Составные железобетонные оболочки

12.09.2020

Купольно-складчатые оболочки представляют собой покрытия с криволинейным или полигональным планом, в верхней части которых располагаются центральные элементы жесткости в виде оболочки положительной гауссовой кривизны или внутреннего кольца, а в нижней — боковые складчатые оболочки, опертые на фундаменты или контрфорсы (рис. 2.5.4). Боковые оболочки представляют собой конструкции с криволинейной поверхностью треугольного или трапециевидного поперечного сечения. Грани плиты могут иметь цилиндрическую поверхность или форму коноида.

На рис. 2.5.4, а центральная оболочка положительной гауссовой кривизны, очерченная по сфере, расчленяется серией меридионально-кольцевых сечений на сборные плиты с цилиндрической поверхностью и ребрами по контуру.

Крупноразмерные плиты длиной до 15 м в основном определяют расход материала. Расход материалов составляет 24 см приведенной толщины бетона и 35 кг/м2 стали. Расчет выполняется методом конечных элементов как единой пространственной системы. Для подбора сечений и приближенной оценки применяют упрощенный способ расчета, приведенный далее.

Максимальный прогиб железобетонной модели оболочки спортивного зала «Дружба» в Лужниках (Москва) пролетом 96 м при нормативной нагрузке составлял 1/2000 пролета; разрушение модели произошло при предельной нагрузке, равной двум расчетным.

Центральная оболочка работает на сжатие без растягивающих усилий. Складчатые оболочки работают на сжатие с изгибом, наиболее интенсивно загружены ребра их нижней части. Поперечные ребра в местах соединения складок в кольцевом направлении испытывают существенные изгибающие моменты и незначительные нормальные силы. Краевой эффект в местах соединения центральной и складчатых оболочек соединения несущественен. Нормальные усилия в верхнем кольце имеют знакопеременный характер.

На рис. 2.5.4, б центральный элемент выполняется из радиально расположенных крупноразмерных плит с цилиндрической поверхностью. Каждый боковой элемент выполнен составным из соединенных между собой плит, образующих боковые грани складок.

Верхняя часть каждого из боковых элементов расположена между нижними сторонами смежных плит центрального элемента. В местах размещения нижних концов плит центрального элемента располагают кольцевую затяжку или распорку.

Витражи в отличие от варианта на рис. 2.5.4, а размещают по линии, соединяющей вершины боковых складчатых оболочек, и выполняют вертикальными.

Купольно-складчатые оболочки на рис. 2.5.4, в представляют собой покрытие, включающее центральный элемент в виде верхнего кольца, и боковые (основные и дополняющие) оболочки. Между основными боковыми оболочками размещают дополняющие оболочки двоякой кривизны консольного типа. Купольно-складчатая оболочка снабжена «каркасом» в виде монолитных радиальных арочных несущих элементов, каждый из которых располагают по оси симметрии боковых оболочек, причем арочный элемент одним концом опирается на центральную оболочку, другим — на опору.

Боковые основные складчатые оболочки в свою очередь выполнены составными из двух оболочек двоякой кривизны, каждая из которых представляет совокупность унифицированных цилиндрических плит с номинальными размерами 3x6 м, образующих сводчатый блок. Соответственно и показатели расхода материалов улучшены по сравнению с вариантом, приведенным на рис. 2.5.4, а. Расход бетона составляет 12 см, а расход стали — около 25 кг/м2.

Несущая способность модели оболочки Даниловского рынка в Москве была исчерпана при 1,6 расчетной нагрузки, наибольший прогиб при нормальной нагрузке составил 1/1000 пролета. По радиальным направлениям преобладали нормальные усилия сжатия с небольшими изгибающими моментами. Зона крепления среднего сжатого распорного кольца была растянута. В кольцевом направлении складки растянуты относительно небольшими усилиями. Наибольший изгиб испытывают ребра по линиям сопряжения составляющих оболочек.

На рис. 2.5.4, г, д приведены решения, альтернативные третьему варианту.

В покрытии (рис. 2.5.4, г) имеется центральный элемент в виде жесткого внутреннего кольца или оболочки положительной гауссовой кривизны, к которой также жестко прикреплены боковые консольные оболочки. Покрытие снабжают центрической системой опорных стержневых элементов с разветвленными V-образными концевыми участками, установленными на опоры, расположенные по контуру покрытия. На указанную центрическую систему стержневых элементов оперт центральный элемент. При этом между разветвленными участками стержневых элементов располагают оболочки двоякой кривизны. Между боковыми контурами консольные оболочки и стержневые элементы образуют светоаэрационные проемы.

В покрытии опорные стержневые элементы могут быть установлены на опоры разветвленными V-образными концевыми участками (рис. 2.5.4, г) либо установлены так, что эти участки примыкают к центральному элементу (рис. 2.5.4, д).

Консольные оболочки могут быть сопряжены друг с другом на части боковых контуров со стороны, противоположной разветвленным участкам стержневых элементов. Боковые контуры консольных оболочек и опорные стержневые элементы могут быть расположены в вертикальной плоскости.

Другим путем увеличения пролета купольно-складчатых оболочек до 120...150 м и повышения их пространственной жесткости является введение в их конструктивные схемы радиально расположенного каркаса, но в комбинации с пространственными элементами жесткости (рис. 2.5.4, е). Радиальный каркас составляют из трех ярусов несущих стержневых элементов, соединенных между собой по высоте. Верхний ярус каркаса располагают между боковыми оболочками и выполняют в виде ребер, жестко соединенных с центральным элементом. Средний и нижний ярусы выполнены в виде V-образных элементов, вершины среднего яруса которых соединены жестко с ветвями V-образных элементов нижнего яруса. Концы его ветвей соединены с опорами. При этом между ветвями элементов среднего яруса устанавливают и прикрепляют к ним пространственный элемент жесткости с треугольным планом, ограниченным ветвями V-образного элемента нижнего яруса и имеющим ось симметрии в радиальном направлении. Пространственный элемент жесткости выполняют чаще в виде сочетания гиперболических параболоидов.

Полигональные оболочки разделяют в зависимости от формы плана: с циклическим осесимметричным планом, с прямоугольной и произвольной формами плана (рис. 2.5.5).

Полигональные оболочки с циклическим планом имеют форму правильного многоугольника (см. гл. 2 второго раздела) и состоят из одинаковых секториальных элементов треугольной и трапециевидной формы в плане (рис. 2.5.5, а, б). При этом в местах пересечения секториальных элементов (составляющих оболочек) образуются утолщения, называемые гуртами, в которых рекомендуется располагать специальные ребра.

Полигональные составные оболочки проектируются в виде комбинаций оболочек положительной гауссовой кривизны с треугольным или трапециевидным планом, близким к треугольному. В составных оболочках предусматривается каркас, занимающий центральнорадиальное положение в покрытии и состоящий из стальных радиальных и контурных арок, располагаемых в местах сопряжения составляющих оболочек и по контуру покрытия. В качестве контурных конструкций можно принимать стальные или железобетонные арки и ригели, шарнирно опертые на колонны или арки. Рекомендуется меридионально-кольцевой способ членения оболочек на пологие ребристые цилиндрические плиты с прямоугольным и треугольным планами в местах примыкания оболочек к радиальным аркам.

Составные оболочки с прямоугольным и вытянутым, близким к прямоугольному (рис. 2.5.5, в, г и 2.5.6, а) планом представляют собой комбинацию двух вытянутых трапециевидных оболочек, расположенных вдоль большего пролета сооружения, и двух треугольных оболочек, расположенных в его торцах (рис. 2.5.6, а). Поверхность оболочек принимается тороидальной. По линиям сопряжения оболочек следует располагать стальные арки.

При необходимости перекрытия сооружения с пролетами более 50 м рекомендуется каждый фрагмент покрытия расчленить на отдельные составляющие оболочки. Способ членения оболочек — меридионально-кольцевой (рис. 2.5.6, б). Контур покрытия может быть образован как арками, так и контурными ригелями из стали или железобетона, шарнирно опертыми на колонны.

Покрытия в виде произвольных комбинаций треугольных оболочек показаны на рис. 2.5.7. В качестве основного повторяющегося элемента таких покрытий используют оболочки положительной гауссовой кривизны с треугольным планом.

Для перекрытий залов и сооружений с треугольным планом такие оболочки применяют как самостоятельно работающие конструкции. Способ членения оболочек — меридионально-кольцевой.

Полигональные оболочки работают на сжатие в двух направлениях со значительными главными растягивающими усилиями в угловых зонах. Радиальные арки испытывают сжатие и изгиб, контурные — нормальные усилия знакопеременного характера и изгиб.

Краевые эффекты при действии как нормальных сил, так и изгибающих моментов несущественны.

В распределении усилий большую роль играет жесткость элементов центрально-радиального каркаса, обычно высота радиальных арок назначается в пределах от 1/60 до 1/80 пролета, контурных — не менее 1/100 пролета. Жесткость этих элементов рекомендуется назначить после серии многовариантных расчетов с выбором рациональных характеристик сечений.

Расчеты полигональных оболочек производят методом конечных элементов.

Составные оболочки отрицательной гауссовой кривизны представляют собой сочетания составляющих оболочек с поверхностью в виде гиперболических параболоидов (гипаров). В основном варьируются сочетания гипаров, ограниченных прямолинейными образующими. Наряду с такими оболочками иногда применяются составные оболочки также в виде сочетаний гипаров с криволинейными краями. На рис. 2.5.8 показаны конструктивные схемы оболочек в виде сочетаний двух, трех, четырех и более гипаров. Наиболее распространены сочетания четырех гипаров; в этих случаях используются прямоугольные гипары, и конструктивные решения упрощаются. По контуру оболочки опираются чаще всего на колонны, возможно опирание на фермы. По линиям сопряжения, так называемым коньковым линиям, располагаются коньковые элементы относительно небольшой жесткости. Эти элементы — упругие, податливые, фермы или рамы по контуру жесткие в своей плоскости и гибкие из плоскости. Основные опоры размещаются в углах оболочки либо имеют опирание у коньков, а углы могут иметь консольное решение.

В соответствии с этим размещают затяжки, которые могут иметь как ортогональные, так и диагональные направления.

Прямоугольные гипары позволяют создавать составные оболочки для покрытий многопролетных промышленных зданий (рис. 2.5.9). При этом применяют большей частью «крестовые» крыши (рис. 2.5.9, а) и зонтообразные оболочки (рис. 2.5.9, б, в). Существуют «зонты» двух разновидностей, примерно равноценных по своим композиционным возможностям. Верхний свет устраивается за счет проемов между отдельными оболочками. За рубежом распространение получили лоткообразные оболочки (рис. 2.5.9, г), конструкции которых выполняются предварительно напряженными.

Кроме оболочек с поверхностями равносторонних гиперболических параболидов применяют также поверхности с неравностороныг
ними гипарами, план которых может быть, в частности, в виде ромба. В этих случаях оболочки компонуют из нескольких одинаковых ромбовидных элементов. Примером может служить многоволновое сводчатое покрытие из ромбовидных плит в виде гипаров для зданий с прямоугольным планом (рис. 2.5.9, д). Возможны также конструктивные схемы многоволновых покрытий, включающих ромбические и треугольные оболочки, сопряженные по диагональным ребрам (рис. 2.5.9, е). Оболочки выполняют с положительной и отрицательной гауссовой кривизной, причем те и другие размещают в шахматном порядке. При этом оболочки положительной кривизны выполняют составными из двух треугольных элементов, сопряженных по диагонами.

