Ребристо кольцевой металлический купол

Обновлено: 28.09.2024

Купола представляют собой конструкцию с криволинейным или многоугольным планом и имеют криволинейное очертание в вертикальной плоскости.

По конструкционным схемам они подразделяются на: купола-оболочки; ребристые купола; ребристо-кольцевые; ребристо-кольцевые с решетчатыми связями; сетчатые купола.

Купола-оболочки – имеют поверхность, образованную вращением плоской кривой вокруг вертикальной оси сооружения. Элементами такого купола является ассиметричная напряженная оболочка вращения и растянутое опорное кольцо.

Проектируются купола преимущественно из монолитного армированного бетона и стального проката для сетчатых покрытий.

Монолитные купола являются преимущественно гладкими. Толщину стенок гладких куполов рекомендуется принимать равной от 1/1000 до 1/600 радиуса кривизны оболочки в вершине.

В зоне примыкания оболочки к опорному контуру ее толщину обычно увеличивают для восприятия краевого эффекта и кольцевых усилий с установкой в этих зонах дополнительной арматуры. При необходимости устраивается фонарное кольцо. Оболочка купола может быть образована также волнистыми и складчатыми элементами.

Конструктивная схема монолитного купольного покрытия приведена на рисунке 6.1.


Рисунок 6.1. Конструктивная схема монолитного купола: 1-опорный

контур; 2-монолитная оболочка; 3-арматурные каркасы контура и оболочки;

Rвн – радиус вершины купола;

Ребристый купол (см. рис. 6.2) состоит из отдельных плоских ребер, которые устанавливаются в радиальном направлении купола. Ребра соединены в вершине купола опорным кольцом, а внизу они опираются на опору в виде преднапряженной конструкции опорного контура. Элементами купола являются нижнее опорное кольцо, собственно ребра и верхнее кольцо. Ребристые вспарушенные купола являются распорной системой, в которой распор может восприниматься фундаментами, стенами, или опорным кольцом.

Ребристые купола проектируются из сборного железобетона, металла, и древесины. В первом случае по каркасу из ребер могут укладывать тонкостенные железобетонные плиты криволинейного и плоского очертания. Во втором случае – ребристые блоки формируются из пространственных решетчатых конструкций – сегментов с покрытием по верхним поясам «решетки» прокатного листа б=3-4 мм.

Ребристо-кольцевой купол – состоит из плоских радиальных плит, которые соединяются в кольцевом направлении прогонами, совместно образующими жесткую пространственную систему.


Рисунок 6.2. Конструктивная схема ребристого купола: 1- опорный контур; 2 - верхнее опорное кольцо; 3 - ребра купольной оболочки; 4 - сборные элементы купола.

В этом случае прогоны не только работают на местный изгиб от веса кровли, но воспринимают усилия от общей нагрузки, передаваемой куполу. Последний превращается в купол-оболочку при условии, если конструктивными приемами обеспечивается совместная работа плит с ребрами.

Конструктивная схема ребристо-кольцевого купола приведена на рис. 6.3.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями – представляют собой многогранники, вписанные в поверхность вращения оболочки. Купол состоит из радиальных ребер и колец, между которыми располагаются раскосы. Наличие последних уменьшает усилия в ребрах и кольцах. Распор купола воспринимается растянутым опорным кольцом. Вверху радиальные ребра соединяются верхним кольцом, служащим одновременно для устройства светового фонаря.

Схема ребристо-кольцевого купола со связями приведена на рис. 6.4.

Ребристо-кольцевые и ребристо-кольцевые со связями, выполняются, как правило, металлическими.

Сетчатые купола (см.фрагменты рис. 6.4). Такие купола представляют собой многоугольники, вписанные в сферическую или другую криволинейную поверхность вращения и состоящие из одного слоя конструктивных элементов.

Такие купола проектируются в основном металлическими, но могут выполняться также из дерева или железобетона. Ребра сетчатых куполов могут


Рисунок 6.3. Конструктивная схема ребристо-кольцевого купола:

1- опорный контур; 2- верхнее опорное кольцо; 3- меридиальные ребра жесткости; 4- кольцевые ребра жесткости; 5- сборный элемент купольной оболочки.

