Дыховичный Ю.А. - Пространственные составные констуркции

Дыховичный Ю. А., Жуковский Э. 3.
Д91 Пространственные составные конструкции: Учеб. пос. для студ. по спец. «Пром. и гражд. строит.» — М.: Высш. шк., 1989. —288 с: ил.
ISBN 5-06-000553-4
В учебном пособии рассматриваются перспективные пространственные составные конструкции — оболочки, складки, покрытия типа висячих конструкций. Приводятся примеры формообразования, конструктивных решений, расчета, возведения пространственных составных конструкций, а также технико-экономические показатели.
Может быть полезно для научных работников и инженеров-проектировщиков.
Учебное: издание
Дыховичный Юрий Абрамович, Жуковский Эрнест Залманович
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СОСТАВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Заведующий редакцией Б. А: Ягупов. Редактор Л. Б. Лохова. Младшие редакторы О. А. Кузнецова/ О. '?•" СмоТрйна. Художественный редактор М. Г. Мицкевич. Технический редактор Н. А. Битюкова. Корректор Г. А. Чечеткина
ИБ № 8089
Изд. № СТР-565. Сдано в набор 12.10.88. Подп. в печать 13.04.89. Формат 60x88/16. Бум. офс. № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Объем 17,64 усл. печ. л. 17,64 усл. кр.-отт. 18,52 уч.-изд. л. Тираж 12 000 экз. Зак. № 754. Цена 95 коп.
Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Московская типография № 8 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 101898. Москва, Центр, Хохловский пер., 7.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие является как бы дополнением к курсу «Железобетонные конструкции» и соответствует программам дисциплин для высших учебных заведений по специальностям «Промышленное и гражданское строительство» и «Строительство тепловых и атомных электростанций».
Книга отражает современную практику проектирования и возведения пространственных составных конструкций в нашей стране и за рубежом. В ней рассматриваются эффективные пространственные тонкостенные составные конструкции, включающие в себя оболочки, складки и висячие покрытия, приводятся особенности расчета и проектирования таких конструкций, принципы их формообразования и компоновки и др. Оболочки и складки различных типов рассматриваются с позиции оптимизации их формообразования в широком смысле слова. Такой метод образования конструктивных форм позволяет обогатить средства архитектурного проектирования, так как при этом достигается выразительность сооружения, повышается технологичность возведения и снижается материалоемкость конструкций.
Материалы учебного пособия основаны на результатах лабораторных и натурных исследований, практике проектирования и строительства сооружений с пространственными конструкциями Московского научно-исследовательского и проектного института типового и экспериментального проектирования (МНИИТЭП), выполненных под руководством д-ра техн. наук Э. 3. Жуковского.
Для лучшего усвоения материала в конце каждой главы приводятся краткие выводы, а также контрольные вопросы, на которые студенты в устной или письменной форме должны дать ответы. Примеры расчетов, приведенные в § 9.3, выполнены кандидатами технических наук В. Ф. Шаблей и О. В. Шевченко.
Авторы выражают благодарность за ценные советы рецензентам— сотрудникам кафедры железобетонных конструкций МИСИ им. В. В. Куйбышева (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В. Н. Байков); д-ру техн. наук, проф. В. И. Травушу (зам. директора ЦНИИЭП им. Б. С. Мезенцева). Авторы благодарят также сотрудников лаборатории пространственных конструкций МНИИТЭП за помощь, оказанную при работе над рукописью.
Просьба замечания и пожелания, направленные на улучшение книги, присылать в издательство «Высшая школа».
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Огромные объемы гражданского и жилищного строительства, осуществляемого в нашей стране, предъявляют высокие требования к выразительности архитектурных решений зданий и сооружений, к эффективности применяемых строительных конструкций. Одним из средств обогащения архитектуры является использование пространственных конструкций разнообразной формы. При этом решается и другая важная народнохозяйственная задача — снижение материалоемкости, а следовательно, и уменьшение сметной стоимости строительства большепролетных зданий.
Получившие применение в последние годы составные оболочки не являются единственно возможной конструктивной формой пространственных составных конструкций. Исследования показали, что принцип формообразования составных вспарушенных оболочек больших и средних пролетов может быть распространен и на другие виды пространственных покрытий — составные вспарушенные оболочки типа куполов, складки, применяемые для зданий с вытянутой формой плана, преимущественно прямоугольной. Иногда целесообразно конструировать большепролетные покрытия как пространственные системы, представляющие собой оптимальные композиции составляющих железобетонных оболочек, вант, стальных стержневых элементов. При этом используются сборные железобетонные элементы заводского изготовления. Геометрическая форма таких сборных элементов и их возможные сочетания сами по себе также влияют как на конструктивную форму составляющих оболочек, так и на их сочетания, т. е. на составные системы. В результате, образование составного сборного пространственного покрытия — сочетание отдельных оболочек, очерченных по поверхностям положительной гауссовой кривизны, рассматривается как эффективный путь оптимизации произвольной формы, Такая форма большепролетного покрытия должна отвечать всей сумме предъявляемых к нему требований экономичности, технологичности возведения, эксплуатационных и градостроительных.
Следует отметить, что способы расчета составных пространственных покрытий отличаются от распространенных методов расчета обычных оболочек цилиндрических и двоякой кривизны. Сложность формы плана, необходимость учета произвольных граничных условий, требований монтажной стадии обуславливают необходимость применения численных методов строительной механики, широко использующих современные ЭВМ. В связи с этим в книге излагаются основные принципы метода конечных элементов, применяемого для расчета составных оболочек. Наряду с этим особенности напряженно-деформированного состояния различных типов составных оболочек формулируются на основе широких экспериментальных исследований на крупномасштабных моделях, результаты которых сопоставлены с результатами расчета методом конечных элементов. Характеристики напряженно- деформированного состояния типов конструкций приводятся с использованием данных конкретных экспериментальных исследований. Поэтому особенности статической работы составных оболочек и приемы их конструирования показаны в пособии для наглядности также на конкретных численных примерах. Вместе с тем в некоторых случаях излагаются приближенные приемы расчета составных оболочек сложных форм, в расчетных схемах которых оболочки условно рассматриваются как совокупности балок, арок, шпренгельных систем, рам. Такие приемы носят сугубо ориентировочный характер и используются в основном для предварительного подбора сечений.
Конкретные примеры расчета и конструирования помогут студенту при курсовом и дипломном проектировании определить примерные параметры конструкций и сделать технико-экономический анализ вариантов. Эпюры усилий и деформаций позволят сопоставить и проверить качественный и количественный характер результатов расчетов. Достоверность рекомендуемых приближенных методов обоснована теоретическими и экспериментальными исследованиями и практикой проектирования.
ГЛАВА
ТОНКОСТЕННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СОСТАВНЫЕ ПОКРЫТИЯ
1.1. ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ
Составными тонкостенными оболочками называют покрытия, образованные совокупностью элементов поверхностей, пересекающихся между собой (рис. 1.1). Каждый из элементов поверхности образует составляющую оболочку, которую можно определить как тонкостенную оболочку, очерченную по единой геометрической поверхности.
Комбинируя отдельные фрагменты геометрических поверхностей, получают рациональные составные пространственные покрытия зданий с различной конфигурацией плана. Наиболее общим видом плана пространственных покрытий является многоугольный, так как при увеличении числа сторон он хорошо вписывается в круг; частным случаем многоугольного плана является квадрат. Во многих случаях конструкции оболочек с прямоугольным планом выполняются на основе конструктивных решений с многоугольным планом.
Напряженно-деформированное состояние составных оболочек определяется геометрической формой поверхности, конструктивными свойствами, характером и интенсивностью приложенной нагрузки, а также характером опирания по контуру, т. е. граничными условиями. Наиболее рациональное конструктивное решение зданий с составными оболочками заключается в том, что создается единая пространственная форма, опирающаяся непосредственно на контрфорсы или фундаменты. Такие составные пространственные системы одновременно выполняют функции «крыши» и «стен» и могут образовать основу конструктивной структуры здания. Каркас же, необходимый для устройства внутренних помещений, является при этом «встроенным», играющим второстепенную роль.
В соответствии с таким решением для составных оболочек чаще всего применяют контур в виде криволинейных ригелей, шарнирно опертых на колонны (см. рис. 1.1). Контур такого типа рассматривается как рамный, причем стойки жестко заделываются в фундаментах.
Очертание криволинейного ригеля, как правило, соответствует характеру геометрии примыкающего к нему участка поверхности оболочки. Контурные конструкции такого типа воспринимают преимущественно сдвигающие силы, передаваемые на них оболочкой. Поперечные силы, действующие на контур, несущественны.
Исходя из архитектурного решения фасадов, в качестве контуров могут быть приняты также арки (см. рис. 1.1) с опиранием на фундаменты, воспринимающие распор, и арки с затяжками. Однако при этом усложняется решение фундаментов, с которыми должны соединяться как контурные затяжки, так и промежуточные ригели или арки оболочки.
Если составная оболочка не устанавливается непосредственно на фундаменты или контрфорсы, а опирается в местах пересечения составляющих оболочек на колонны, то в таких случаях в качестве контурных конструкций применяют арки с затяжками. Граничные условия составных оболочек в общем случае характеризуются перемещениями контурных точек и углами поворота нормалей к сечениям деформированных поверхностей, а также значениями сил и моментов на контуре. В некоторых случаях граничные условия могут задаваться в смешанном виде: в перемещениях и усилиях.
При применении численных методов строительной механики, прежде всего метода конечных элементов, нет необходимости для упрощения расчета задаваться идеализированными граничными условиями так, как это делается при использовании классических аналитических методов. Для расчета оболочек положительной гауссовой кривизны, например, в последнем случае часто принимается шарнирное опирание оболочек на диафрагмы, которые рассматриваются как абсолютно жесткие в своей плоскости. При использовании метода конечных элементов учитывается податливость диафрагм, и в качестве граничных условий задаются жесткостные характеристики контуров.
Составные оболочки широко применяются в мировой строительной практике, так как в конструктивных решениях составных покрытий удается сочетать возможность удовлетворения архитектурных требований с условиями рациональной статической работы. В условиях сборного .строительства наряду с указанными преимуществами возможно также использование рациональных методов возведения составных оболочек.
Рассмотрим задачу перекрытия зданий большого пролета. Эти здания могут быть торгового, транспортного, спортивного, зрелищного, а также производственного назначения. Во многих случаях их функциональный процесс таков, что назначения центральной части и помещений, располагаемых по периметру, различны. Например, в зданиях зрелищного или спортивного назначения в центральной части располагаются арена, эстрада, где проводятся соревнования или выступления, а также места для зрителей, а по периметру — вспомогательные помещения (фойе, буфеты, гардеробы). В крытых рынках центральную часть обычно занимает главный торговый зал, к которому пристраиваются магазины, административные . помещения, навесы для летней торговли и т. д. Такую же объемно-планировочную структуру могут иметь крытый гараж-стоянка, лабораторный корпус с залом для испытаний, промышленные сооружения с циклическим технологическим процессом.
Рассмотрим варианты конструктивных схем покрытий таких сооружений с применением оболочек, очерченных по единой поверхности, и составных оболочек. На рис. 1.1, а показаны варианты покрытий сооружений: куполом, очерченным по единой поверхности; составным покрытием в виде сочетаний центральной и боковых оболочек положительной гауссовой кривизны или в виде сочетания центральной оболочки положительной гауссовой кривизны и боковых оболочек другой формы с более мелким членением, например, в виде коноидов или складчатых элементов.
Аналогичные варианты приведены на рис. 1.1, б для сооружения с треугольным планом. При применении составных оболочек объем перекрываемого здания может быть значительно меньше по сравнению с вариантом оболочки, очерченной по единой поверхности (см. рис. 1.1). Уменьшение объема вызвано тем, что центральная часть сооружения в этом случае перекрывается оболочкой положительной гауссовой кривизны с высотой подъема, соответствующей требованиям функционального процесса в этой части здания, а помещения, расположенные по периметру — боковыми оболочками, между которыми могут быть встроены витражи для естественного освещения. Объем такого сооружения будет меньше, чем сооружения, перекрытого куполом, при лучшем соответствии покрытия функциональным требованиям, различным в разных частях большепролетного здания. Объем сооружения, перекрытого составной оболочкой, уменьшается по сравнению с «гладкой» оболочкой — куполом — прежде всего за счет «западений» в местах сопряжения составляющих оболочек. При этом места сопряжения поверхностей этих оболочек образуют «лотки», имеющие форму складок. «Лотки» характеризуются повышенной жесткостью по сравнению с остальной частью составной оболочки. Поэтому такая оболочка менее деформативна, чем «гладкая», значит ее строительная высота, а следовательно, и объем сооружения могут быть меньше, чем при «гладких» оболочках. Важно то, что составные оболочки, как правило, имеют повышенную устойчивость за счет таких зон повышенной жесткости складчатой формы в местах сопряжения составляющих элементов (см. ниже гл. 10).
К недостаткам составных оболочек относится то, что в местах соединения составляющих оболочек конструкция усложняется. Во многих случаях в этих зонах требуется устройство дополнительных ребер или ригелей. Значительно усложняется геометрия поверхности и увеличивается число типоразмеров доборных элементов либо устраиваются монолитные зоны.
Принцип расчленения составной сборной оболочки на составляющие позволяет осуществлять монтаж таких конструкций с предварительной укрупнительной сборкой в самонесущие секции. В этом случае по условиям монтажа предпочтительнее может оказаться вариант с более мелким членением боковых оболочек, как показано на рис. 1.1, а (см. ниже § 12.4).
Объемно-планировочные и конструктивные решения с расчленением сооружений на центральную и боковые части приведены в табл. 1.1. Конструкция зала с круглым планом (п. 1) не является единой пространственной формой в виде составной оболочки, хотя внешне и напоминает ее. Отличие ее статической работы от составной оболочки вызвано наличием подстропильной кольцевой балки и функцией складок, которая сводится только к роли колонн, интенсивно работающих на изгиб с относительно небольшим сжатием. Примером более органичного решения является собор Св. Марии (табл. 1.1, п. 2).
Во многих архитектурных решениях внешний вид сооружения такого же типа достигается применением складок с плоскими гранями, работающих по схеме колонн, а покрытие при этом конструируется по любой схеме, например может выполняться в виде складок. Однако единой пространственной, формы в этих случаях не образуется (см. табл. 1.1, пп. 5 и 6). Конструктивное решение павильона на ВДНХ УССР (п. 4) является как бы промежуточным между единой пространственной формой всего сооружения и автономным решением конструкции стен и покрытия, при котором колонны выполняются в виде отдельных складок или оболочек.
Рассмотрение конструктивных схем оболочек показывает, что во многих случаях их конструируют с центральным кольцом, на которое опираются составляющие оболочки. Центральное кольцо чаще всего используют и для устройства светового или светоаэрационного фонаря. Оно удобно и для стыкования радиальных арок и других элементов составляющих оболочек. При увеличении диаметра центрального кольца до размеров, существенно превышающих нормы естественного освещения, целесообразно перекрыть его несущей конструкцией с необходимыми размерами проемов, например оболочкой. Так, при разработке конструктивной схемы здания с центрическим планом пролетом более 24... 30 м целесообразно его центральную часть, в частности центральное кольцо пространственного покрытия, перекрыть оболочкой, сопрягая ее с примыкающей частью конструкции и формируя таким приемом составное покрытие с центральной оболочкой.
Центральные оболочки в составных покрытиях рационально конструировать с поверхностью положительной гауссовой кривизны, поскольку сборные оболочки положительной гауссовой кривизны имеют лучшие технико-экономические показатели, особенно по расходу материалов, чем цилиндрические оболочки и оболочки отрицательной гауссовой кривизны.
Таким образом, преимущества использования в большепролетном составном покрытии элементов в виде центральных оболочек заключается в том, что они позволяют: удовлетворить функциональные требования технологического - процесса; удовлетворить требования технологичности монтажа; создать условия рациональной статической работы; придать сооружениям выразительный архитектурный образ.
Возможен и другой способ улучшения условий статической работы оболочек большого пролета. Можно на предварительно установленные элементы каркаса в виде системы арок при сборке покрытия установить («натянуть») составную оболочку. В этом случае центральную оболочку заменяют центральным кольцом; подкрепляющую роль выполняет каркас из радиальных элементов. Центральное кольцо является элементом, на который могут опираться радиальные арки. Преимуществом в статической работе такой оболочки с подкрепляющим каркасом может быть, в частности, улучшение напряженного состояния приконтурных зон по сравнению с куполами, очерченными по единой поверхности, и повышение общей устойчивости покрытия.
Таким образом, принцип применения центральных оболочек положительной гауссовой кривизны и центрально-радиальных каркасов позволяет компоновать составные оболочки в виде сочетания двух подсистем: центрального или центрально-радиальных элементов и боковых оболочек (рис. 1.2).
Центральная оболочка и центрально-радиальный каркас в составных оболочках являются элементами жесткости, поэтому рассматриваемые конструкции называют составными оболочками с элементами жесткости. Расчленение конструктивной структуры' покрытия на указанные элементы позволяет при относительно небольшом пролете боковых оболочек — «лепестков» за счет применения центрального «ядра» элементов жесткости перекрывать составными оболочками значительно большие пролеты, чем «гладкими», очерченными по единой поверхности. При этом для возведения сооружения не требуются специальные технологические приемы (сплошные монтажные леса, предварительное напряжение) ввиду предварительной укрупнительной сборки в арочные секции или оболочки. Примеры конструктивных решений такого типа, внедренных в строительство, приведены в гл. 10.
Следовательно, основные достоинства составных оболочек, позволяющие увеличить их пролет, — это повышенная устойчивость за счет лоткообразных зон соединения составляющих фрагментов, имеющих большую жесткость, пониженная деформативность и возможность монтажа самонесущими составляющими элементами. Однако усложненная форма покрытия требует специальных конструктивных мероприятий в местах сопряжения («сшивания») составляющих оболочек.
На основе изложенного рассмотрим такую конструктивную структуру составных оболочек (см. рис. 1.2), в которой 1 — центральная оболочка положительной гауссовой кривизны; центрально-радиальный каркас из центрального кольца 2 и радиальных арок 3; 4 — боковые оболочки основные и 5 — дополняющие; 6-— контурные элементы; 7 — затяжки; 8 — опоры; 9 — сборные плиты.
Центральные и боковые оболочки являются составляющими оболочками, элементами составного покрытия. Могут рассматриваться составные покрытия с совместно работающими центральной оболочкой и центрально-радиальным каркасом, как показано на рис. 1.2, или покрытия, где один из этих элементов (например, каркас) отсутствует.
Конструктивные схемы с произвольной формой плана центральных оболочек могут иметь, однако, центр симметрии. Форма плана боковых оболочек должна быть такова, чтобы обеспечить возможность компоновки составной оболочки с многоугольным планом произвольной формы, близким к криволинейному. Целесообразность такого плана заключается также и в том, что при сборных решениях для его перекрытия удобно использовать унифицированные плиты с прямоугольным или трапециевидным планом. В таком случае общим случаем формы плана боковых оболочек будут являться треугольник, трапеция, близкая к треугольнику, или сочетание этих фигур. Такие оболочки можно расчленить, например, на унифицированные цилиндрические плиты номинальными размерами 3X6 м с прямоугольным или трапециевидным, близким к прямоугольному планом и треугольные, поверхности которых -должны быть частью поверхности прямоугольных плит.
...