Тур В.И. - Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие

Тур В.И.

Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие. - М.: Издательство ЛСВ.

2004. - 96 стр.

ISBN 5-93093-249-2

Представлен обзор развития купольных конструкций из различных материалов, вопросов формообразования, расчета и конструирования. Рассматривается возможность повышения эффективности конструкций путем применения предварительного напряжения с помощью высокопрочных затяжек. Приведен пример расчета сетчатого металлического купола.

Пособие предназначено для студентов старших курсов вузов, аспирантов и инженерно-технических работников проектных и строительных организации.

© Издательство АСВ. 2004 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие современного строительства возможно только на основе экономически эффективных, надежных, технологичных конструкций с применением прогрессивных направлений проектирования и строительства, обеспечивающих универсальность планировки и многофункциональность помещений, располагаемых в здании.

В условиях сурового российского климата строительные площадки должны стать монтажными площадками, где производится сборка подготовленных на заводе несущих и ограждающих конструкций. Только тогда наше строительство станет не сезонным, а круглогодичным.

Одним из направлений повышения эффективности строительного производства является широкое применение легких пространственных конструкций, в том числе сетчатых оболочек и куполов. В настоящее время в мире на объектах гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения построено более пяти тысяч современных пространственных систем разных конструкций и размеров. Эффективность применения этих конструкций по сравнению с традиционными стоечно-балочными системами обусловлена снижением материалоемкости несущего каркаса, снижением трудоемкости изготовления и монтажа, возможностью перекрывать как малые, так и большие пролеты, создавать здания универсального назначения высокой архитектурной выразительности. Эти конструкции преимущественно изготавливаются на заводе, компактны при транспортировке, легко собираются, диапазон применяемых материалов широк: это прежде всего металл, а также и бетон, железобетон, дерево, пластмассы.

Особое место среди представленных пространственных конструкций занимают купола. Это одни из наиболее древних пространственных систем покрытия.

Но и сегодня купола благодаря своей конструктивной форме перекрывают рекордные (200-250 м) пролеты, и они наиболее экономичны по сравнению с любыми другими жесткими конструкциями, именно в диапазоне больших пролетов.

Конструктивные возможности куполов и оболочек далеко не исчерпаны и представляется возможным повысить эффективность этих конструкций искусственным регулированием усилий и деформаций, то есть предварительным напряжением. Предварительным напряжением возможно создать разгружающее напряженное состояние и тем самым расширить область упругой работы, уменьшить расчетные усилия и, в конечном счете, снизить массу и стоимость оболочки. Возможно регулирование усилий и деформаций в процессе эксплуатации конструкции, в этом случае оболочку можно рассматривать как механизм и трансформируемую пространственную структуру. Конечно, при этом возникает целый комплекс вопросов и проблем, связанных с устойчивостью системы при различных видах нагружений и условиях эксплуатации, но при современном уровне развития теоретических исследований, вычислительной техники и программном обеспечении - это вполне разрешимые задачи.

Настоящее пособие предназначено для студентов специальностей 290100, 290200, 290300, 291400 при изучении дисциплины "Металлические конструкции", "Конструкция гражданских и промышленных зданий", а также может быть полезным при формировании спецкурса по пространственным конструкциям для указанных специальностей, в курсовом и дипломном проектировании.

Инженерно-технические работники проектных и строительных организаций несомненно найдут в пособии полезную информацию.

Из методических соображений пособие скомпоновано таким образом, что изучение материала начинается с описания существующих типов конструкций куполов, далее излагаются принципы формирования поверхностей, конструкции узловых соединений куполов и затем основы расчета различных типов куполов и способы повышения их эффективности путем предварительного напряжения. В качестве приложения дай пример расчета сетчатого металлического купола.

При подготовке книги учтены замечания и рекомендации высказанные при рецензировании профессорами ТЛ4. Барановой и А,К. Соловьевым, которым автор выражает глубокую благодарность.

1. КУПОЛА. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

1.1. Общие сведения

Значительное развитие в практике современного строительства получили купола. В настоящее время в мире построено более трех тысяч металлических стержневых оболочных систем разных конструкций и размеров, значительную часть из которых составляют купольные конструкции, которые среди пространственных жестких систем по расходу материала являются наиболее экономичными. Эффективность этих конструкций возрастает с увеличением пролета и не случайно? что большинство покрытий более 200 м являются купольными. Велики и композиционные возможности этих конструкций, что позволяет перекрывать здания универсального назначения, создавать прекрасные образцы архитектурного творчества.

Купольные конструкции известны с древних времен. Их применяли в Месопотамии* Сирии, Иране» Древнем Риме. Основным материалом при этом был камень. Наиболее известные древние купола имели пролет до 30-40 м, а толщину оболочки от 1/15-17 диаметра в основании до 1/30-40 в верхней части. И эти соотношения сохранялись вплоть до конца 19 века. С появлением железобетона и стали в строительстве ситуация резко изменилась - существенно стали расти пролеты, уменьшаться толщина оболочки.

В двадцатом веке значительный вклад в развитие купольных конструкций внесли: Ледерер, Маковский, Отто, Райт, Фуллер, Туполев М.С., Липницкий М.Е., Савельев В.А.

1.2. Конструктивная схема купола

Купола - распорные системы* имеющие в своем составе, как правило, три основных конструктивных элемента: нижнее опорное кольцо, оболочку, верхнее опорное кольцо (рис. 1.1).

Распор купола воспринимается нижним опорным кольцом, вследствие чего в нем могут возникать растягивающие усилия, изгибающие и крутящие моменты. Опорное кольцо проектируется в плане криволинейным в виде окружности, эллипса или в виде многогранника с жестким или шарнирным соединением в углах. Нижнее опорное кольцо укладывается на нижележащие опоры свободно и должно быть закреплено от горизонтального смещения. Вследствие особенностей напряженного состояния нижнее опорное кольцо выполняют преимущественно из металла или железобетона.

Оболочка купола может быть гладкой, состоять из плиты с ребрами расположенными в меридиональном и кольцевых направлениях, или собираться из стержневых элементов с последующим покрытием разными типами прогонов и плит.

Верхнее опорное кольцо испытывает усилие сжатия. Пространство внутри верхнего опорного кольца часто используется для размещения светового или светоаэрационного фонаря. В гладких куполах-оболочках верхнее опорное кольцо может отсутствовать.

1.3. Основные типы куполов

Купольные конструкции обладают большим разнообразием объемно-пространственных форм, конструктивных решений, технологий возведения. Это позволяет применять их в объектах гражданского» промышленного и сельскохозяйственного назначения, а так же в различных климатических зонах, в том числе и в условиях сурового климата. Рассмотрим основные типы куполов по различным признакам [4]:

а) по конструкции: ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые со связями* сетчатые, пластинчатые, купола-оболочки (сплошные);

б) по форме (рис. 1.2): сферические, эллиптические, стрельчатые, зонтичные и другой формы;

в) по стреле подъема (рис. 1.3): подъемистые (высокие) купола, при высоте подъема 1/2 -1/5 диаметра и пологие, при высоте подъема менее 1/5 диаметра;

г) по условиям работы: с элементами предварительного напряжения, ненапрягаемые;

д) по материалам: металлические (сталь, алюминиевые сплавы), железобетонные, бетонные, из каменных материалов, дерево, пластмасс, тканевых материалов (воздухоопорные);

е) по технологии возведения: монолитные, сборно-монолитные, сборные.

Правильное определение технических характеристик купола важно при выборе архитектурного решения и технико-экономическом обосновании применяемого решения.

1.4. Купола - оболочки

Поверхность куполов - оболочек (в ряде литературных источников такие купола называют сшюшными или гладкими) образуется в результате вращения вокруг вертикальной оси меридиональной образующей в виде дуги круга, эллипса, параболы (рис. 1.1). Возможны комбинации из этих кривых, тогда образуются стрельчатые, зонтичные и другой формы купола. Материалом для этих куполов обычно служит бетон, железобетон (фибробетон), бетон с применением стеклопластиковой арматуры. Купола - оболочки преимущественно возводят по монолитной и сборно-монолитной технологиям. Весьма перспективна технология возведения монолитной оболочки на пневматической опалубке, поднимающей от земли всю конструкцию: арматуру, бетон в несхватившемся состоянии и, если требуется, тепло и гидроизоляционные материалы [4].

Пневматическая опалубка представляет собой мембрану из армированной синтетической ткани. Известны варианты применения в качестве пневмоопалубки прорезиненных хлопчатобумажных тканей. Мембрана прикрепляется к нижнему опорному кольцу, обеспечивая при этом механическое закрепление и герметичность опалубки. На мембрану укладывается арматура и жидкий бетон. Арматура при этом закрепляется одним концом к нижнему опорному кольцу. При подаче сжатого воздуха под мембрану она вспучивается, и арматура, расположенная в спиралях, занимает проектное положение, бетон растекается по поверхности мембраны и схватывается.

Известны технологии, когда пневматическая опалубка предварительно накачивается сжатым воздухом до проектного положения, а затем на опалубке крепят арматурные сетки и наносят методом торкретирования бетон. Использование пневмоопалубки позволяет снизить стоимость и сроки возведения куполов. Тканевая оболочка легче и дешевле деревянной или металлической опалубки и ее легко транспортировать. Сроки возведения железобетонного купола диаметром до 30 м на пневмоолалубке составляют 7-10 дней, что во много раз меньше при применении традиционной опалубки. Характерным примером купола-оболочки является зонтичный купол на рис. 1.4, диаметром 31 м [4]. Главной особенностью этой конструкции является то, что для ее возведения применен песчаный бетон, армированный щелочестойким рубленым стекловолокном. Такой бетон по сравнению с обычным обладает более высокой прочностью на растяжение и изгиб, лучше сопротивляется удару, разрушается при боле* высоком относительном удлинении. Благодаря этому удалось возвести купол без стальной арматуры и придать оболочке исключительно малую толщину: всего I см. Это самая тонкая бетонная оболочка и первый случай использования бетона, армированного стекловолокном, в несущих конструкциях. Купол имеет меридиональную разрезку и собран из восьми одинаковых элементов — волн, представляющих собой форму гиперболического параболоида. В меридиональном направлении выпуклость такого элемента направлена внутрь зонтичного купола (вниз), в кольцевом — наружу (вверх). Длина элемента составляет 15,5 м, ширина — 10 м, высота — 5 м, масса — 2%5 т. Элементы соединены впритык и оперты на восемь железобетонных контрфорсов, расположенных по окружности диаметром 26 м так, что каждый элемент образует консольный козырек вылетом 2,5 м. Контрфорсы опираются на отдельные железобетонные фундаменты, соединенные между собой по контуру сооружения предварительно напряженными балками. Для изготовления элементов была применена специальная форма из досок шириной 10 см» расположенных в двух перекрестных направлениях вдоль прямолинейных образующих гиперболического параболоида. На эту форму с помощью бетонного насоса подавалась песчано-бетонная смесь с водоцементным отношением 0,45. Эта смесь перед соприкосновением с поверхностью формы наполнялась рубленым стекловолокном, подаваемым сжатым воздухом по другому шлангу Смесь подавали до тех пор, пока толщина оболочки не достигла проектного размера — I см. На краевых участках элемента толщина увеличивалась до 4 см для возможности закладки стыковой арматуры. Во избежание растрескивания готовый элемент покрывался увлажненными матами из пенопласта, а на следующий день маты сменялись предохранительной коркой из специального пластика, чем замедлялось испарение влаги из материала оболочки. Через 40 часов* когда бетон набирал необходимую прочность,, элемент снимали с формы с помощью автокрана со специальной траверсой и вакуумным подъемным устройством и переносили непосредственно на монтажный кондуктор купола. Здесь осуществлялось стыкование элементов купола между собой и крепление их к опорным контрфорсам. Стык элементов выполнен с помощью арматуры из проволок диаметром 4 мм, расположенных с шагом 7,5 см близ опоры и 15 см - на других участках. Эта проволоки соединены между собой двумя арматурными стержнями диаметром 10 мм, идущими вдоль стыка, и весь стык замоноличен песчаным бетоном с рубленым стекловолокном. В месте каждого стыка волн образована ендова, по которой вода стекает с покрытия.

Масса купола, включая замоноличенные стыки, составляет 25 т или 35 кг на 1 м2 перекрываемой площади.