрелецкого. М.: Стройиздат, 1966.

Л5. Купольные покрытия, принципы конструирования куполов.

Содержание:

1. Купольные покрытия.

2. Приближенный расчет куполов – оболочек.

3. Конструктивные формы сетчатых куполов.

4. Конструктивные элементы куполов.

5. Несущий каркас.

6. Принципы конструирования куполов

Литература

1. КУПОЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ.

Купольные покрытия используются в основном для зданий и сооружений круглых или овальных в плане (спортивно-зрелищных и выставочных залов, цирков, планетариев и др.).Особенно увеличилось использование куполов в последние годы в связи со значительным увеличением строительства храмов и других культовых сооружений. Также применяют для покрытия как зрелищных сооружений (цирков, спортивных залов), так и отдельных производственных объектов (литейных дворов доменных печей объемом 3200 м3 и больше, зданий испытательных стендов). Основой купольного покрытия является купол. Купол представляет собой пространственную конструкцию, состоящую из оболочки с вертикальной осью вращения и опорного кольца. При наличии центрального проёма в вершине купола устраивают фонарное кольцо. В зависимости от очертания образующий купол может быть сферическим (рис. 1), коническим (рис.2), эллиптическим (рис. 3) и др.

рис.1. Сферический купол.

рис.2. Конический купол (D).

По конструктивным схемам купола подразделяются на: купола-оболочки (гладкие или ребристые), ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые с решетчатыми связями сетчатые купола.

Форма очертания поверхности оболочки купола определяется архитектурными, конструктивно-планировочными и другими требованиями, обеспечивающими экономичность конструктивного решения и простоту изготовления. Оболочка купола может проектироваться монолитной или сборной. Монолитные купола делаются гладкими, а сборные – из ребристых панелей. Купола-оболочки. Они имеют поверхность, образованную вращением плоской кривой (в виде дуги круга, эллипса, параболы, циклоиды или комбинации из них) вокруг вертикальной оси. Элементами купола являются осесимметричная континуальная тонкостенная оболочка вращения и растянутое опорное кольцо. При необходимости устраивается верхнее сжатое фонарное кольцо. Оболочка купола может быть образована также волнистыми и складчатыми элементами. Купола-оболочки проектируются преимущественно из железобетона.

рис. 3. Конструктивные схемы куполов.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями. Они образуются многогранниками, вписанными в поверхность вращения. Они состоят из радиальных ребер и колец, между которыми располагаются раскосы. Наличие последних уменьшает усилия в ребрах и кольцах. Распор купола воспринимается растянутым опорным кольцом. Вверху все радиальные ребра соединяются верхним кольцом, служащим одновременно для устройства светового фонаря. Ребристо-кольцевые и ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями выполняются, как правило, металлическими. Известны два типа куполов, принципиально отличающиеся своими конструктивными решениями и схемой работы: ребристые и сетчатые. Ребристые купола всегда монтируют с применением временной опоры, которую располагают по оси купола. Они могут быть железобетонными, металлическими и деревянными. В первом случае по каркасу из ребер могут быть уложены тонкостенные железобетонные плиты. Тогда ребристый купол превращается в купол-оболочку при условии, если конструктивными приемами обеспечивается совместная работа плит с ребрами. Сетчатые купола представляют собой пространственную стержневую систему с треугольными ячейками. Такие купола представляют собой многогранники, вписанные в сферическую или другую поверхность вращения и состоящие из одного слоя конструктивных элементов. Такие купола проектируются в основном металлическими; они могут быть выполнены также из дерева или железобетона. Купола, не являющиеся поверхностями вращения, могут быть скомпонованы в результате использования оболочек двоякой кривизны или цилиндрических оболочек, пересекающихся в меридиональных плоскостях, образуя углы перелома поверхности. Такие конструкции называют составными полигональными оболочками или многоугольными куполами.