располагаться по геодезическим линиям на поверхности или образовывать системы правильных многоугольников, соединяемых в пространственную систему в виде выпуклых многогранников, вписанных в сферическую поверхность. Размеры высоты сечений меридиональных ребер ребристых и ребристо-кольцевых куполов назначаются из соотношения 1/60-1/120 диаметра купола. Опорное кольцо купола в случае опирания его на уровне земли устраивается железобетонными, совмещенными с фундаментом.

Купола, не являющиеся поверхностями вращения, могут быть скомпонованы в результате использования оболочек, двоякой кривизны, пересекающихся в меридиональных плоскостях, образуя углы перелома поверхности. Такие конструкции называют составными полигональными оболочками или многоугольными куполами. Форма таких куполов приведена на рисунке 6.5.

Ребристо- кольцевые купола. Схемы. Основные элементы. Работа. Расчетные схемы.

Жесткость конструкции при наличии в сетках продольных элементов существенно увеличивается; конструкция может работать как оболочка пролетом L. Опорами оболочки могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовой диафрагмой .

Чтобы увеличить жесткость оболочки, целесообразно крайние сво­бодные грани усилить вертикальными и горизонтальными бортовыми элементами


Наиболее жесткими и выгодными с точки зрения расхода стали являются сетки, у которых есть и продольные, и поперечные стержни (ребра), а решетка направлена к ним под углом 45°.Наличие поперечных ребер даже с небольшим моментом инерции уменьшает деформацию поперечного контура, перераспределяя изгиба­ющие моменты и выравнивая эпюру нормальных напряжений по всему поперечному сечению.


19.Складки.Схемы. Работа основных элементов.

Оболочки без поперечных ребер рассчитывают как безмоментные складки

Купола. Область применения. Схемы.

Конструкции куполов бывают трех видов: ребристые ребристо-кольцевые и сетчатые

Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных ребер, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами. Верхние пояса ребер в большинстве случаев образуют поверхность купола, сферическую. Несущая конструкция купола может поддерживать кровлю, выполненную в виде специальной надстройки; В ребристо-кольцевых куполах кольцевые прогоны с ребрами составляют одну жесткую пространственную систему.

В этом случае кольцевые прогоны не только работают на изгиб от реакций промежуточных ребер, но и воспринимают растягивающие или сжимающие кольцевые усилия. Если в ребристом и ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением стержней в узлах. В сетчатых куполах между ребрами и кольцами располагаются раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола и стержни работают только на осевые силы, что уменьшает вес ребер и колец.
Купол — одна из наиболее эффективных форм тонкостенных пространственных конструкций. Его многообразные конструктивные решения обладают архитектурной выразительностью и позволяют перекрывать пролеты до 150 м. Купольные покрытия применяют для круглых, эллиптических или полигональных в плане зданий и сооружений различного назначения.

Ребристые купола. Схемы. Основные элементы. Работа. Расчетные схемы.


Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных ребер, расположенных в радиальном направлении) и связанных между собой прогонами. Верхние пояса ребер в большинстве случаев образуют поверхность купола, обычно сфе­рическую. Ребра купола могут быть сквозными в виде легких ферм или сплош­ного сечения. Ребра сплошного сечения тяжелее, но более просты в из­готовлении, особенно при применении прокатных балок. В вершине ку­пола располагается кольцо, к которому примыкают ребра купола. Коль­цо следует проектировать достаточно жестким, принимая во внимание его работу на сжатие, изгиб и кручение, так как пара ребер, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных кольцом, рассматрива­ется как единая арочная конструкция. При шарнирном прикреплении ребер к кольцу и небольшом его диаметре можно считать, что ребра работают как трехшарнирные арки. Иногда при частом расположении ребер или по архитектурным соображениям кольцо получается значи­тельного диаметра. Тогда, чтобы повысить его жесткость и устойчивость, кольцо раскрепляют внутренними распорками.

Ребристые купола являются распорными системами. Распор может быть воспринят конструкцией стен или специальным опорным кольцом (металлическим или железобетонным). Опорное кольцо может иметь в плане форму окружности или многоугольника с жесткими или шарнир­ными сопряжениями в углах. Круглое кольцо проектируют при доста­точно частом расположении ребер. На нижележащие конструкции или на основание кольцо укладывается свободно (с точки зрения развития деформаций в нем) и должно быть закреплено лишь от горизонтального смещения при действии ветровой нагрузки. Наиболее целесообразно устраивать жесткое многоугольное кольцо с опорами в углах, подвиж­ными в радиальном направлении. В этом случае возможны упругие деформации кольца от действия распора и температуры, но от горизон­тального смещения в целом кольцо оказывается закрепленным.

Между ребрами укладывают кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Кольцевые прогоны обеспе­чивают общую устойчивость ребер купола из их плоскости, уменьшая расчетную их длину. Для обеспечения общей жесткости купола целесо­образно в плоскости кровли поставить связи между ребрами (см. рис. 18.12,а). В пологих куполах ребра могут иметь горзонтальный нижний пояс, тогда несущая конструкция образует безраспорную радиально-балочную систему .

Ребристый купол при расчете на вертикальную, симметричную от­носительно оси купола нагрузку может быть расчленен на отдельные плоские арки, каждая из которых воспринимает нагрузку с приходящей­ся на нее грузовой площади. Если распор купола воспринимается опор­ным кольцом, то кольцо может быть заменено условной затяжкой, на­ходящейся в плоскости каждой пары ребер, образующих плоскую арку.

Площадь сечения условной затяжки принимается такой, чтобы ее упру­гие деформации были равны упругим деформациям кольца в диамет­ральном направлении от горизонтальных реакций всех ребер

Ребристо- кольцевые купола. Схемы. Основные элементы. Работа. Расчетные схемы.

В ребристо-кольцевых куполах кольцевые прогоны с ребрами со­ставляют одну жесткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны не только работают на изгиб от реак­ций промежуточных ребер, но и воспринимают растягивающие или сжи­мающие кольцевые усилия.

Сечения купола, находящиеся в плоскостях кольцевых прогонов, не имеют свободных горизонтальных перемещений, так как они связаны между собой жесткими кольцами. Вес ребер в ребристо-кольцевой кон­струкции купола уменьшается благодаря включению в работу кольце­вых прогонов. Наиболее простое конструктивное решение получается, когда ребра и кольцевые прогоны сделаны из прокатных профилей. В этом случае сопряжения ребер с прогонами можно конструировать по типу шарнирных сопряжений в балочных системах.

Кольцевые прогоны в ребристо-кольцевом куполе работают так же, как опорное кольцо в ребристом куполе, и могут быть заменены услов­ными затяжками . Таким образом, при симметричной отно­сительно оси купола нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых прогонов. Площадь сечений условных затяжек определяется по фор­мулам .

Неизвестные усилия в затяжках проще всего определять методом сил, решая систему уравнений с п неизвестными, где п — число услов­ных затяжек. При горизонтальных нагрузках ребристо-кольцевой купол рассчитывают так же, как и ребристый, условно считая, что сечения ку­пола смещаются одно относительно другого без поперечных деформа­ций '.

Сетчатые купола. Основные элементы. Работа. Расчетные схемы.

Если в ребристом и ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединени­ем стержней в узлах. В сетчатых куполах между ребрами и кольцами располагаются раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола и стержни работают только на осевые силы, что уменьшает вес ребер и колец. Могут быть и другие рисунки сетчатых поверхностей.

В последнее время при строительстве куполов большого диаметра сетчатые купола получают широкое распространение благодаря своей легкости и красивому рисунку конструктивной схемы.

Обычная система сетчатого купола состоит из радиальных ребер, кольцевых прогонов и диагоналей, поставленных в каждом четырех­угольнике, ограниченном двумя ребрами и двумя прогонами, т. е. пред­ставляет собой многогранник, образованный из ребер и кольцевых про­гонов. Отдельные плоские грани этого многогранника в конструктивном отношении могут представлять собой отдельные плоские рамки, явля­ющиеся монтажными элементами купола, соединяемыми между собой обычно на болтах. В таком случае ребра и кольца образуются из пар­ных элементов, окаймляющих смежные грани.

Снизу купол завершается нижним кольцом, воспринимающим рас­пор купола. Сверху купол имеет кольцо, к которому примыкают верх­ние стержни сетки; часто это кольцо поддерживает конструкцию фо­наря.

Многогранники сетчатых куполов могут быть весьма разнообразны­ми. Распространены звездчатые купола, все грани которых являются треугольниками, а также геодезические системы куполов, несущие эле­менты которых являются ребрами многоугольника, вписанного в сферу


Купол может быть однослойным и двухслойным. Узлы сопряжения стержней в двухслойных геодезических куполах размещаются аналогич­но узлам структур на поверхностях двух концентрически расположен­ных сфер, разность радиусов которых определяет конструктивную вы­соту поверхности купола. Двухслойная конструкция купола обладает большой жесткостью и несущей способностью и может перекрывать пролеты практически неограниченных размеров.

