Пространственные большепролетные
Конструкции Покрытий
Пространственные большепролетные конструкции покрытий включают в себя плоские складчатые покрытия, оболочки, перекрестно-ребристые покрытия, стержневые конструкции из металла, висячие (вантовые) конструкции и пневматические конструкции.
Плоские складчатые покрытия, оболочки, перекрестно-ребристые покрытия и стержневые конструкции выполняются из жестких материалов (железобетон, металлические профили, дерево и др.).
За счет пространственной работы конструкций (несущие и ограждающие конструкции работают совместно) жесткие пространственные покрытия имеют небольшую массу, что снижает расходы как на устройство покрытия, так и на устройство опор и фундаментов.
Висячие (вантовые) и пневматические покрытия выполняются из нежестких материалов (металлические тросы, металлические листовые мембраны, мембраны из синтетических пленок и тканей). Они в значительно большей степени, чем пространственные жесткие конструкции, позволяют быстро возводить сооружения.
Пространственные конструкции дают возможность создавать самые разнообразные формы зданий и сооружений.
Однако возведение пространственных конструкций требует более сложной организации строительного производства, высокой культуры производства и высокого качества всех строительных работ.
Плоские складчатые покрытия
Складкой называют пространственное покрытие, образованное плоскими взаимно пересекающимися элементами.
|
|
|
Складки состоят из ряда повторяющихся в определенном порядке элементов, опирающихся по краям и в пролете на диафрагму жесткости.
Рис. 9.1. Плоские складчатые покрытия:
а – пилообразная складка; б – трапециидальная складка; в – шатровая складка; 1 – сплошная диафрагма (стенки); 2 – рамная диафрагма жесткости
Бывают складки пилообразные, трапециидальные, шатровые (четырехугольные и многогранные) и другие (рис. 9.1, а-в).
Складки могут быть выпущены за пределы крайних опор, образуя консольные свеси. Толщину плоского элемента складки принимают около 1/200 пролета, высоту элемента – не менее 1/10 пролета, а ширину грани – не менее 1/5 пролета. Складками обычно покрывают пролеты до 50 ÷ 60 м, шатрами до 24 м.
Складчатые конструкции обладают целым рядом положительных качеств:
– простота формы и соответственно простота их изготовления;
– большие возможности заводского сборного изготовления;
– экономия высоты помещения и др.
Одним из примеров применения плоской складчатой конструкции трапециидального профиля является покрытие зала ожидания Курского вокзала в Москве, выполненном при его реконструкции в 1972 г.
|
|
|
Оболочки одинарной кривизны
Тонкостенные оболочки являются одним из видов пространственных конструкций и используются при строительстве зданий и сооружений с помещениями больших площадей (ангаров, стадионов, рынков и т.п.). Тонкостенная оболочка представляет собой изогнутую поверхность, которая при минимальной толщине и соответственно малой массе и расходе материала обладает очень большой несущей способностью, потому что благодаря криволинейной форме действует как пространственная несущая конструкция.
В плоскостных большепролетных конструкциях покрытия, рассмотренных нами ранее, сопротивление возникающим усилиям сосредотачивается в несущих стойках, ригелях и других элементах несущих конструкций.
В оболочках же это сопротивление распределяется непрерывно по всей их криволинейной поверхности, т. е. так, как это свойственно пространственным несущим системам. По расходу бетона оболочки экономичнее плоских систем на 30 %, по расходу металла – на 20 %.
В настоящее время строительство оболочек в железобетоне получило достаточно широкое развитие, в то время как в металле и дереве эти конструкции имеют пока ограниченное применение, так как не найдены еще достаточно простые, свойственные металлу и дереву конструктивные формы оболочек.
|
|
|
Оболочки в металле могут выполняться цельнометаллическими, где оболочка выполняет одновременно функции несущей и ограждающей конструкций в один, два и более слоев.
При надежной конструктивной разработке строительство оболочек может свестись к индустриальной сборке крупных панелей.
Однослойные металлические оболочки выполняются из стального или алюминиевого листа. Для увеличения жесткости оболочек иногда вводятся поперечные ребра. При частом расположении поперечных ребер, связанных между собой по верхнему и нижнему поясам, можно получить двухслойную оболочку.
Оболочки бывают одинарной и двоякой кривизны.
К оболочкам одинарной кривизны относятся оболочки с цилиндрической и конической поверхностями (рис. 9.2, а – в).
Цилиндрические оболочки имеют круглое, эллиптическое или параболическое очертание и опираются на торцевые диафрагмы жесткости, которые могут быть выполнены в виде стен, ферм, арок или рам. В зависимости от длины оболочек их делят на короткие и длинные. Оболочка считается короткой при соотношении ширины (длины волны) к пролету (расстояние между торцевыми диафрагмами) до 1:1,5 и длинной – при большем соотношении (рис. 9.2, а; б).
|
|
|
Рис. 9.2. Оболочки одинарной кривизны:
а, б – длинная и короткая цилиндрические оболочки; в – коническая оболочка; г – основные элементы сборной железобетонной длинной цилиндрической оболочки; д – сборные длинные и короткие цилиндрические оболочки; 1 – образующая; 2 – диафрагма; 3 – оболочка; 4 – сборная диафрагма жесткости (сплошная диафрагма, арочная, рамная); 5 – сборный железобетонный бортовой элемент; 6 – сборная железобетонная цилиндрическая секция; 7 – плоский элемент покрытия короткой цилиндрической оболочки
По продольным краям длинных оболочек предусматриваются бортовые элементы (ребра жесткости), в которых размещается продольная арматура, позволяющая работать оболочке вдоль продольного пролета подобно балке. Кроме того, бортовые элементы, воспринимающие распор от работы оболочек в поперечном направлении, должны обладать достаточной жесткостью и в горизонтальном направлении, т. е. вдоль длины волны.
Длина волны l длинной цилиндрической оболочки обычно не превышает 12 м.
Сборные длинные цилиндрические оболочки членятся обычно на цилиндрические секции, бортовые элементы и диафрагмы жесткости, арматура которых в процессе монтажа сваривается между собой и замоноличивается.
Длинные цилиндрические оболочки целесообразно применять для покрытий больших помещений с прямоугольным очертанием в плане.
Применение этих оболочек практически ограничено пролетами L не свыше 50 м, так как за этим пределом высота бортовых элементов (ранд-балок) получается чрезмерно большой (рис. 9.2, д).
Короткие цилиндрические оболочки по сравнению с длинными имеют большую величину длины волны и стрелы подъема. Кривизна коротких цилиндрических оболочек соответствует направлению наибольшего пролета перекрываемого помещения. Форма кривой может быть представлена дугой круга или параболой. В связи с опасностью выпучивания в коротких оболочках в большинстве случаев вводятся поперечные ребра жесткости. Кроме бортовых элементов эти оболочки для восприятия горизонтальных поперечных сил должны иметь затяжки. Короткие сборные оболочки выполняются из плоских элементов (рис. 9.2, г).
Оболочки двоякой кривизны
Переход от оболочек одинарной кривизны к оболочкам двоякой кри-визны знаменует собой новый этап в развитии оболочек. Если в цилинд-рических оболочках действие изгибающих усилий было весьма значительно, то в оболочках двоякой кривизны действие этих усилий сводится к минимуму.
Среди множества оболочек двоякой кривизны можно выделить две группы:
– оболочки с одинаковым направлением одной и другой кривизны – купола, оболочки с поверхностью переноса – эллиптические параболоиды, сферические оболочки и другие (рис. 9.3);
– оболочки с противоположным направлением второй кривизны – коноиды, однополые гиперболоиды, гиперболические параболоиды (рис. 9.4).