Первым на временной опоре собирают верхнее опорное кольцо, являющееся конструктивным элементом купола. Для возможности выверки его положения по высоте, а в последующем - раскружаливания всего собранного купола, между временной опорой и опорным кольцом устанавливают домкраты. Обслуживание домкратов, сборку опорного кольца и раскружаливание выполняют с рабочей площадки, организуемой на временной опоре. Опорное кольцо должно быть точно выверено не только по высоте, но и в плане, так как его положение во многом определяет геометрию всего купола. Далее монтируют в определенном порядке несущие элементы - ребра купола, которые предварительно укрупняют на всю длину, чтобы исключить необходимость устройства дополнительных промежуточных опор. Сначала устанавливают по любому диаметру одно ребро против другого, затем - два других в перпендикулярной плоскости. Далее в каждом из четырех образовавшихся секторов последовательно монтируют по одному ребру, равномерно заполняя всю окружность купола. Такая последовательность установки ребер исключает одностороннюю нагрузку на опорное кольцо, что уменьшает деформации временной опоры (отклонение от вертикали) и облегчает выверку и соблюдение заданной геометрической формы купола. При малой жесткости ребер из плоскости устойчивость одного ребра не обеспечивается. В этом случае ребра либо попарно укрупняют вместе с распорками и связями и, сохраняя общий порядок, монтируют блоками, либо (при недостаточной грузоподъемности крана) устанавливают в проектное положение не по одному, а по два ребра, соединяя их наверху связями в жесткий блок. До установки постоянных связей устойчивость ребер обеспечивают парными расчалками. Раскружаливание выполняют после проектного закрепления всех конструкций, включая нижнее опорное кольцо, воспринимающее распор, при опирании ребер купола не на землю, а на вышерасположенные конструкции. Примером монтажа ребристого купола может служить здание нового цирка в Москве. Монтаж конструкций выполнен радиально-поворотным устройством (РПУ) грузоподъемностью 30 т, скомплектованным из элементов козлового фана К-184. Вначале с помощью мачты были смонтированы центральная временная опора высотой 34 м, а на ней - верхнее опорное кольцо купола. Затем на кольцевой рельсовый путь радиусом 51, 5 м установили и временно расчалили наружную опору РПУ. Ригель крана, предварительно собранный вместе со шпренгелём на земле, подняли и установили в проектное положение монтажным порталом. Радиально-поворотным устройством осуществлен монтаж не только несущих конструкций купола, но и ограждающих панелей, изготовленных из легких сплавов. В зависимости от размеров купола (пролета, высоты) для монтажа конструкции могут быть применены гусеничные, башенные или рельсовые краны, располагаемые либо снаружи на двух параллельных или на одном кольцевом пути, либо внутри купола при отсутствии подземных сооружений.

Сетчатые купола не имеют определенной последовательности монтажа. Методы их возведения определяют конструктивные решения, которые, в свою очередь, зависят от принципиальной схемы монтажа. Сетчатые купола необходимо проектировать с участием монтажных организаций. Оболочка купола выполняется с использованием бетона классов В15 – В20. Опорное кольцо делается, как правило, предварительно- напряжённым, поэтому для него рекомендуется использовать бетон классов В25 – В40. В качестве напрягаемой арматуры рекомендуется применять преимущественно канаты классов К1400 (К-7) и К1500 (К-19) или высокопрочную проволоку Вр1200 (Вр-II). Допускается применять стержневую арматуру классов А600 (А-IV), А800 (А-V). В качестве ненапрягаемой арматуры чаще всего используют стержневую класса А-400 (А-III) и арматурную проволоку А-500 (Вр-I). Основными габаритными размерами купола являются: диаметр D, стрела подъёма f, размеры поперечного сечения опорного кольца hk, bk, толщина оболочки Диаметр купола определяется заданием на проектирование. Размеры поперечного сечения опорного кольца рекомендуется назначать по данным осуществлённых проектов. Допускается размеры сечения опорного кольца назначать, руководствуясь следующими рекомендациями. Ширина сечения bk назначается из условия опирания опорного кольца на поддерживающие его конструкции. Высоту hk рекомендуется принимать из условия размещения рабочей арматуры. Толщина оболочки назначается по конструктивным соображениям. Для монолитных куполов толщину оболочки рекомендуется принимать равной 1/600 радиуса кривизны купола, но не менее 50 мм. В сборных куполах минимальная толщина плиты принимается равной 30 мм. Сетчатые купола состоят из определенного числа одинаковых зеркально симметричных секторов, чем-то напоминающие матрасы. Форма поверхности вращения может быть самой разнообразной, но наиболее часто встречается сферическая. Длины всех конструктивных элементов одинаковые, а их соединение однотипные и не очень сложные. Узловая соединительная деталь изготавливается в форме звезды с шестью лучами. Каждый луч имеет в своем основании утонченный участок, который воспринимает возможность пластического отгиба. Крепление стержней осуществляется двумя высокопрочными болтами. Причем, для внутреннего болта отверстие сверлится точно по диаметру самого болта. Для наружного - отверстие выполняется на 1-2мм больше, что делает возможным поворот стержня по лучу узловой детали на требуемый угол. Поверх стержней каркаса укладываются треугольные алюминиевые листы толщиной 1-1, 2мм, которые являются покрытием купола. Листы соединяются внахлест и крепятся к стержням каркаса при помощи прижимных реек в форме тавра. Водонепроницаемость обеспечивается нетвердеющим герметиком по всей линии стыка. Несущая конструкция ребристого купола представляет собой систему радиальных полуарок - ребер, которые соединяются между собой вверху верхним кольцом. В нижней части ребра опираются на нижнее опорное кольцо, которое воспринимает распорные усилия полуарок. На фундамент купола передаются только вертикальные нагрузки. При благоприятных грунтовых условиях нижнее опорное кольцо может отсутствовать. Тогда распорные усилия передаются полностью на фундамент. Верхнее кольцо воспринимает сжимающие усилия. При несимметричном приложении нагрузок в нем могут возникнуть изгибающие и крутящие моменты. Размер диаметра верхнего кольца определяется размещением узлов крепления полуарок. Эти узлы конструируются жесткими. Нижнее кольцо представляет собой многоугольник. Число его сторон равно числу ребер. Иногда кольцо могут выполнять в форме круга, но тогда следует учитывать возникающие местные моменты кручения. Ребра могут быть сплошного и сквозного сечения. Сплошные ребра значительно тяжелее, но проще в изготовлении. Обычно их изготавливают из металлических прокатных профилей. Нагрузки от покрытия кровли передаются на ребра купола через прогоны, которые монтируют на верхнем поясе ребер. Для обеспечения пространственной жесткости купола в двух и более секторах устанавливают связи по наружным поясам ребер. Система связей и прогонов вместе обеспечивает общую устойчивость купольной системы. Размеры высоты купола и его отношения к диаметру назначаются исходя из архитектурных и композиционных требований. Очертание купола принимается круговым, но иногда центр окружности смещают с центральной оси. Такие купола по своей форме называют тороидальными. Для покрытия большепролетных конструкций часто применяют эллиптическое очертание купола. Наиболее выгодными по конструктивной схеме считаются ребристо-кольцевые купола. Такие купола представляют собой соединенные меридиональные ребра при помощи колец. Но такой вид куполов очень сложен с точки зрения проектирования и монтажа. Монтаж купольных покрытий осуществляется с использованием стационарных или передвижных опор в виде башен или мачт. Обычно используется только одна центральная опора, на которой закрепляют верхнее кольцо. Полуарки предварительно монтируются на земле и устанавливаются попарно друг напротив друга, опирая их верхнее и нижнее кольцо. После завершения монтажа каркаса купола башня убирается. При монтаже сетчатых куполов применяются сплошные леса.

Формообразование куполов. Железобетонные купола проектируют преимущественно в виде оболочек. Эти конструкции покрытий выполняют сборно-монолитными или монолитными. Монолитные купола устраиваются гладкими, а сборно-монолитные — из ребристых цилиндрических или плоских плит. Стальные купола. Наиболее ограниченную область применения, причем для относительно небольших пролетов, имеют цилиндрические оболочки, а также предварительно напряженные железобетонные складки. Область применения куполов охватывает как средние, так и большие пролеты. Оболочки в виде гиперболических параболоидов более характерны для средних пролетов. Пневматические оболочки (купола) рекомендуется применять для небольших и средних пролетов, вантовые покрытия — для зданий и сооружений больших пролетов. Стальные купола рекомендуется применять в тех случаях, когда требуются большие пролеты. Ограниченная область применения вантовых покрытий для производственных зданий и сооружений связана с особенностями эксплуатации этих видов зданий и пока небольшим опытом применения их в промышленности.

Конструктивное решение купола из крупноразмерных цилиндрических плит. Подъем куполов рекомендуется принимать не менее 1110 от пролета оболочки. Все плиты получаются меридиональными сечениями и поэтому принимаются в этом варианте однотипными. Трапециевидные элементы имеют цилиндрическую поверхность, длина их равна примерно половине длины купола (до 10...20 м в зависимости от пролета купола). Купола при этом компонуются одноярусными. Опорные кольца, как нижнее растянутое, так и верхнее сжатое, выполняются из отдельных железобетонных элементов или стальных прокатных профилей, которые после возведения бетонируют. Нижнее железобетонное опорное кольцо, как правило, подвергается предварительному напряжению или, реже, выполняется без предварительного напряжения.

Купол из плоских плит. Эта модификация купола получена разрезкой оболочки кольцевыми и меридиональными сечениями. При таком расчленении каждый ярус собирается из плит одного типоразмера, поэтому число типоразмеров плит в куполе этого типа равно числу ярусов. Поскольку плиты при этом можно получить сравнительно небольших размеров, их поверхность можно принять плоской, а конструктивная форма в целом представляет собой многогранник, вписанный в сферу, конус или другие поверхности вращения.

1 — плита; 2 — верхнее кольцо; 3 — нижнее опорное кольцо.

рис.4. Купола из крупноразмерных цилиндрических плит.

Нижнее опорное кольцо выполняется по аналогии с п. 1, верхнее кольцо создают замоноличиванием верхних окаймляющих ребер плит верхнего яруса. Возможно также выполнение верхнего кольца железобетонным или металлическим в виде отдельного элемента.