Стержни сетчатых куполов большей частью делают из труб; узлы осуществляют на штампованных фасовках, шаровых сердечниках или патрубках. В несущую систему куполов может быть включена огражда­ющая конструкция, состоящая из штампованных алюминиевых или стальных листов. Расчет сетчатых куполов производится на ЭВМ.

Висячие покрытия. Общие сведения. Основные Элементы. Роль отечественных ученых в развитии висячих покрытий.

Висячими называют покрытия, в которых основные элементы пролет­ной несущей конструкции работают на растяжение. В растянутых эле­ментах наиболее полно используются высокопрочные материалы, по­скольку их несущая способность определяется прочностью, а не устой­чивостью. Во многих покрытиях несущая конструкция выполнена из стальных канатов-тросов, свитых из высокопрочной проволоки (об — = 1200..2400 МПа). Работа на растяжение, позволяющая полностью ис­пользовать всю площадь сечения ванта, и высокая прочность материа­ла приводят к тому, что масса несущей конструкции относительно мала, а следовательно, эффективность применения Висячих конструкций воз­растает с увеличением пролета.

Ряд висячих покрытий выполнен в виде стальных оболочек-мембран, работа которых на растяжение в двух направлениях делает их также малометаллоемкими.

Таким образом, висячие конструкции покрытий являются одной из наиболее перспективных конструктивных форм для применения новых высокопрочных материалов.

Висячие покрытия легко транспортировать (так как они не имеют крупногабаритных элементов); монтаж их можно вести без подмостей. Однако сооружение висячих покрытий имеет свои трудности, от удач­ного преодоления которых зависит эффективность покрытия в целом.

Висячие системы — системы распорные, и для восприятия распора (горизонтальной составляющей тяжения тросов или оболочки) необхо­дима опорная конструкция, стоимость которой может составлять значи­тельную часть стоимости всего покрытия. Уменьшить стоимость опор­ной конструкции за счет повышения эффективности ее работы возмож­но созданием покрытий круглой, овальной и других непрямоугольных форм плана, который плохо согласуется с планировкой производствен­ных зданий и поэтому в них применяется редко. К специфическим особенностям висячих покрытии относится их по­вышенная деформативность. Это вызвано тем, что модуль упругости витых тросов меньше, чем у прокатной стали, и составляет лишь /:« « (1,5. 1,8) 10 5 МПа, а область упругой работы высокопрочного мате­риала значительно больше, чем у обычной стали. Таким образом, отно­сительная деформация троса в упругой стадии работы е = а/Е получа­ется в несколько раз больше, чем у элементов из обычной стали.

Повышенная деформативность висячих покрытий определяется также и тем, что большинство систем висячих покрытий является системами мгновенно-жесткими (частный случай геометрически изменяемых си­стем), т.е. системами, которые работают упруго лишь на равновесные нагрузки (обычно равномерно распределенные, например вес покры­тия), а при действии неравновесных нагрузок (обычно неравномерно распределенных по покрытию) в них помимо упругих деформаций по­являются еще и кинематические перемещения (неупругие перемещения системы, определяемые изменением ее геометрической схемы, под дей­ствием нагрузки другого, отличного от первоначального вида). Чтобы уменьшить кинематические перемещения, висячие покрытия часто про­ектируют со специальными стабилизирующими устройствами и предва­рительно напрягают; дополнительные конструктивные мероприятия не­сколько снижают эффективность применения висячих систем покрытий. Повышенная деформативность висячих покрытий затрудняет их приме­нение в зданиях с крановым оборудованием. Обе эти причины серьез­но сдерживают применение висячих покрытий в производственных зда­ниях; висячие покрытия в настоящее время применяются в основном для общественных зданий и спортивных сооружений больших пролетов. Висячие покрытия, как правило, рассчитываются на ЭВМ с учетом нелинейности их деформации.

25.Однопоясные системы с гибкими вантами. Схемы. Основные элементы. Работа. Достоинства. Недостатки.


