Группы типов пространственных конструкций

09.09.2020

Пространственные конструкции различают по статической работе, геометрическим очертаниям срединной поверхности, форме перекрываемого плана здания или сооружения, конструктивным особенностям, материалам и другим признакам.

В основу классификации пространственных конструкций (рис. 1.2.21) положены геометрическая форма и принципы статической работы. Особенности геометрической формы в значительной мере определяют тип конструкции и принципы статической работы.

Пространственные конструкции покрытий и перекрытий разделяют на четыре основные группы: 1) вспарушенные пространственные конструкции; 2) вантовые покрытия; 3) структурные плиты или структуры; 4) мягкие оболочки.

Каждая группа конструкций состоит из классов; в свою очередь классы образуются типами конструкций. В некоторых случаях классы образуют подгруппы со своими особенностями.

Прежде всего пространственные конструкции покрытий следует разделить на две большие совокупности — криволинейные (или сочетания плоских элементов, вписываемые в криволинейную форму конструкции) и конструкции, образуемые прямолинейными элементами, не создающими своими сочетаниями криволинейную форму.

В первую совокупность конструкций входят группы вспарушенных пространственных конструкций, вантовых покрытий, мягких оболочек; во вторую — структурные плиты или структуры.

Рассмотрим группы пространственных конструкций.

В группу вспарушенных покрытий можно включить жесткие оболочки, своды, складки. В жестких оболочках и сводах независимо от их формы хотя бы в одном направлении действуют сжимающие усилия (в оболочках положительной гауссовой кривизны в обоих направлениях, в оболочках отрицательной гауссовой кривизны — в одном направлении, в сводах наряду со сжатием проявляется изгиб). Контурные элементы (диафрагмы, бортовые элементы, затяжки) работают на растяжение. Растяжение может проявляться на небольших участках оболочек или в каком-то определенном направлении. В эту же группу наряду с оболочками включают также и складки, усилия в которых действуют в плоских гранях. При значительном числе плоских граней последние вписываются в криволинейную поверхность и по мере увеличения числа граней складка приближается к оболочке.

Жесткие оболочки и своды — это классы пространственных конструкций, имеющие многолетнюю историю развития. Современным тонкостенным сводам и оболочкам предшествовали массивные каменные своды и купола.

Вспарушенные покрытия можно разделить на оболочки с единой исходной поверхностью (рис. 1.2.22) и составные пространственные конструкции. Конструкции с единой поверхностью очерчены по регулярным поверхностям, описанным аналитически, составные конструкции — по сочетанию пересекающихся элементов поверхности.

По особенностям статической работы и конструктивным качествам в пределах класса оболочек с единой исходной поверхностью выделяют панели — оболочки балочного типа, представляющие собой настилы, работающие «на пролет» (например, плиты КЖС, складчатые и гиперболические панели). В этих конструкциях главные усилия действуют в основном по направлению пролета, во втором направлении они незначительны. Покрытия с единой криволинейной поверхностью образуются тонкостенными оболочками — конструкциями криволинейной формы, которые разделяют на оболочки: нулевой гауссовой кривизы; положительной гауссовой кривизны; отрицательной гауссовой кривизны.

Исторически раньше других типов оболочек появились железобетонные, а затем и стальные сетчатые купола — оболочки с круглым, эллиптическим, овальным или другим криволинейным планом до 200 м и более.

Оболочки нулевой гауссовой кривизны — цилиндрические оболочки появились вслед за куполами. Такими конструкциями перекрывали здания с прямоугольным планом. В зависимости от соотношения сторон плана их подразделяли на длинные и короткие. Будучи наиболее простыми по форме конструкциями, даже усиленные бортовыми элементами пролеты цилиндрических оболочек, как правило, не превышали 30...35 м. Преимущественно это железобетонные оболочки, хотя существует немало примеров применения деревянных и стальных сетчатых цилиндрических оболочек. Максимальные пролеты цилиндрических оболочек, ограниченных условиями устойчивости и прочности торцевых зон при действии главных растягивающих усилий, 30...40 м.

Более рациональным решением для прямоугольных планов стали оболочки положительной гауссовой кривизны, которые можно рассматривать как результат отсечения части купола вертикальными плоскостями, в которых расположили контурные диафрагмы. Пролеты таких оболочек достигают 40...50 м, а в отдельных случаях — 60 м. Материал — железобетон, применяются также стальные и деревянные сетчатые оболочки.

Оболочки отрицательной гауссовой кривизны — еще одно альтернативное решение цилиндрическим оболочкам для перекрытия прямоугольных и особенно квадратных планов. Наиболее распространенное решение, полученное в 30-х годах, — комбинации фрагментов поверхностей отрицательной гауссовой кривизны в виде гиперболических параболоидов. Это один из видов составных оболочек, принадлежащих к группе составных конструкций. Ввиду активной работы оболочек в одном из диагональных направлений на растяжение оказалось целесообразным наряду с железобетоном применение также в ряде случаев стальных сетчатых и деревянных оболочек; пролеты для железобетонных и деревянных оболочек в основном 20...30 м, для металлических — 30...40 м.

Составные пространственные конструкции применяются как средство перекрытия больших пролетов с произвольной формой плана, а также для решения градостроительных и эстетических задач. Чаще применяются составные оболочки, образованные сопряжением фрагментов оболочек положительной, отрицательной и нулевой гауссовой кривизны, в том числе поверхностей разнозначной кривизны. Оболочки отличаются повышенной несущей способностью и жесткостью. Поэтому рациональная область перекрываемых пролетов находится в интервале между 40 и 120 м при использовании железобетона и до 200...220 м в случае применения металла. Концепция составных поверхностей распространена также на висячие покрытия и складки.

Треугольные и призматические складки представляют собой сочетания плоских граней, перекрывающих прямоугольный план преимущественно небольших пролетов — от 12 до 24 м (рис. 1.2.23) Часто при малых пролетах выполняются изделия «на пролет». Складчатые элементы используются при формообразовании составных и сводчатых покрытий. Материал — железобетон, реже используются стальные сетчатые и сплошностенчатые складки, а также деревянные.

Составные пространственные конструкции в широком смысле слова включают в себя сочетания сопряженных фрагментов не только криволинейной формы. Шатры и складки из плоских элементов также являются сопряженными (составными) конструкциями, но из плоских граней. Мягкие оболочки тоже могут быть образованы составными поверхностями.

Волнистые и складчатые своды — одна из наиболее простых и экономичных архитектурно-конструктивных форм универсального назначения (рис. 1.2.24). Наиболее просто решаются на индустриальной основе, используются эффективные виды тонкостенных поперечных сечений сводов, работающих на сжатие с изгибом; исторически произошли от массивных каменных сводов.

Вантовые покрытия — группа современных пространственных конструкций, основанных на применении высокопрочной стали, эффективно работающей на растяжение, и перекрывающих большие площади произвольной формы пролетом до 250 м (рис. 1.2.25). В отличие от вспарушенных покрытий, работающих в значительной степени на сжатие, они имеют вогнутую, по крайней мере, в одном направлении форму, интенсивно работающую на растяжение при сжатом или сжато-изогнутом контуре. Основная область применения — общественные здания пролетом более 40...50 м преимущественно с криволинейным или многоугольным планом.

Вантовые покрытия могут быть одно- или двухслойными. Разновидности этих покрытий отличает использование вант в сочетании с покрытием из разных материалов, которое может быть включено в совместную работу. В качестве легкого покрытия используют чаще всего стальной настил. Контур — монолитный или сборно-монолитный железобетонный. Пролеты — от 24 до 100 м и более. К вантовым покрытиям можно отнести также мягкие тканевые оболочки — тенты (см. ниже).

Висячие оболочки — это железобетонные оболочки, в которых предварительно напряженные ванты являются основной рабочей арматурой. В период возведения до замоноличивания железобетонных плит покрытие может быть отнесено к классу вантовых.

Висячие покрытия, так же как и вантовые, разделяются в зависимости от типа вантовых сетей (параллельных, радиальных, перекрестных, полигональных, вантово-балочных, с лучевым расположением вант), на основе которых такие покрытия образованы. Пролеты висячих оболочек назначают, как правило, от 30 до 80 м.

Мембраны — тонкие гибкие металлические оболочки, изгибающими моментами в которых можно пренебречь по сравнению с осевыми растягивающими усилиями (рис. 1.2.26). Применяют также ребристые мембраны. Разновидностью мембран являются двухслойные комбинированные мембраны, подпертые предварительно напряженными вантами. Контур из железобетона — монолитный или сборно-монолитный. Рекомендуемые пролеты — от 40 до 230 м. План преимущественно круглый или овальный, иногда используют прямоугольные мембраны.

Рассматривая геометрические изменения форм пространственных конструкций от вспарушенных покрытий до покрытий вогнутой формы, можно выделить обширную группу типов конструкций, составляющих структурные плоские плиты или структуры (рис. 1.2.27). Они аналогичны массивным (сплошным) конструкциям — плитам, плоским дискам.

Можно выделить несколько наиболее распространенных типов регулярных стержневых структур: а) перекрестные фермы двух или трех направлений, устанавливаемые вертикально; б) ортогональные сетки поясов, сдвинутые на половину ячейки. Поясные ячейки могут заполняться диагоналями. Нижняя поясная сетка и раскосная решетка могут быть разрежены; в) ортогональные сетки поясов, развернутые на 45° относительно друг друга; имеется разреженная раскосная решетка; 2) складчатая система с расположением поясов преимущественно в одном направлении; д) сетки поясов трех направлений, сдвинутые на половину ячейки. Сетка поясов и раскосная решетка могут быть разрежены; е) сетки поясов трех направлений сдвинуты. Нижняя сетка разрежена и образует шестиугольные ячейки. Решетки также разрежены.

Перечисленные выше типы структур членятся на плоские фермы, в некоторых случаях на пространственные фермы одного направления и доборные элементы другого направления, стержневые пирамиды и доборные элементы, узлы и отдельные стержни.

Компоновка структур из стальных стержневых пирамид, естестконструктивному решению сплошностенчатых пластинчатых армоцементных и деревянных регулярных структур. Такие структуры дают высокоэстетичные решения интерьеров залов.

Мягкие оболочки — группа пространственных конструкций, выполненных из материалов, отличающихся высокой прочностью при растяжении, но утоненных до такой степени, что они не воспринимают другие деформации (пластмассы, стекло, металлы в виде волокон или пленок). Мягкие оболочки несут такие нагрузки, которые в жестких вызывали бы сжатие. Они воспринимают нагрузки при условии их предварительного натяжения, которое создается двумя основными способами — пневматическим (аэростатическим) и механическим. Третий способ — гидростатический, используется применительно к гидротехническим объектам. Отсюда и название классов мягких оболочек — пневматические, тентовые.

Пневматические воздухоопорные сооружения-оболочки состоят из элементов: оболочки, объединяющей стену и крышу, опорных устройств и воздухоподающей установки. Оболочка изменяет форму в зависимости от характера приложения нагрузки.

Геометрические формы воздухоопорных оболочек могут быть с единой поверхностью, составными (из сопряженных фрагментов поверхностей) и произвольными, сложными.

Составные мягкие оболочки — это комбинации сопряженных фрагментов поверхностей вращения (например, цилиндрические своды с цилиндрическими или сферическими завершениями). Фермы составных оболочек в пневматическом варианте не являются совершенными, так как по линии их стыков не соблюдаются условия совместности напряжений и деформаций.

Пневматические воздухоопорные оболочки разделяют на однослойные и двухслойные.

Применяемые замкнутые оболочки разделяют на линзовидные и трансформирующиеся. Пневмолинзы (кровельные панели) состоят из верхней и нижней оболочек, соединенных между собой по периметру и передающих распор жестким системам по контуру или в отдельных точках. К трансформирующимся относятся замкнутые оболочки, изменяющие форму при увеличении или падении внутреннего давления с одновременными изменениями схемы опорных закреплений.

Оболочки, усиленные сетками или канатами, проектируют бывают трех видов: 1) при частой ячейке (измеряемой сантиметрами) форма оболочки определяется только раскроем сетки; тонкая оболочка обеспечивает только воздухонепроницаемость; 2) при малом (до 1 м) шаге канатов, образующих частую сетку, общая поверхность оболочки в основном гладкая; 3) при большом (в несколько метров) шаге канатов, образующих крупную сетку, поверхность оболочки расчленена на ряд выпуклых оболочек. Вантовая сеть может быть кольцевой, меридиональной или перекрестной. Поверхность оболочек — вращения или параллельного переноса.

Воздухонесомые пневматические конструкции — это мягкие оболочки, несущая способность которых обеспечена предварительным натяжением, создаваемым давлением воздуха в их замкнутом объеме. Если воздухоопорные оболочки являются законченной моноструктурой (законченным сооружением с повышенным давлением в подоболочечном пространстве), то воздухонесомые конструкции — это конструктивные элементы с нормальным атмосферным давлением в полезном объеме. Воздухонесомые конструкции применяют в виде стержней (балки, стойки, арки, рамы) или панелей, которые могут образовывать своды, купола. Пневматические арки низкого и высокого давления используются, главным образом, как несущий каркас тентового покрытия.

Пневмопанели — конструкции, состоящие из двух полотнищ, соединенных между собой линейными или точечными стяжками. Срединная поверхность пневмопанелей может быть плоской или изогнутой в одном или двух направлениях, образуя сводчатые или купольные покрытия.

Тентовые конструкции по формам и конструктивным решениям во многом аналогичны вантовым покрытиям. Несущая поверхность покрытия образуется предварительно напряженным тентом либо тентом, усиленным вантами.

Наиболее распространенные конструктивные формы — гиперболические параболоиды, складки, произвольные формы со сложным планом первоначально использовались для сооружений малых форм. Они удовлетворяли необходимым функциональным требованиям. При дальнейшем использовании конструкций пролеты увеличивали до 30...50 м. Основными элементами тентовых конструкций являются вантовая сеть, тентовое покрытие, опорные мачты и легкие ограждающие конструкции стен.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна