Конструктивные формы оболочек

В качестве исходных поверхностей оболочек двоякой кривизны в практике проектирования принимают поверхности переноса (эллиптический параболоид, круговая поверхность переноса) или вращения (сфера, тор, эллипсоид вращения) (рис. 2.1.1).

Для сборных оболочек тип поверхности определяется схемой разрезки, возможностями унификации и условиями изготовления сборных элементов, а также условиями возведения оболочек.

Для сборных оболочек рекомендуется в качестве срединной принимать часть тороидальной поверхности, имеющей положительную кривизну и горизонтальную ось вращения. Так называемая меридионально-кольцевая система разрезки оболочек на плиты осуществляется системой радиальных секущих плоскостей, проходящих через ось вращения, и системой вертикальных плоскостей, перпендикулярных этой оси (рис. 2.1.2). При такой разрезке полосы между равностоящими радиальными секущими плоскостями внутри оболочки являются равновеликими, что позволяет сократить до минимума типоразмеры сборных плит.

Для оболочек с квадратным планом рекомендуется сферическая поверхность.

Габариты плит определяются требованиями экономичности унификации, технологичности изготовления и монтажа. По форме поверхности плиты могут быть плоскими, цилиндрическими или двоякой кривизны. Для оболочек рекомендуется применять цилиндрические плиты, так как плиты двоякой кривизны сложны в изготовлении, а плоские требуют повышенного расхода материалов.

Оболочки по контуру опираются на диафрагмы, которые выполняют в виде арок, ферм или балок, а также криволинейных брусьев, уложенных на стены. Контурные балки применяются в отдельно стоящих оболочках при часто расположенных по периметру здания колоннах, а также устанавливаются по наружным рядам колонн многоволновых оболочек в случаях, когда не намечается расширение корпуса в соответствующем направлении. В остальных случаях (по средним рядам, в деформационных швах) устанавливаются фермы или арки. Применение ферм, как более жестких в вертикальной плоскости элементов, имеет преимущества перед арками, так как обеспечивает более благоприятную в статическом отношении работу оболочек на смежных диафрагмах.

В зависимости от количества и расположения ячеек здания оболочки могут проектироваться отдельно стоящими (одноволновыми) и многоволновыми в одном или двух направлениях. Многоволновые оболочки проектируют «разрезными» и «неразрезными». Сборные многоволновые оболочки рекомендуется, как правило, проектировать разрезными, что обеспечивает их более благоприятную статическую работу. К разрезным многоволновым относятся также те оболочки, в которых с помощью специальных конструктивных мер обеспечивается возможность горизонтальной податливости контура не только крайних, но и средних волн оболочек.

Пологие монолитные оболочки со стрелой подъема f/(2a) < l/5 (см. рис. 2.1.1), как правило, проектируют гладкими. Толщина и армирование средней зоны гладких оболочек, где действуют только сжимающие усилия, назначаются конструктивно. Принятую толщину оболочек следует проверять расчетом на устойчивость.

Плиты в приконтурных и угловых зонах оболочки утолщают с целью размещения дополнительной арматуры и восприятия действующих усилий, увеличенных по сравнению с центральной зоной. Утолщенные зоны оболочки вдоль контура целесообразно выполнять по всей ширине действия приконтурных изгибающих моментов.

Толщина оболочки в угловой зоне выбирается по расчету с соблюдением условий o2p < 0,3Rb и o2c < Rb или по конструктивным соображениям, с тем чтобы обеспечить размещение необходимого количества арматуры с учетом двух защитных слоев.

Арматуру для восприятия главных растягивающих напряжений рекомендуется выполнять в виде отдельных стержней или сеток. Расчет количества арматуры в угловой зоне оболочки и ее распределение вдоль диагонали рекомендуется производить после построения эпюры главных растягивающих напряжений в диагональном сечении.

Как было сказано выше, толщина оболочки в угловых зонах обычно увеличивается. Однако для сборных оболочек введение нового типоразмера плит с утолщенной полкой и усиленным армированием часто оказывается экономически нецелесообразным. В этом случае утолщение плиты оболочки рекомендуется выполнять с помощью набетонки монолитного железобетона, укладываемого по верху сборных плит. В пределах набетонки располагается дополнительная арматура, размещенная под углом 45 ° к контуру и устанавливаемая по расчету на действие главных растягивающих усилий.

При назначении размеров и выборе конструкций плит учитывают требования унификации, принятые методы и оборудование для изготовления, транспортировки, монтажа и т. д. По условиям транспортировки и изготовления плиты проектируют размерами 3x6 и 3x12 м.

При меридионально-кольцевой системе разрезки целесообразна компоновка средней зоны оболочки из прямоугольных плит, а приконтурных участков — из трапециевидных элементов.

Оптимальной формой поверхности плит оболочек является цилиндрическая поверхность, криволинейная в направлении длинной стороны элемента, которая обеспечивает сравнительную простоту плит и ее армирования без существенного ухудшения статической работы.

Система ребер плит, определенных ресчетом на прочность и устойчивость в стадии эксплуатации оболочки, должна отвечать условиям прочности и жесткости плит при монтаже и транспортировке.

Конструктивные формы сборных железобетонных оболочек можно разделить на следующие группы: типовые оболочки для промышленных зданий с укрупненной сеткой колонн и шагом 18 и 24 м из плит 3x6 м (рис. 2.1.3, а); оболочки пролетом до 102 м из плит 3x12 м с системой промежуточных балок (рис. 2.1.3, б) и без нее (рис. 2.1.3, в); оболочки пролетом до 42 м из плит 3x6 м, монтируемых навесным способом (рис. 2.1.3, г); оболочки пролетом до 60 м из унифицированных плит 3x6 м, в том числе с шагом колонн 18 и 24 м (рис. 2.1.3, д).

В оболочках, разработанных ПИ-1, кривизна цилиндрической поверхности плит соответствует кривизне поверхности оболочки и сопряжение плит в направлении их длинных сторон осуществляется без переломов. Следует отметить, что плиты размерами 3x6 м, предназначенные в основном для крупной сетки колонн промышленных зданий, имеют существенную стрелу подъема в центре — около 200 мм. В направлении своих коротких сторон плиты в оболочках всех типов имеют сопряжения с переломами поверхности. Весьма пологие плиты 3x6 м оболочек конструкции МНИИТЭП имеют стрелу подъема 100 мм и предназначены прежде всего для большепролетных оболочек преимущественно общественных зданий пролетами 42 и 60 м. Особенность этих оболочек заключается в том, что при пролетах 18 и 24 м плиты в направлении длинных сторон также располагаются с переломами (рис. 2.1.4). Таким образом, образуется пространственный многогранник с криволинейными гранями, вписанный в исходную геометрическую поверхность. Для пролетов, превышающих 24 м, сопряжение плит по их длинной стороне выполняется без переломов. Монтаж оболочек ПИ-1 и МНИИТЭП из плит 3x6 м осуществляется методом предварительной укрупнительной сборки трех-четырех плит на стендах в самонесущие арочные секции, снабженные временными затяжками — шпренгелями. При пролетах 18 и 24 м сборка осуществляется без лесов методом монтажа «на пролет», т. е. путем установки секций на диафрагмы (рис. 2.1.5). При больших пролетах необходима комбинация метода предварительной укрупнительной сборки с установкой одной-двух линий монтажных ферм с опорами (рис. 2.1.6). Этот метод характерен только для оболочек МНИИТЭП, он требует выполнения определенных условий при проектировании и также является качественной особенностью оболочек конструкции МНИИТЭП из унифицированных элементов. На рис. 2.1.3 показаны варианты сетчатых металлических оболочек положительной гауссовой кривизны различных модификаций. Модификации на этой схеме отличаются геометрической формой и структурой сочетаний стержней оболочек.

Расчетные нагрузки. Нагрузки от собственного веса оболочек и кровли с утеплителем принимаются в соответствии с конкретным конструктивным решением пространственного покрытия и кровли. Временная равномерно распределенная нагрузка на пространственное покрытие в период монтажа должна быть принята не менее 0,5 кПа (СНиП 2.01.07—85, табл. 3), а сосредоточенная нагрузка — 0,1 кН (п. 3.10 того же СНиПа).

Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию пространственного покрытия в виде оболочки купольного типа определяется по формуле



где S0 — нормативное значение снеговой нагрузки, принимаемое в соответствии с табл. 4 СНиП 2.01.07—85; u — коэффициент, принимаемый в соответствии с пп. 5.3—5.6 того же СНиПа.

Схемы распределения снеговой нагрузки и значения коэффициентов u следует принимать в соответствии со схемами приложения 3 того же СНиПа, причем для отдельно стоящих оболочек рекомендуется принимать схемы № 2 и № 2', а для многоволновых оболочек — схемы № 5 и № 6. При наличии на покрытии фонарей необходимо также учитывать соответственно схемы № 3 и № 7 Нормативное значение ветровой нагрузки определяется по формуле



где W0 — нормативное значение ветрового давления, принимаемое по табл. 5 СНиП 2.01.07—85; К — коэффициент в соответствии с п. 6.5 того же СНиПа; С — аэродинамический коэффициент, принимаемый в соответствии с п. 6.6 и приложением 4 того же СНиПа.

Значения с для покрытий в виде оболочек рекомендуется принимать по схеме № 3, а при наличии фонарей — с учетом схем № 4 и № 5 приложения 4 того же СНиПа. При сложных очертаниях геометрии пространственного покрытия значения u снеговой нагрузки и аэродинамических коэффициентов с ветровой нагрузки допускается принимать по экспериментальным данным или на основе продувок моделей покрытий.