Купола. Купол, в основании которого круг, имеет поверхность, образованную вращением кривой линии (арки) вокруг центральной вертикальной оси. В зависимости от образующей кривой купола могут иметь сферическую форму, параболическую, стрельчатую и эллиптическую. Усилия в них распределяются равномерно, и материал используется наиболее эффективно. Выпуклая форма купольных покрытий обеспечивает возможность применения простой системы отвода атмосферных вод. Эти качества куполов послужили причиной их широкого применения для большепролетных покрытий общественных зданий. Вместе с тем купольные покрытия увеличивают строительный объем помещений, особенно при большой стреле подъема. Купола неблагоприятны в акустическом отношении, так как форма покрытия способствует фокусированию звуковой энергии. Для возведения куполов необходимо применение лесов, подмостей и других специальных устройств. Современные купольные покрытия осуществляются из железобетона, армоцемента, металла и дерева и могут быть решены в сплошных и стержневых конструкциях.
Рис. 9.3. Оболочки двоякой положительной кривизны:
а – гладкий купол; б – ребристый купол; в – ребристо-кольцевой купол; г – сетчатый купол; д – геодезический или многогранный купол; е – волнистый купол; ж, и – оболочки двоякой положительной кривизны; ж – оболочка с поверхностью переноса(эллиптический параболоид); з – сферическая оболочка; и, к – сборные оболочки; 1 – парабола (направляющая); 2 – эллипс, круг (образующая); 3, 4 – круг, парабола (образующие или направляющие); 5 – круг, парабола (образующая); 6 – диафрагмы в виде ферм; 7 – криволинейные сборные элементы; 8 – плоские элементы
Распор от купола, как правило, воспринимается нижним опорным кольцом, работающим на растяжение, выполняемым из железобетона или металла. В верхней части куполов может устраиваться отверстие для световых и аэрационных фонарей.
Это отверстие обрамляется верхним опорным кольцом, испытывающим сжимающие усилия.
Современные купола по своим конструктивным формам могут быть подразделены: на гладкие, ребристые, ребристо-кольцевые, сетчатые, геодезические и волнистые (рис. 9.3, а-е).
Гладкие купола (рис. 9.3, а) имеют гладкие внутреннюю и внешнюю поверхности, их осуществляют, как правило, из железобетонных монолитных конструкций. В нижней части железобетонных куполов оболочка утолщается и соединяется с опорным кольцом.
Ребристые купола (рис. 9.3, б) образуются с помощью полуарок прямо-угольного сечения или сегментных форм (ребер), по которым укладывается ограждающая конструкция. Ребра опираются на нижнее растянутое кольцо и верхнее сжатое опорное кольцо, на котором может быть размещен световой или аэрационный фонарь. Между ребрами устанавливаются прогоны и связевые элементы, обеспечивающие пространственную жесткость ребристого купола.
Усилия в куполе действуют в меридиональном и широтном направлениях. По меридиану возникают сжимающие напряжения, по широтам, начиная с вершины до известного предела, возникают сжимающие напряжения, переходящие постепенно в растягивающие, которые достигают своего максимума у нижнего края купола.
Ребристо-кольцевые купола (рис. 9.3, в) помимо меридиональных ребер имеют соединенные с ними горизонтальные кольца, придающие конструкции пространственную жесткость и воспринимающие усилия распора. Ребра и кольца образуют пространственный каркас купола, в связи с чем ограждающая конструкция может быть очень легкая и может работать совместно с каркасом, если конструкции куполов из железобетона и дерева, или быть только ограждением, что характерно для металлических ребристо-кольцевых куполов. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах возможно применение светопрозрачных ограждений между ребрами и кольцами в виде остекления, стекложелезобетонных конструкций и т.п.
В нашей стране получили применение сборные ребристо-кольцевые купола из железобетонных ребристых панелей, ребра которых образуют меридиональные ребра и кольца купола. Разрезка на сборные элементы производится по кольцевым и меридиональным линиям. Возведение сборных куполов осуществляется индустриальными методами с использованием инвентарных лесов и подмостей или системой специальных оттяжек, без лесов. В качестве примера применения покрытия такой формы можно привести сборный ребристо-кольцевой купол здания цирка в Киеве. Он имеет пролет 42,8 м, стрелу подъема 7,72 м.
Сетчатые купола (рис. 9.3, г) представляют собой системы стержней (прямолинейных или изогнутых) с узловыми соединениями, вписанными в сферическую поверхность.
В качестве стержней используются стальные и алюминиевые трубы. Сетчатая конструкция обеспечивает единство пространственной работы системы, позволяет снизить вес покрытия и эффективно использовать светопрозрачные ограждения. Наибольшую сложность представляет конструкция узловых соединений, где сходятся в одной точке 6 ÷ 8 и более стержней. В этой связи разработаны специальные конструкции узловых креплений, позволяющие достаточно просто монтировать и надежно скреплять стержни, сходящиеся в узле с разных направлений[6].
Геодезический купол (или многогранный) представляет собой многогранник, по форме близкий к сферической поверхности (рис. 9.3, д), грани которого треугольные, ромбические или многоугольные элементы. Конструктивное решение этих куполов аналогично сетчатым куполам. Благодаря легкости, транспортабельности, простоте монтажа (без лесов) такие конструкции получили большое распространение в практике строительства выставочных павильонов и других большепролетных сооружений.
Волнистые (и складчатые) купола (рис. 9.3, е) имеют поверхность, состоящую из оболочек двоякой кривизны или складок, сходящихся к полюсу купола. Придание поверхности купола складчатого или волнистого очертания увеличивает его поверхность, усложняет устройство утепления кровли, а также выполнения опалубки или изготовления сборных элементов. Пространственная жесткость таких покрытий обеспечивается ребрами, образующимися по линиям пересечений оболочек от опор до полюса купола. В качестве примера такой конструкции купола можно привести покрытие нового цирка в Москве, выполненного в виде стального складчатого купола с нижним опорным кольцом диаметром 65 и верхним – 8,5 м.
Оболочки с поверхностью переноса и сферические парусные оболочки.
Оболочки с поверхностью переноса применяют при покрытии прямоугольных или многоугольных в плане помещений. Опираются такие оболочки на диафрагмы по всем сторонам многоугольника.
Поверхность тонкостенной оболочки переноса (оболочки двоякой положительной гауссовой кривизны – бочарный свод) образуется путем перемещения кривой кругового, параболического или эллиптического очертания по другой кривой, при условии, что обе кривые вогнуты к верху и находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 9.3, ж).
Сферические парусные оболочки (парусный свод) образуются в том случае, когда сферическая поверхность ограничивается вертикальными плоскостями, построенными на сторонах квадрата. Диафрагмы жесткости в этом случае одинаковы для всех четырех сторон (рис. 9.3, з).
Оболочки, имеющие отношение стрелы подъема к пролету 1/1 ÷ 1/4, называются вспарушенными, а 1/5 ÷ 1/6 – пологими. Эти оболочки широко используются в зальных помещениях прямоугольной формы в плане общественных зданий (крытые рынки, выставки, и др.). Как правило, оболочки выполняются в сборных конструкциях (рис. 9.3, и; к).
При разрезке оболочек на сборные элементы большое значение имеет сохранение плавного очертания поверхности, так как переломы в местах стыков сборных элементов значительно ухудшают статическую работу. Крупные сборные элементы (3x6; 3x12 м) изготовляются криволинейного очертания по образующей кривой (рис. 9.3, и). В большепролетных покрытиях общественных зданий (крытые рынки, выставки и др.), где переломы в стыках менее значительны, применяются оболочки двоякой кривизны из плоских ребристых панелей (рис. 9.3, к) размером 3x3 или 4x4 м. Распор воспринимается контурными преднапряженными балками арочного очертания или контурными диафрагмами, опирающимися на колонны. Как показывают расчеты и опыт, сборные оболочки двоякой кривизны по сравнению с плоскими системами в покрытиях пролетов 30 ÷ 36 м позволяют значительно снизить расход бетона (25 ÷ 30 %), стали (15 ÷ 20 %), а также общую стоимость строительства. При увеличении пролетов эти преимущества сводов-оболочек двоякой кривизны возрастают, но вместе с тем возрастают трудоемкость и стоимость монтажа.
Примером сферической оболочки может служить вспарушенная оболочка покрытия выставочного павильона в Ереване. Павильон имеет квадратную форму в плане со сторонами 45x45 м и стрелой подъема свода 15 м.
Оболочки с противоположным направлением одной и другой кривизны.
К ним относятся коноиды, однополые гиперболоиды вращения и гиперболические параболоиды.
Коноид[7]. При образовании коноида образующая прямая опирается на кривую и на прямую линии (рис. 9.4, а). В результате получается поверхность с противоположным направлением одной кривизны. Коноид применяется главным образом для шедовых покрытий и дает возможность получать множество разнообразных форм.
Направляющая кривой коноида может быть параболой или круговой кривой.
Коноидальная оболочка в шедовом покрытии позволяет обеспечить естественное освещение и проветривание помещений.
Опорными элементами коноидных оболочек могут являться арки и рандбалки, а также и другие конструкции. Обычная величина пролетов коноидных оболочек – от 18 до 60 м.
Возникающие в оболочке коноида растягивающие напряжения передаются на жесткие диафрагмы. Нагрузка оболочки коноида воспринимается четырьмя опорами, размещаемыми обычно в четырех угловых точках оболочки.
Однополый гиперболоид вращения (гиперболические оболочки). Образующая прямая однополого гиперболоида вращения оборачивается вокруг оси, с которой она не пересекается в наклонном положении (рис. 9.4, б). При пересечении этой прямой возникают как бы две системы образующих, пере-
секающихся на поверхности оболочки. Можно, естественно, представить себе, что однополый гиперболоид образуется вращением гиперболы, обращенной выпуклой стороной к оси вращения, кривая которой образована гиперболой. 
Рис. 9.4. Наиболее распространенные формы оболочек двоякой кривизны:
а – коноид; б – однополый гиперболоид; в, г – гиперболический параболоид;
1 – круг, парабола (направляющая); 2 – прямая (направляющая); 3 – прямая (образующая); 4 – ось вращения; 5 – круг, эллипс, парабола (направляющие); 6 – гипербола;
7 – парабола с вершиной вверх; 8 – парабола с вершиной вниз; 9 – прямые образующие линейчатую поверхность
Гиперболический параболоид (называется сокращенно «гипара»).
Образование поверхности гиперболического параболоида определяется двумя системами непараллельных и непересекающихся прямых (рис. 9.4, в; г), которые называются направляющими линиями. Каждая точка по поверхности гиперболического параболоида является точкой пересечения двух образующих, входящих в состав поверхности.
Если рассечь поверхность оболочки плоскостями, параллельными плоскости, равноделящей угол между направляющими линиями, то линии сечений получат в одном случае форму парабол, в другом – форму гипербол. Поверхность гиперболического параболоида может быть образована и путем перемещения параболы вдоль другой параболы с противоположным направлением кривизны.
При равномерно распределенной нагрузке напряжения во всех точках поверхности гипара имеет постоянную величину. Это объясняется тем, что усилия растяжения и сжатия одинаковы для каждой точки. Вот почему гипары обладают большой сопротивляемостью к выпучиванию. Когда оболочка под действием нагрузки стремится прогнуться, растягивающее напряжение в направлении нормальном к этому давлению автоматически возрастает. Это позволяет выполнять оболочки малой толщины часто без окаймляющих бортовых элементов.
Покрытия в форме гипаров осуществляются из железобетона: монолитного или сборного, армоцемента, металла и дерева, как правило, с гладкой внутренней поверхностью, с контурными ребрами, а также в некоторых случаях с ребристой внутренней поверхностью. Сборные элементы собираются из железобетонных или армоцементных плит размерами 2x3 и 3x3 м. Оболочки в форме гипаров создают распор, воспринимаемый преднапряженными затяжками, контурными ребрами или их сочетанием.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 4224; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!