Косоугольные гипары применяются для общественных зданий больших пролетов.

На рис. 2.5.8, а показано решение с двумя гипарами, на рис. 2.5.8, б составная оболочка в виде сочетаний трех гипаров, на рис. 2.5.9, г, д составная оболочка с четырьмя прямоугольными гипарами. На рис. 2.5.8, е показаны решения оболочек с полигональным планом, который перекрывается сочетанием шести седлообразных «лепестков». Торцы составляющих оболочек могут выполняться криволинейными, консольными, что создает эффектное архитектурное решение фасада. Для оболочек отрицательной гауссовой кривизны применяются также тор, геликоид, однополостной гиперболоид вращения.

Оболочки в виде гиперболических параболоидов расчленяются прямолинейными образующими на плиты с такой же поверхностью. Оболочки с прямоугольным планом, разработанные Ленпромстройпроектом и ЦНИИпромзданий собираются из плит размерами в плане 3x9 и 3x12 м; оболочки с квадратным планом, разработанные Промстройпроектом,— из унифицированных плит 3X3 м со швами переменной ширины (см. табл. 2.5.1). Оболочки, очерченные по выпукло-вогнутой части тора, собирают из плит с цилиндрической поверхностью, прямоугольных и треугольных по типу применяемых для оболочек положительной гауссовой кривизны.

Конструктивные формы в виде геликоидов или сочетания сопряженных геликоидов, разработанные МНИИТЭПом, собирают из унифицированных сборных элементов, но каждый из них должен иметь форму гиперболического параболоида (рис. 2.5.10). Геликоид образуется поступательным перемещением прямой, один конец которой скользит по прямой, а другой — по пространственной винтообразной кривой. Поэтому один из контуров геликоидальной оболочки обязательно криволинейный, а остальные — прямые.

По моментной теории нормальные усилия в центральной зоне незначительны, но в приконтурных зонах величины изгибающих моментов и нормальных сил имеют максимальные значения, быстро убывающие по мере приближения к середине оболочки.

Расчеты оболочек с учетом изгибающих моментов выполняются методом конечных элементов. Для расчета гиперболических параболоидов может быть использован также метод, разработанный И. Е. Милейковским. Для приближенных расчетов гипаров используют безмоментную теорию.

Рассмотрим частный случай пологой безмоментной оболочки в виде равностороннего гипара, отнесенного к главным образующим со следующими граничными условиями на контуре:

Каждая составляющая оболочка работает при этом как оболочка в виде гипара с учетом приведенных выше особенностей.

В рассматриваемом случае граничных условий нормальные усилия N1 и N2 по всей поверхности равны нулю (рис. 2.5.11), а сдвигающие усилия S постоянны (чистый срез). Главные растягивающие и сжимающие усилия равны сдвигающим и направлены под углом 45° к ним, т. е. параллельны направлениям главных парабол.

Сдвигающие усилия на контуре воспринимаются бортовыми элементами, работающими только на растяжение или сжатие, поскольку в безмоментном состоянии прогиб на краях должен оставаться таким же, как и в поле оболочки. Так, например, в системе, показанной на рис. 2.5.12, а, состоящей из четырех конгруэнтных гиперболических параболоидов, контурные элементы каждой из четырех составляющих оболочек сжаты.

Усилия сжатия наружного контурного элемента изменяются от нуля на оси симметрии системы до максимального значения у опоры:

Ребра, расположенные по осям симметрии системы, испытывают сжатие, изменяющееся от нуля у вершины контура до наибольшего значения в центре:

Соответственно усилия в затяжках (горизонтальные составляющие сжимающих усилий в контуре) получаются из условия равновесия опорных узлов:

Приближенный расчет составных оболочек в виде гипаров с вытянутым прямоугольным планом выполняют как шпренгельных систем пролетом 2а или 2b и стрелой подъема h.



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