Примером таких систем могут служить покрытие гаража в Красно­ярске пролетом 78 м и покрытие рынка диаметром 80 м в Бауманском р-не Москвы. Оба покрытия представляют со­бой предварительно напряженные железобетонные оболочки, работаю­щие на растяжение. Напряженной арматурой в них является система из гибких вант, на которые во время монтажа укладывают сборные же­лезобетонные плиты. До замономоличивания швов между плитами на ванты дается пригруз или создается натяжение вант, что совместно с весом конструкции вызывает растягивающие напряжения в вантах, близкие к их расчетному сопротивлению. После твердения бетона замоноличивания пригруз снимают, ванты обжимают железобетонные пли­ты, и образовавшаяся железобетонная оболочка получает предваритель­ное напряжение сжатия, позволяющее ей воспринимать растягивающие напряжения от внешних нагрузок и обеспечивающее общую жесткость конструкции; несущая же способность оболочки обеспечивается растяже­нием вант. В покрытиях прямоугольного плана распор вант воспринимает опорная конструкция из оттяжек и анкеров, закреп­ленных в грунте; в покрытиях круглого плана распор пе­редается на наружное (сжатое) железобетонное кольцо, лежащее на колоннах, и внутреннее (растянутое) металлическое кольцо. Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет /« ( 1 1ю— 1 /2о)1\ оболоч­ки являются пологими.

Сечение вант покрытия определяют по монтажной нагрузке, когда покрытие полностью равномерно загружено весом конструкции и при-грузом (до схватывания бетона в процессе замоноличивания). В этом случае ванты работают как отдельные нити (связность их в центре круглого покрытия не сказывается на их работе), и распор в них мож­но определять без учета их деформаций. Достоинством канатно-балочных систем является их повышенная жесткость на изгиб, которая возрастает в случае применения в качестве поперечной конструкции ферм, заделанных в опорный контур. Конструкция покрытия приобретает пространственную жесткость, хорошо работает при местном загружении и позволяет применять легкую кровлю.

Купольные покрытия

Мировой опыт строительства показывает, что одной из эффективных форм пространственных конструкций являются купола. Наиболее рациональными они оказываются при перекрытии больших пролетов. Так, если плоскостные конструкции пролетом до 40 м по металлоемкости еще могут конкурировать с купольными, то с увеличением пролета преимущество купольных очевидно. Эффективность этих конструкций возрастает с увеличением пролета и не случайно, что большинство покрытий более 200 м являются купольными. Велики и композиционные возможности таких конструкций. Они позволяют 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. Первые металлические купола появились в конце 19 века. Основная заслуга в развитии этих конструкций принадлежит Феппелю и Шведлеру. В 20 веке значительный вклад в развитие купольных конструкций внесли Ледерер, Маковский, Отто, Райт, Фуллер, Туполев М. С, Липницкий М. Е., Савельев В.

Купола — распорные системы, имеющие в своем составе, как правило, три основных конструктивных элемента: нижний опорный контур, оболочку, верхний опорный контур (рис. 3.41). Основные типологии металлических куполов:

а) по конструкции: ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые со связями, сетчатые, пластинчатые;

б) по форме: сферические, эллиптические, стрельчатые, зонтичные и другой формы.

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

Рис.3.41 Конструктивная схема купола:

1 – верхний опорный контур; 2 – оболочка; 3 – нижний опорный контур

Купольные покрытия применяют для круглых, эллиптических или полигональных в плане зданий и сооружений различного назначения.

Поверхность купола с круговым основанием получается вращением вокруг вертикальной оси меридиональной кривой (образующей) – дуги круга, эллипса, параболы, циклоиды или комбинации из них (рис. 3.42). образующей может служить прямая, при вращении которой получается конус. Купола с эллиптическим планом имеют более сложную поверхность. Могут применяться также волнистые, складчатые, а при многоугольном плане – многогранные купола.


Рис.3.42 Типы куполов:

а – сферический; б – стрельчатый; в – эллиптический; г – параболический;

д - конический; е – волнистый; ж – складчатый; з - многогранный

Ребристые купола (рис. 2.43) состоят из отдельных плоских ребер, поставленных в радиальном направлении. При прямолинейных ребрах образуются пирамидальные или конические купола. Верхние пояса ребер составляют поверхность купола, в его вершине они примыкают к верхнему кольцу. Иногда при частом расположении ребер или устройстве на вершине купола фонаря кольцо получается значительных размеров; тогда в целях повышения жесткости и устойчивости его скрепляют внутренними распорками, по крайней мере, в двух диаметральных плоскостях. Ребристые купола являются распорной системой. Распор может быть воспринят конструкцией фундаментов, стен или специальным опорным кольцом. Опорное кольцо проектируют в плане изогнутым по окружности или в виде многогранника с жестким или шарнирным сопряжением в углах. При достаточно частом расположении ребер возможно устройство круглого кольца. При редко поставленных ребрах опорное кольцо лучше проектировать многоугольным во избежание его работы на изгиб и кручение. Наиболее распространено жесткое многоугольное кольцо с опорами в углах, имеющими подвижность в радиальном направлении. Между ребрами обычно укладывают специальные настилы или создают мембранное покрытие. Мембранные или панельные покрытия обеспечивают общую устойчивость ребер в плоскости покрытия, уменьшая расчетную длину ребер. Возможно устройство кровли по кольцевым прогонам между ребрами.

Рис.3.43 Ребристый купол

Ребристо-кольцевые купола (рис. 3.44). Устройство и включение в работу конструкции кольцевых прогонов приводит к созданию ребристо-кольцевой схемы. Последние могут быть использованы как затяжки купола. В этом случае кольца не только работают на местный изгиб от нагрузок кровли, но и воспринимают нормальные усилия от ребер купола, а в случае жесткого сопряжения колец с ребрами — и изгибающие моменты. Однако вследствие малой жесткости колец и ребер в плоскостях, касательных к поверхности купола, влиянием жесткости узлов можно пренебречь и считать, что кольца примыкают к ребрам шарнирно.

Рис.3.44 Ребристо-кольцевой купол

Ребристо-кольцевые купола со связями (рис. 3.45) представляют собой дальнейшее увеличение связности системы, пространственности работы, путем введения в конструкцию раскосов между ребрами.

Рис.3.45 Купол ребристо-кольцевой с решетчатыми связями

Сетчатые купола образуются, если в ребристо-кольцевом куполе со связями увеличивать связность системы вплоть до образования крестовых связей в каждой ячейке купола, именно такую конструкцию представляет купол Шведлера (рис. 3.46), являющийся одним из первых сетчатых куполов. Возможно и другое определение сетчатого купола, как многогранника, вписанного в сферическую или другую поверхность вращения и состоящего из одного или двух слоев конструктивных элементов, образующих треугольную, ромбовидную, трапециевидную, пяти и шестиугольную сетку. Такие купола в ряде литературных источников называют также геодезическими или кристаллическими. Сетчатые купола обычно имеют только нижнее опорное кольцо.


Рис.3.46 Сетчатый купол Шведлера

Родоначальниками геодезических и кристаллических систем являются проф. М.С. Туполев (Россия) и Р.Б. Фуллер (США). Сетчатые купола являются наиболее экономичными по расходу материала вследствие пространственной работы каркаса и равномерности распределения материала по поверхности оболочки.

Пластинчатые купола собирают из металлических пластин (панелей), которые имеют выштампованные ребра жесткости, связанные между собой по контуру сваркой или узловыми соединениями.

Принцип формообразования куполов

Формообразование ребристых, ребристо-кольцевых и ребристо-кольцевых со связями куполов сводится к определению формы и координат плоской арки, образованной из двух диаметральных ребер. Форму арки определяют на этапе архитектурного проектирования, расчет координат ведут по известным формулам аналитической геометрии.

Формообразование сетчатых и пластинчатых куполов является более сложным процессом. Выбор и расчет геометрической схемы купола является первой и очень ответственной стадией проектирования, так как именно от этого зависит число типоразмеров элементов, конструкция узлов сопряжений, способы изготовления и монтажа элементов и в конечном итоге эффективность конструкции.

В процессе формообразования поверхности купола можно выделить три этапа:

  • выбор поверхности;
  • выбор способа разрезки (под термином «разрезка» понимается способ нанесения на выбранную поверхность сети геометрических линий каркаса купола);
  • расчет координат узлов.

Поверхности сетчатых оболочек, в основном, ограничиваются двумя классами: поверхности параллельного переноса (эллиптический параболоид, круговая поверхность переноса, гиперболический параболоид) и поверхности вращения (сфера и др.).

Преобладающее количество сетчатых куполов построено на сфере, поэтому дальнейшее рассмотрение вопросов формообразования сетчатых куполов будем проводить, исходя из построений на сфере.

Для оболочек вращения очень часто за основу принимают меридионально-кольцевую систему разрезки. Суть этой системы заключается в членении поверхности вращения меридиональными и параллельными плоскостями на треугольные (у полюса) и трапециевидные элементы (рис. 3.47).

Наибольшее распространение из сетчатых оболочек вращения получили сетчатые сферические купола на круглом и многоугольном (вписанном в круг) плане. Системы разрезок таких куполов многообразны. Можно различить два основных этапа построения этих систем. Вначале производят первичную разбивку шарового сегмента на определенное число одинаковых участков, а затем выполняют окончательную разрезку каждого полученного участка на более мелкие. Первичную разбивку в основном осуществляют по меридиональной схеме или по схемам правильных и полуправильных многогранников.


Рис.3.47 Формирование сетки купола по способу разрезки сферы: меридионально-кольцевая разрезка

Звездчатая система (рис. 3.48). Первичная разбивка такой системы — меридиональная. На сферический сегмент наносят сеть меридианов. Каждый полученный участок делят четырехугольными ячейками таким образом, чтобы два противоположных узла ячейки располагались на одном меридиане, а два других — на одной параллели.

Может быть построено две разновидности сетей, применяемых для этой системы разрезки, — правильная сеть Чебышева и сеть локсодромий.

Применение правильной сети Чебышева (рис. 3.48, а) приводит к сгущению сетки по мере приближения к полюсу купола. Использование сети локсодролий (линий, имеющих постоянный угол наклона к меридиану) частично устраняет этот недостаток, однако значительное уменьшение длины боковых сторон треугольников также вызывает сгущения сетки.

В звездчатой системе с применением сети Чебышева длина стержней вдоль линий сети постоянна, хотя изменение углов между стержнями приводит к тому, что число узловых элементов равно числу ярусов. При локсодромной разрезке (рис. 3.48, б), наоборот, узловые элементы могут быть одного типоразмера, а число типоразмеров стержней, расположенных вдоль линий сети, может быть равно числу ярусов.

Система Кайвитта. Эта система устраняет основной недостаток звездчатой системы — сгущение сетки. Первичная разбивка — меридиональная. Основание каждого полученного сектора делят на определенное количество равных участков, а затем проводят кольцевые сечения, число которых равно числу членений основания. Каждое кольцевое сечение делят на равные части, число которых в каждом последующем сечении, считая от основания сектора, уменьшают на единицу (рис. 3.49). Полученные точки соединяют и таким образом получают сеть треугольников, основание которых вдоль каждого яруса, как и в звездчатой системе, равны. Однако образованные таким способом треугольники в отличие от звездчатой системы неравнобедренные, поэтому число их типоразмеров соответствует квадрату числа ярусов.


Рис.3.48 Звездчатая система:

а – на основе сети Чебышева; б – на основе сети локсодромий


Рис.3.49 Система Кайвитта

Система «Ромб-1». Сущность этой системы заключается в первичном меридиональном делении купола на сектора с последующим членением каждого сектора на ромбовидные ячейки путем нанесения правильной сети Чебышева. Если в звездчатой схеме противоположные узлы ячейки сети расположены на меридианах или соответственно на параллелях, то в данной системе линии сети Чебышева различных направлений располагаются вдоль боковых сторон сектора.

В результате такой разбивки получается достаточно равномерная сеть из равнобедренных треугольников, число типоразмеров которых приблизительно в два раза меньше, чем в системе Кайвитта. Система «Ромб-1» применена, в частности, при проектировании купола диаметром 65 м в Душанбе (рис. 3.49.1).

В отличие от звездчатой системы и системы Кайвитта основания секторов купола не совпадают с кольцевыми сечениями и образуют пространственную (неплоскую) кривую. Поэтому формообразование круглых в плане покрытий по данной системе затруднено.


Рис.3.49.1 Купол диаметром 65 м в Душанбе (разрезка системы «Ромб-1»)

Системы, основанные на применении многогранников, вписанных в сферу. Купола на основе этой системы "выкраивают" из сферы, первичную разбивку которой производят по геодезическим линиям, проведенным через вершины вписанных многогранников.

В качестве таких многогранников обычно используют додекаэдр (12 пятиугольных граней) и икосаэдр (20 треугольных граней).

Для сферических куполов большой высоты рационально использование симметрии правильных многогранников икосаэдра и додекаэдра. Они имеют десять тройных осей вращения и шесть зеркально-поворотных осей десятого порядка. Предложено большое количество вариантов построения сферических сетей с использованием симметрии правильных многогранников. В практике проектирования наибольшее распространение получили два способа: геодезическая сеть на основе додекаэдра; построение 720-гранника на основе усеченного икосаэдра (рис. 3.49.2).

Узлы сопряжения купольной оболочки с опорными контурами

Наиболее широко используемым материалом купольных покрытий является сборно-монолитный бетон. Поэтому конструктивные схемы основных элементов купола рассматриваются именно для этого варианта конструкций купольных покрытий.


Рисунок 6.4. Конструктивная схема ребристо-кольцевого купола со связями и сетчатого куполов (узел 1):

1- нижнее опорное кольцо; 2-верхнее опорное кольцо; 3 - меридиальные ребра; 4- кольцевые ребра; 5 - связи; 6 - раскосы.

Опорное кольцо купола, воспринимающее распор от купольной оболочки, проектируется в виде монолитной преднапряженной замкнутой конструкции, схема которой показана на рис. 6.6.

Верхнее кольцо купола чаще всего выполняется железобетонным «Г»-образной формы или металлическим со специальным опорным столиком для сопряжения верхней части купола с плитами оболочки.

Конструктивная схема узлов опорных контуров купольного покрытия приведена на рис. 6.6 и 6.7.

Рисунок 6.5. Схема полигональной купольной оболочки: 1 - опорный контур в виде многоугольника; 2- верхнее опорное кольцо; 3 - оболочка двоякой кривизны.

Плиты купольного покрытия могут проектироваться в виде криволинейного очертания этих элементов и из плоских плит так, как это показано на рис. 6.8.

Классификация методов монтажа купольных покрытий

Возведение данных большепролетных зданий осуществляются следующими методами:

1. Поэлементная «сборка» сооружения на проектных отметках с использованием комплекта монтажной оснастки, исключающей устройство средств подмащивания и инвентарных лесов;

2. Поэлементный монтаж сетчатых куполов из отдельных элементов покрытия, формирующих «жесткую» ячейку с наращиваемого пояса купола непосредственно в зоне монтируемой ячейки, но с использованием средств подмащивания.

3. Укрупненный монтаж купола из крупноразмерных ребристых плит или укрупненных блоков, состоящих из решетчатого каркаса меридиальных балок и листа облицовки. Данный метод также не требует устройства средств подмащивания.


Рисунок 6.6. Схема монолитного железобетонного опорного контура купола: 1 - опорный контур; 2 - арматурный каркас; 3 - закладная деталь для сопряжения опорного контура с элементами купольной оболочки; 4 - анкерная заделка закладной детали; 5 – плита оболочки купола; 6 - преднапряженная кольцевая проволочная арматура, которая «навивается» на опорный контур специальной навивочной машиной; 7 - защитный слой из торкретбетона; 8 – электро-


Рисунок 6.7. Конструктивная схема верхнего кольца и узла опирания плит

купольного покрытия: 1 - внутреннее опорное кольцо; 2 – арматурный каркас;

3 - стальные закладные детали кольца; 4 - закладная деталь плиты купола;

5 - плита купола; 6 - соединительные накладки опорного кольца и плит;

7 - монолитный шов между плитами.


Рисунок 6.8. Конструктивные схемы плит купольной оболочки: А - криволинейного очертания; Б - плоские плиты ребристо-кольцевого купола; 1 - опорный контур; 2 - верхнее опорное кольцо с аэросветовым фонарем; 3 - криволинейная плита ребристого купольного покрытия; 4 - плоская типовая плита ребристо-кольцевого купола; 5 - «замыкающая» плита верхнего яруса купольной оболочки.

В качестве сборных элементов покрытия купола используются также крупноразмерные блоки в виде решетчатого каркаса меридиальных балок и металлический лист облицовки.

Каждый из названных методов имеет свою область применения, определяемую конструктивной схемой купольного покрытия, материалом изготовления элементов купола и имеющимися средствами механизации. Технологический регламент перечисленных выше методов излагается ниже на примере возведения наиболее типичных с этой точки зрения конструкций купольных сооружений.


Читайте также: