Оболочки и складки

Тонкостенные пространственные покрытия отличаются от плоскостных.тем, что эти конструкции работают преимущественно на сжатие, а растягивающие усилия рационально сосредоточены в контурных элементах, причем все эти элементы работают одновременно в разных плоскостях. Тонкостенные пространственные покрытия значительно экономичнее по расходу материалов, чем плоскостные конст­рукции, у которых каждый элемент работает только в своей вертикальной плоскости. Так, например, по расходу бетона тонкостенные покрытия экономичнее плоскостных в среднем на 30%, а по расходу металла — на 20%.

К тонкостенным пространственным конструкциям относятся оболочки, складки и шатры. Современные пространственные покрытия бесконечно разнообразны по формам и размерам и наилучшим образом отвечают высоким требованиям современной архитектуры большепролетных общественных зданий.

Оболочки бывают одинарной и двоякой кривизны. К первым принадлежат оболочки, представляющие собой цилиндрическую или коническую поверхность. Оболочки двоякой кривизны могут быть оболочками вращения с криволинейной образующей (купол, гиперболический параболоид, эллипсоид вращения поверхность тора и т. д.) или оболочками переноса с постоянной кривизной в вертикальных плоскостях по всем последовательно расположенным сечениям. Оболочки могут быть созданы и комбинациями различных криволинейных пересекающихся или соприкасающихся между собой поверхностей. По структуре оболочки могут быть гладкими, выполненными из монолитного железобетона на жесткой или пневматической опалубке, ребристыми, сетчатыми и волнистыми (гофрированными), которые в основном изготовляются из сборного железобетона.

Цилиндрические оболочки имеют круговое или параболическое очертание и опираются на торцевые диафрагмы жесткости, которые могут быть выполнены как стены, фермы, арки или рамы. В зависимости от длины оболочек их делят на короткие, у которых пролет по продольной оси L не более чем полторы длины волны ℓ (где под длиной волны подразумевают пролет в поперечном сечении), и на длинные, у которых L>1,5 ℓ. В последнем случае внутри пролета L устанавливают дополнительные диафрагмы жесткости. По продольным краям оболочек предусматриваются бортовые элементы, где размещается продольная арматура, позволяющая оболочкам работать вдоль продольного пролета L подобно балке. Кроме того, бортовые элементы воспринимают распор от работы оболочек в поперечном направлении, а потому бортовые элементы, размещенные по свободным краям оболочек, должны еще обладать и достаточной жесткостью в горизонтальном направлении. Длина волны цилиндрической оболочки ℓ обычно не превышает 12 м. Отношение стрелы подъема к длине волны f/ ℓ принимают не менее 1/7, а к длине пролета f/L не менее 1/10.

Сборные цилиндрические оболочки обычно членятся на цилиндрические

секции, бортовые элементы и диафрагмы жесткости, арматура которых в процессе монтажа между собой сваривается и замоноличивается.

Бочарные оболочки в отличие от цилиндрических имеют продольную ось, изогнутую по кривой с выпуклостью кверху, которая чаще всего очерчена по окружности . В этом случае оболочка имеет форму тора, у которого отношение диаметра кольца к диаметру его продольного сечения выражается числом не менее пяти. Бочарные оболочки работают и в поперечном, и в продольном направлении подобно сводам. Мощные затяжки, подвешенные под продольными ребрами или находящиеся под землей на уровне опор, воспринимают распор в направлении пролета.

В поперечном направлении распор от оболочки воспринимают диафрагмы жесткости и бортовые элементы, а в смежных оболочках этот распор взаимно погашается соседними элементами. Поперечные сечения бочарных оболочек обычно по всей длине свода, за исключением опорных зон, принимают круговыми. В опорных зонах оболочка большого пролета заканчивается коноидальным элементом, обеспечивающим переход от кругового поперечного сечения средней зоны к прямоугольному по линии опирания. В сборных оболочках плиты промежуточных зон монтируют на металлических решетчатых опорах.По этой системе в Ленинграде построено покрытие над автогаражом пролетом 96 м, состоящее из 12 сводов шириной 12 м каждый. Всё покрытие разрезано продольно температурноосадочным швом, делящим конструкцию на две самостоятельные части с шестью сводами в каждой. Приведенный расход бетона на 1м2 покрытой площади указанного гаража составляет 12 см, а расход стали 24 кг/м2.

Оболочки с поверхностью переноса или тора применяют при покрытии прямоугольных в плане помещений. Опираются такие оболочки по всем четырем сторонам на диафрагмы, которые расположены по контуру помещения и могут иметь одинаковую высоту. Поверхность оболочки переноса образуется при поступательном движении одной кривой по другой при условии, что обе кривые выгнуты кверху и находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поверхность тора образуется при вращении сегмента круга по круговой оси, лежащей в плоскости, нормальной к плоскости вращающегося сегмента. К оболочкам переноса по своим конструктивным особенностям непосредственно примыкают сферические парусные оболочки. Они образуются, если сферическую поверхность ограничить вертикальными плоскостями, построенными на сторонах квадрата, вписанного в круг - горизонтальной проекции сферы. По принципу переноса разрезаны на сборные элементы ребристые сферические оболочки парусного типа размером 36x36 м, возводимые в настоящее время при поточном строительстве промышленных объектов в Санкт-Петербурге. Плиты применяются четырех типоразмеров - в средней части квадратные (3x3 м), дальше к периферии ромбические (близкие к квадратным). Плиты тонкостенные, имеют диагональные рабочие ребра с двухпоясной арматурой и небольшие утолщения по контуру. Концы диагональной арматуры оголены - их при монтаже сваривают, применяя, накладные стержни и создавая этим непрерывность армирования. В швы между плитами в зоне угловых стыков закладывают стержни с надетой на них спиральной арматурой, после чего швы замоноличивают. Монтаж ведут с использованием инвентарного кондуктора, снабженного устройством для его подъема в проектное положение и опускания для передвижки по рельсовому пути на следующие позиции сборки.

Сферические покрытия здания Новосибирского торгового центра имеет размеры в плане 102 x 102 м, подъем контурных арок f = 0,1 L и такой' же подъем образующей кривой, что составляет общий подъем оболочки в центре здания f /0=0,2 L, т. е. 20,4 м. Разрезка поверхности оболочки выполнена с учетом схемы переноса. На угловых участках плиты покрытия расположены диагонально с целью размещения в продольных (диагональных) швах напряженной арматуры. Опорные части угловых участков покрытия, наиболее напряженные, выполнены в монолитном железобетоне (рисунок 80).

В Борисполе, вблизи Киева, бочарный свод размером 48 x 56 м смонтирован из однотипных плит размером 2600 x 8082 мм, уложенных ребрами вверх. Форма свода и разрезка построены по принципу тора. Швы в рядах плит, ширина которых колеблется от 20 до 200 мм, после сварки закладных деталей заполнены раствором.

 

 

 

а — цилиндрическая оболочка; б — многоволковая цилиндрическая и синусоидальная оболочка; в — сплошная диафрагма жесткости; г — рамная диафрагма; д — арочная диафрагма; е — бочарный свод-оболочка; ж — то же, с прямым опиранием; и — схема монтажа бочарного свода; к — сборный сетчато-ребристый свод-оболочка;

1 — оболочка монолитная или сборная; 2 — диафрагма жесткости; 3 — ребра жесткости; 4 — подвеска; 5 — затяжка

 

Рисунок 81 - Своды-оболочки

 

 

а — сферическая оболочка; б — оболочка переноса; в — оболочка-сектор тора;

г — покрытие торгового центра в Новосибирске сборной оболочкой переноса;

д —раскладка плит покрытия оболочки в Новосибирске; е — сборный элемент оболочки — плита с ребрами вниз; ж— покрытие здания Киевского аэровокзала в Борисполе оболочкой с поверхностью тора; и—сборный элемент оболочки «плита с ребрами вверх»; 1 — плита; 2 — ребра; 3- выпуски арматуры

 

Рисунок 82 - Оболочки двоякой положительной кривизны

 

Купольные оболочки представляют собой поверхность вращения вокруг вертикальной оси некоторой геометрической кривой (кругового сегмента, параболы и т. д.). В большинстве купольные оболочки представляют собой часть поверхности шара, опирающегося по всему периметру или на отдельные точки, расположенные по контуру. Купольная оболочка наиболее проста и экономична по расходу материала. Монолитный железобетонный сферический купол театра в Новосибирске, имеющий диаметр у основания 55,5 м, выполнен толщиной 8 см (1/685 пролета), а купол диаметром 95 мм, перекрывающий стадион в Пуэрто-Рико, имеет толщину 150 мм (1/630 пролета).

На рисунке 80 а показана оригинальная конструкция нового здания цирка в Казани, перекрытого монолитной сферической оболочкой.

При устройстве сборных куполов их разрезают горизонтальными и меридиональными швами на элементы, имеющие форму сферических трапеций, или решают как многогранник, разбитый на элементарные треугольники .

Разрезка сфер купола на треугольники минимального количества типоразмеров разработана в Московском архитектурном институте проф. М. С. Туполевым. Такие купола можно выполнять как сплошную оболочку из треугольных ребристых плит, как пространственную сетчатую раму из жестких стержней (например, труб) или как комбинированную конструктивную систему из жестких сжатых и гибких растянутых элементов.

Сборный железобетонный купол монтируют с соблюдением тех же условий жесткости всех стыков, как и во всех рассмотренных выше оболочках.

Металлический сетчатый купол из труб или проката монтируют с использованием типовых узловых крепежных деталей на болтах с гайками и контргайками, на сварке или автозаклепках. По сетчатой системе купола укладывают легкие кровельные панели или (в сезонных постройках) подвешивают тент, на­прягаемый специальными устройствами.

Купол, представленный на рисунке 83, запроектирован в Московском архитектурном институте проф. М. С. Туполевым в виде сборной системы из металлических прокатных профилей, составляющих плоские шестиугольники и пятиугольники, усиленные диагональными элементами. Как вариант, предложено заполнить все просветы либо предварительно напряженными тросовыми конструкциями по типу велосипедного колеса, либо воздухо-наполненными дисками с подушками из синтетических тканей, либо утепленными настилами из гофрированного алюминия.

Складчатые купола монтируют из армоцементных пространственных скорлуп, расположенных в один или два яруса. Скорлупы можно изготовлять в земляной форме.

 

 

 

а, 6, в—типовая сборная железобетонная оболочка; а —монтажная схема оболочки; б — контурная ферма; в — сборная плита с диагональными ребрами и деталью ее крепления; е — мо­нолитная сферическая оболочка, над зданием цирка в Казани, построенного по проекту Татаргражданпроект; д — план здания с пристройкой; 1 — арматурные выпуски из диагональных ребер сборных плит; 2 — соединительные стержни, привариваемые к арматурным выпускам;

3— дополнительная арматура в швах; 4 — стык и швы, заливаемые цементным раствором; 5 — железобетонная монолитная оболочка толщиной 5 см, уложенная на сетку из сборных металлических ребер; 6— металлические ребра; 7 — предварительно напряженное железобетонное опорное кольцо;

в —коническая железобетонная оболочка толщиной 15— 30 см, усиленная ребрами; 9—фундамент на свайном основании; 10— подвесной алюминиевый купол; 11— вентиляционные устройства; 12 — круглая арена; 13 — вид на купол снаружи; 14 — фойе с прогулочной площадкой поверху; 15—служебная пристройка

 

Рисунок 83 - Сборная и монолитная оболочки

 

 

а —гладкий; б — ребристый; б — сетчатый; г — многоволновый; д — купол па вертикальных стойках; е — купол на наклонных опорах; ж — звездный купол из треугольных плит по системе М. С. Туполева (фасад и план); з— сотовый купол из плоских шести- и пятиугольников; 1 — оболочка; 2 — опорное кольцо; 3 — стержни сетчатого купола; 4 — стойки; 5 — связи жесткости;

б — опоры; 7 — типовые треугольные плиты; S — затяжки в проемах звездного купола

 

Рисунок 84 - Купола-оболочки

Оболочки с поверхностью гиперболоида вращения (гипара) чаще всего применяют для покрытия помещений, прямоугольных в плане. В этих случаях пшар представляет собой слегка перекрученный в виде пропеллера прямоугольник, у которого все линии, параллельные контурным сторонам, прямолинейны.Это позволяет членить такие покрытия на почти одинаковые прямо­угольники, что в значительной мере облегчает сборность конструкции за счет небольших изменений в ширине швов.

Комбинированные оболочки состоят обычно из самых разнообразных криволинейных поверхностей. Сюда относятся секториальные оболочки и разные нерегулярные оболочки, которыми покрывают уникальные здания. Вследствие сложности изготовления таких оболочек их обычно выполняют в монолитном железобетоне. При этом необходимо учитывать, что незначительная толщина таких оболочек у краев, в местах переломов и у опор существенно утолщается. При значительных пролетах оболочки выполняются ребристыми, причем ребра располагают по направлению действия главных усилий, возникающих под воздействием собственного веса, вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Складками и шатрами называют пространственное покрытие, образованное плоскими взаимно пересекающимися элементами. Складки обычно состоят из ряда повторяющихся в определенном порядке элементов, опирающихся по краям и в пролете, подобно оболочкам, на диафрагмы жесткости. Складки могут быть выпущены за пределы крайних опор, образуя консольные свесы. Шатры перекрывают прямоугольное в плане пространство смыкающимися кверху со всех четырех сторон плоскостями(рисунок 85 г). Возможны и другие покрытия складчатого и шатрового типа: своды, купола, капители и т. д. Толщину плоского элемента складки принимают около 1/200 пролета, высоту элемента не менее 1/10, а ширину грани не менее 1/5 пролета. Складками обычно покрывают пролеты до 50—60 м, шатрами до 24 м.

 

 

а—гиперболический параболоид «гипар»; б. в —покрытия из четырех гипаров; г —оболочка крестового типа; д—то же, из трех пересекающихся шаров; е — то же, восьмилепестковая

Рисунок 85 - Оболочки двоякой кривизны

 

 

а- пилообразные; б - трапецеидальные; в - из однотипных треугольных плоскостей;

г - шатер на прямоугольном основании с плоским верхом; д - складка сложного профиля; е - многогранный складчатый свод; ж - складка-капитель;

и - четырехугольный шатер; к - многогранный шатер; л -складчатый купол;

м - сборная складка призматического типа, разработанная в ПНР; н-сборная складка с затяжками из плоских элементов, разработанная в ГДР; I - шаг складки; L - пролет;

f -подъем

Рисунок 86 - Складки и шатры