Пространственные несущие конструкции покрытий
Лекция 8.
Пространственные несущие конструкции покрытий
К большепролетными покрытиям обычно относят покрытия зданий и сооружений, свободные расстояния между опорами которых превышают 24-30 м. Проектирование и возведение таких покрытий выходит за рамки обычного массового строительства. Проблема проектирования и возведения большепролетных покрытий типа оболочек и складок – одна из сложнейших.
Применение плоскостных конструкций неэкономично, т.к. в этих случаях конструкции получаются громоздкими с большой собственной массой.
Почти 18 столетий пролет 43,5 м в куполах Пантеона, а потом Собора Св. Петра в Риме, оставался непревзойденным. Развитие теории оболочек, применение стальных и тонкостенных железобетонных конструкций сделали возможным в 1920-1930 годах строительство покрытий пролетом до 100 м. Улучшением методов расчета оболочек, совершенствованием строительных конструкций, улучшением качества строительных материалов определились успехи в строительстве пространственных конструкций.
В покрытиях нашли применение оболочки и складки различного очертания: оболочки двоякой положительной кривизны, бочарные своды и висячие покрытия разных конструкций, а также длинные и короткие цилиндрические оболочки, складки, коноидальные оболочки., оболочки отрицательной гауссовой кривизны.
Особенностью пространственных конструкций покрытий является совмещение несущих и оргаждающих функций и совместная статическая работа конструкции.
Рекомендуемые материалы
Применение таких конструкций позволяет перекрывать значительные площади без промежуточных опор.
При выборе типа покрытия руководствуются технической и экономической целесообразностью. С технической точки зрения желательно иметь крупную сетку колонн, однако ее укрупнение увеличивает расход материалов на покрытие, подкрановые балки, утяжеляет мостовые краны, увеличивает массу и стоимость здания в целом. Следовательно, должно быть найдено оптимальное сочетание технологических и экономических показателей.
Пространственно работающие конструкции покрытий, тонкостенные железобетонные цилиндрические оболочки и призматические складки состоят из тонкой гладкой или ребристой плиты, изогнутой по цилиндрической поверхности, собственно оболочки, (если поверхность тонкой плиты имеет призматическую форму, покрытие называют складчатым), бортовых элементов, окаймляющих оболочку вдоль крайних образующих, поперечных сплошных или сквозных диафрагм, поддерживаемых колоннами или стенами. Расстояние между осями опорных диафрагм называют пролетом оболочки или складки (l1), расстояние между бортовыми элементами называют длиной волны оболочки и обозначают l2.
По отношению пролета оболочки к длине ее волны цилиндрические оболочки условно делят на длинные и короткие.
Оболочки могут быть одно- и многопролетные. Оболочку называют многопролетной, если по длине она поддерживается более чем двумя диафрагмами.
Несколько параллельных оболочек или складок, монолитно связанных между собой общими бортовыми элементами, называют многоволновыми.
Разработаны конструкции длинных цилиндрических железобетонных оболочек для зданий с сеткой колонн 12х18, 12х24 и коротких для зданий с сеткой колонн 12х18, 12х24, 12х30 и др.
Скорлупа этих оболочек собирается из цилиндрических панелей 3х12 м. Панели имеют контурные и поперечные ребра, которые обеспечивают необходимую жесткость и устойчивость скорлупы.
Применяют два типа цилиндрических панелей – рядовые и краевые. Последние отличаются армированием и усиленным продольным ребром, которое образует вместе со сборкой предварительно напряженной затяжкой торцовую диафрагму оболочки.
Бортовые элементы представляют собой предварительно напряженные балки двутаврового сечения длиной, равной величине пролета. Кроме цилиндрических оболочек в разное время были разработаны конструкции сборных и сборно-монолитных железобетонных оболочек двоякой кривизны (иногда их называют пологими двояковыпуклыми оболочками) с размерами в плане 12х24, 18х24, 12х36, 18х30, 24х24 и 36х36 м, которые по расходу материалов во многих случаях экономичнее цилиндрических.
Скорлупа такой оболочки имеет форму многогранника с ромбовидными гранями. Каждая грань представляет собой ромбовидную плоскую плиту с контурными и диагональными ребрами.
Экономичны оболочки положительной кривизны из плит 3х6 м с шагом колонн 18 м.
Так же собирают оболочки двоякой положительной кривизны из сборных унифицированных плоских ребристых плит с размерами 3х3 м.
Арочные (бочарные) своды пролетом до 96 м четырехлепестковые оболочки типа гиперболического параболоида имеют экономичную конструкцию.
Проектирование конструкций тонких сводов-оболочек со срединной поверхностью, не описываемой аналитически, представляет особую трудность для архитектора и инженера. Методы расчета, разработанные для сводов оболочек с математически определенными поверхностями, не могут быть применены непосредственно для этой цели.
Расчеты ведутся на вычислительной технике с использованием экспериментальных расчетов с применением макетов и моделей небольшого размера.
Висячие конструкции
Висячие и сетчатые металлические покрытия по изяществу и легкости форм, выразительности структуры превзошли все до сих пор известные. Появление новых материалов – высокопрочных сталей, алюминия, пластмасс - открывают необычайные возможности.
Висячие или вантовые покрытия выполняются при помощи стальных канатов, называемых вантами, которые закрепляются на высоких вертикальных опорах, поддерживают сборные железобетонные элементы покрытия.
Висячие покрытия отличаются высокими экономическими показателями. Их можно конструировать как многопролетные системы малыми (10-15 м), средними (20-30 м) и большими пролетами.
Плоские вантовые фермы отличаются довольно легким и простым способом предварительного напряжения и дают возможность выпускать их индустриальным способом.
8. Методы и принципы обеспечения безопасности деятельности - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
Развитие современных электронно-вычислительных машин дало инженерам – проектировщикам неограниченные возможности в проведении более широких и разносторонних исследований структурных плит и оболочек.
Расчет конструкций ведется трехмерным методом. Для расчета конструкций приходится решать системы из сотен уравнений.
Одним из направлений в архитектуре является решение большепролетных конструкций в сочетании с сокращением числа промежуточных колонн.
Существует множество различных конструктивных форм сооружений, например, купола, своды, решетчатые конструкции. Сетчатые купола, хотя и имеют наиболее эффектные формы конструкций, все же имеют некоторые недостатки из-за круглой формы. В то же время плоские структурные конструкции являются более практичными, т.к. могут применяться как для покрытий, так и для перекрытий. Пример – здание Национального павильона на Всемирной выставке 1964-65 гг. в Нью-Йорке.
На трех несимметрично расположенных опорах крепились перекрытие и эксплуатируемая крыша. Конструкции перекрытия и покрытия представляют собой структурные системы, состоящие из большого числа однотипных элементов, выполненных в форме двухслойной сетки. Данные системы состоят из сочетания тетраэдров и октаэдров с основанием в виде равносторонних треугольников. Две плоские сетки образуют верхний и нижний пояс конструкции, параллельные между собой и соединены раскосами. Длина всех элементов одинакова.
Для размещения некоторых промышленных объектов – мастерских, производственных цехов и др. помещений – применяют здания с пневматическими конструкциями. Материалом для таких зданий служат полиэтиленовые, полиэфирные и другие пленки или прорезиненные ткани. Сооружения, в которых пленка опирается на воздух, называются воздухоопорными. Несущей конструкцией служат заполненные воздухом трубы, образующие его каркас, то такие сооружения называют воздухонесущими или пневмокаркасными.
