Цилиндрические оболочки
Лекция 21
Современные пространственные деревянные конструкции: примеры конструктивных решений и особенности расчета. Пологие оболочки на прямоугольном плане, купола, структурные конструкции, висячие конструкции, гипары и др.
Рис. 21.2. Цилиндрические оболочки: длинная (а), короткая (б); конструктивное решение
Цилиндрические оболочки
Цилиндрические оболочки различают длинные и короткие. Длинные цилиндрические оболочки имеют контурные диафрагмы и бортовые элементы, систему криволинейных и прямолинейных ребер, элементы ограждения. В угловых зонах необходимо предусмотреть элементы, воспринимающие сдвиг в плоскости оболочки (рис. 21.2).
Другой пример коротких цилиндрических оболочек малого пролета – это своды из криволинейных панелей совмещенного типа, предназначенные для покрытий галерей производственных зданий. Размеры таких панелей (1,2-1,5)х(9-15) м.
Приближенный расчет криволинейных панелей и аналогичных по конструкции полигональных сводов можно свести к расчету двух или трехшарнирных арок с учетом частичного включения обшивки в работу свода[3].
Купола
Деревянные купола часто встречаются в строительной практике, так как имеют достаточно простое и эффективное конструктивное решение. Основные элементы, куполов (ребра или гурты), работают в основном на сжатие и внецентренное сжатие.
Среди ребристых куполов различают радиальные и радиально-кольцевые системы, состоящие из меридиональных ребер, кольцевых прогонов, связей жесткости, внутреннего и наружного опорных контуров, а также элементов ограждения (рис. 21.5). Ограждающие конструкции могут быть включены в общую работу пространственной конструкции. Внутренне кольцо сжато, а наружное растянуто. Расчет ребристого купола (приближенно) можно свести к расчету отдельно взятой арки, нагрузка на которую собирается с треугольного сектора.
Сетчатые сферические купола [4] могут быть созданы двумя основными способами.
Первый способ предполагает деление сферической поверхности на равновеликие сектора, в границах которых тем или иным образом строится треугольная сеть.
С помощью этого приема были разработаны купола Шведлера, Фёппля, Чивитта, Чебышева и др.
Второй способ построения конструктивной сети основан на использовании геометрии правильных многогранников (додекаэдра и икосаэдра), вершины которых служат исходными узловыми точками будущей сети.
Во всех случаях сетчатые купола образованы отдельными короткими стержнями, образующими пространственную систему из выпуклых многогранников, вписанных в сферическую поверхность. Специально разработанные узловые элементы стержней позволяют получать конструкции пролетом свыше 100 м из сравнительно коротких элементов.
Рис. 21.5. Конструкции ребристых куполов
21.5. Оболочки отрицательной Гауссовой кривизны (гипары) [6].Преимуществом гипаров является то, что они относятся к так называемым линейчатым, развертывающимся поверхностям. Другими словами сложная пространственная форма может быть образована из прямолинейных элементов. Имеется два основных способа конструирования гипаров (рис. 21.10). Способ 1: оболочка гипара образована системой перекрестных дощатых настилов, расположенных параллельно главным диагоналям опорного контура. Замкнутый опорный контур выполняется из клееных балок. Способ 2: оболочка формируется из слегка скрученных фанерных панелей-полос. Гипары пролетами 6-18 м достаточно просты в устройстве и в ряде регионов имеют популярность (Кишинев, Одесса, Таллинн). Башни в форме гиперболического параболоида стержневой системы, в том числе деревянные, впервые были предложены выдающимся инженером В.Г. Шуховым.
Рис. 21.10. Конструктивное решение гипара
21.6. Висячие конструкциис использованием в качестве основного несущего элемента деревянных вант из высококачественной клееной древесины не только необычны и выразительны по форме, но и достаточно экономичны, поскольку прочность отборной древесины на растяжение очень высока. В зависимости от соотношения усилий от изгиба и сжатия, а также соответствующих жесткостей различают гибкие и жесткие (например, «обратные» арки) ванты. Для гибких вантовых конструкций важнейшей задачей является стабилизация формы покрытия.
[1] Исследования оболочек на прямоугольном плане выполняли: К.П.Пятикрестовский, С.Б.Турковский, А.В.Тюрин
[2] См. работы К.П. Пятикрестовского
[3] Исследования криволинейных фанерных панелей выполняли: В.П.Герасимов, Пискунов, Д.В.Мартинец
[4] Исследования многогранных куполов выполняли: А.А. Журавлев, Б.В.Миряев
[5] Исследования структурных металлодеревянных систем и систем перекрестных балок выполняли Г.В. Кривцова, В.В. Лабудин, В.Кабанов, Рузиев, Галушко
[6] Исследования деревянных гипаров выполняли В.В.Стоянов, К.Ыйгер
Оболочки
Тонкостенные оболочки являются одним из видов пространственных конструкций и используются в 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 минимальной массе и расходе материала обладает очень большой несущей способностью, потому что благодаря криволинейной форме действует как пространственная несущая конструкция.
Простой опыт с листом бумаги показывает, что очень тонкая изогнутая пластинка приобретает благодаря криволинейной форме бульшую сопротивляемость внешним силам, чем та же пластинка плоской формы. Жесткие оболочки могут возводиться над зданиями любой конфигурации в плане: прямоугольной, квадратной, круглой, овальной и т.п. Даже весьма сложные по конфигурации конструкции могут быть разделены на ряд однотипных элементов. На заводах строительных деталей создаются отдельные технологические линии для изготовления отдельных элементов конструкций. Разработанные методы монтажа позволяют возводить оболочки и купола с помощью инвентарных опорных башен или вообще без вспомогательных лесов, что существенно сокращает сроки возведения покрытий и удешевляет монтажные работы. По конструктивным схемам жесткие оболочки делятся на оболочки положительной и отрицательной кривизны, зонтичные оболочки, своды и купола. Оболочки выполняются из железобетона, армоцемента, металла, дерева, пластмасс и других материалов, хорошо воспринимающих сжимающие усилия. Первая железобетонная купол-оболочка была построена в 1925 г. в Йене. Диаметр ее составлял 40 м, это равно диаметру купола св. Петра в Риме. Масса этой оболочки оказалась в 30 раз меньше купола собора св. Петра. Это первый пример, который показал перспективные возможности нового конструктивного принципа. Появление напряженно-армированного железобетона, создание новых методов расчета, измерение и испытание конструкций с помощью моделей наряду со статической и экономической выгодой их применения – все это способствовало быстрому распространению оболочек во всем мире. Оболочки имеют и еще ряд преимуществ:
Если строительство оболочек в железобетоне получило достаточно широкое развитие, то в металле и дереве эти конструкции имеют пока ограниченное применение, так как не найдены еще достаточно простые свойственные металлу и дереву, конструктивные формы оболочек.
Многоволновые оболочки (волнистые)
Волнистые оболочки широко применяются благодаря их архитектурной выразительности и хорошим экономическим показателям. Наиболее часто применяют двухконсольные оболочки (тип «бабочка») различных геометрических форм для перекрытий ж/д платформ.
Цилиндрические оболочки (рис.3.21) состоят:
В России первые монолитные цилиндрические оболочки (длинные и короткие) появились в 20-х годах, сборно-монолитные – в 50-х годах.
Основные геометрические параметры цилиндрических оболочек – пролет (длина) L, ширина (хорда) B, радиус кривизны-R и толщина оболочки- d.
Рис.3.21 Цилиндрические оболочки:
длинные: а – однопролетная; б – многопролетная; в – многоволновая;
короткие: г – однопролетная; д – многопролетная; е – шедовая;
2 – бортовой элемент;
3 – торцевая диаграмма в виде балки переменного сечения;
Короткие цилиндрические оболочки L/В 3принято считать аркой.
Естественное освещение в большинстве зданий, перекрытых цилиндрическими оболочками, осуществляется через ленточные светопроемы в покрытиях. Площадь отдельных светопроемов может достигать 15% площади оболочки в плане. Длина проема не должна превышать 3/5 длины оболочки.
Пример: ангар в Англии с предварительно напряженными круговыми цилиндрическими оболочками. Покрытие ангара состоит из 3-х отсеков (57х33,5 м), которые бетонировались участками на земле с использованием передвижной опалубки. Затем каждый из блоков покрытия был поднят домкратом в проектное положение с постепенным наращиванием опорных стоек.
Сборные и сборно-монолитные оболочки (рис.3.22)
Для возведения монолитных тонкостенных оболочек необходима деревянная опалубка, выполненная с исключительной точностью. Эти устройства трудоемки и дорогостоящи. Поэтому очевидное преимущество имеет использование сворных элементов заводского изготовления.
Рис.3.22 Сборные короткие оболочки:
а – из ферм и ребристых панелей; б – из панелей КЖС;
1 – сборная ребристая панель; 2 – бортовой элемент;
3 – диафрагма-ферма; 4 – панель КЖС
Первые цилиндрические, волнистые и др. оболочки возводились преимущественно в монолитном железобетоне (примерно до 1950-х гг.)
При конструировании сборных оболочек возникает задача придания конструкции (после ее монтажа) высокой статической эффективности. Статическая жесткость достигается замоноличиванием отдельных узлов и стыков.
Тонкостенные сборные бетонные элементы образуют после сборки поверхность, приближающуюся к идеальной форме оболочки. При этом следует избегать сложных геометрических форм и сопряжений, повышающих трудоемкость конструкции.
В конечном счете система отдельных изолированных плит должна быть превращена в единый совместно работающий элемент пространственной конструкции – оболочку.
Стоимость сборных оболочек выше стоимости монолитных, возводимых индустриальными методами.
Сейчас для сооружения в монолите оболочек сложных форм вместо трудоемкой и дорогостоящей деревянной опалубки и лесов применяют передвижные подмости (их металлических труб и т.п.) или даже специальные механизированные агрегаты (паропрогрев, вакуумирование).
К конструкциям сборных и сборно-монолитных оболочек, помимо цилиндрических относят железобетонные оболочки двоякой кривизны (положительной-гауссовой и отрицательной). Они во многих случаях экономичнее цилиндрических.
Оболочки двоякой кривизны (положительной, отрицательной)
Кроме цилиндрических оболочек разработаны конструкции сборных и сборно-монолитных железобетонных оболочек двоякой кривизны (иногда их называют пологими двояковыпуклыми оболочками) с размерами в плане 12х24, 18х24, 24х24, 36х36, которые по расходу материалов во многих случаях экономичнее цилиндрических (рис.3.23).
Рис.3.23 Оболочка положительной гауссовой кривизны,
опертая по сторонам на различные контурные конструкции:
8 – криволинейная балка
Покрытия с оболочками положительной кривизны на прямоугольном (квадратном) плане являются весьма прогрессивными конструкциями. По расходу материалов они экономичны, допускают редкое размещение опор, благодаря чему создаются благоприятные условия для эксплуатации помещений производственного и общественного назначения. Диапазон пролетов таких конструкций – от 12 до 120 м. оболочки могут быть одиночными или многоволновыми в одном или обоих направлениях. Покрытия этого типа возводят, преимущественно, в железобетоне, реже деревянными.
Для возведения монолитных оболочек необходимо устройство опалубки и поддерживающих лесов. Выполнение на месте строительства опалубочных, арматурных, бетонных и других работ индустриальными методами затруднительно. поэтому для отечественной практики возведение таких оболочек не характерно, тогда как сборные покрытия получили широкое распространение.
Конструктивное решение сборной пологой оболочки зависит от способа возведения и членения на сборные элементы. Чаще всего для нее используют поверхности вращения (сферическую, тороидальную) или круговую поверхность переноса. Сборная оболочка состоит из тонкостенных плит (панелей) и контурных элементов. По форме поверхности плиты могут быть плоскими, цилиндрическими и двойной кривизны.
В отечественной практике сборные покрытия выполняются по рем конструктивным схемам (рис. 3.24). в одной схеме (см. рис. 3.24 а) оболочка переноса выполнена из плоских панелей размерами 3х3 м, усиленных по контуру ребрами. В средней части оболочки применены квадратные, а в краевых областях – ромбовидные панели. В угловых панелях предусмотрены диагональные ребра с каналами для предварительно напрягаемой арматуры. В другой схеме (см. рис. 3.24 б) сферическая оболочка выполнена из цилиндрических панелей размерами 3х12 м и контурных конструкций, имеющих наклонную плоскость. В третьей схеме (см. рис. 3.24 в) оболочка вращения (с горизонтальной осью) разделена на три пояса: средний, состоящий из однотипных цилиндрических ребристых плит, прямоугольных в плане, с размерами 3х6 м, и два крайних пояса – из однотипных цилиндрических плит трапециевидной формы. В качестве контурной конструкции принята сегментная ферма – безраскосная или с треугольной решеткой.
Рис.3.24 Конструктивные схемы покрытий с пологими оболочками положительной кривизны, образованными поверхностями:
а – переноса (из плоских панелей 3х3 м); б – сферы (из цилиндрических панелей 3х12 м); в – вращения (из цилиндрических панелей 3х12 м);
1 – поверхность переноса;
2 – контурная конструкция;
3 – панель оболочки;
4 – сферическая поверхность;
5 – поверхность вращения с горизонтальной осью вращения;
6 – сегментная ферма;
7 – панель крайнего пояса оболочки;
8 – приконтурный элемент;
9 – выпуски арматуры
К оболочкам отрицательной кривизны относятся гиперболический параболоид (гипар) и однополостной гиперболоид вращения, важнейшим свойством которых является линейчатость поверхности.
Гипары получили распространение благодаря архитектурным и конструктивным особенностям форм, большой жесткости и несущей способности, хорошим экономическим и эксплуатационным качествам, возможности формообразования различных систем, используемых при проектировании объемно-пространственных композиций зданий. Такие оболочки применяют для покрытий общественных, производственных зданий, панелей стен и в малых архитектурных формах. Размеры перекрываемого плана находятся в пределах от 10 до 70 м, достигая иногда 100 м.
Гипары возводятся, главным образом, из железобетона. Линейчатость поверхности позволяет упростить опалубку и армирование конструкции. В последние годы нашли применение деревянные, металлические и пластмассовые оболочки, а также комбинации из этих материалов.
Гипар принадлежит к поверхностям двоякой разнозначной кривизны – центры его кривизны лежат по разные стороны поверхности. Используют три способа его графического построения (рис. 3.25).
Рис.3.25 Способы образования поверхности гипара:
а,г – образование поверхности переносом параболы; б – то же, прямой по скрещивающимся направляющим; в – пространственный прямоугольник;
Покрытия из гипаров бывают одиночными и составными, в виде сочетаний нескольких элементов оболочки, одно и многопролетными (рис. 3.26). Вдоль линий сопряжения, называемых коньками, устанавливают ребра жесткости.
В архитектурной практике чаще всего используются гипары с прямолинейным контуром. Известны также покрытия с криволинейным контуром из трех и более элементов (рис. 3.27).
1) из всех пространственных конструкций обычно более экономичны оболочки положительной гауссовой кривизны;
2) типовые оболочки целесообразно применять для зданий, в которых большой шаг колонн обусловлен технологическими особенностями производства.
Рис.3.26 Схемы покрытий из гипаров с прямолинейными краями:
а,б – одиночные гипары; в – з – составные однопролетные гипары;
и – л – составные многопролетные гипары
Рис.3.27 Схемы покрытий из гипаров с криволинейным контуром:
а – схема образования крестового свода; б, в, г – однопролетные оболочки;
д – многопролетная оболочка
Гипары проектируют с опиранием по контуру на стены, фермы, арки, рамы, балки и другие конструкции, называемые диафрагмами, кроме того, они могут иметь точечное опиранием в углах на пилоны (контрфорсы) или фундаменты.
Однополостной гиперболоид вращения служит геометрической основой формы распространенных в строительстве сборных железобетонных гиперболических панелей-оболочек, экономический эффект которых увеличивается при использовании предварительного напряжения. Особенно рационально их применение в многоволновых покрытиях.
Панель-оболочка представляет собой поверхность однополостного гиперболоида вращения. Она совмещает преимущества пространственной работы оболочки двоякой кривизны с конструктивными качествами, присущими поверхностям с прямолинейными образующими (рис. 3.28, 3.29).
Рис.3.28 Гиперболоид вращения и гиперболические панели-оболочки:
а – способ образования поверхности панели-оболочки из однополостного гиперболоида вращения; б – геометрическая схема панели; в – е – типы поперечных сечений панели: бескилевая, килевая, с отверстием в киле, с затяжкой; ж – приведенное поперечное сечение при расчете на изгиб бескилевой панели; з – то же, килевой панели
Рис.3.29 Схемы покрытий из гиперболических панелей размерами 3х6 м и 3х12 м:
а, б, в – покрытие сводчатое; г – то же, балочное;