Тонкостенные пространственные конструкции. Своды

Тонкостенные пространственные конструкции представляют собой системы, образуемые оболочками (тонкими плитами) и контурными (бортовыми) элементами – диафрагмами – в виде балок. Ферм, арок, брусьев, опорных колец и т.п. Оболочкам придают очертания криволинейных поверхностей или многогранников. Они выполняют одновременно функцию несущих и ограждающих элементов покрытия.

Отличительным признаком таких систем является работа в двух и более направлениях, в результате чего достигается равномерное распределение внутренних усилий при статических и динамических нагрузках, а следовательно, повышаются пространственная жесткость и несущая способность конструкции при существенной экономии материала; достигается значительное уменьшение массы в сравнении с покрытиями из плоских элементов (кровельных панелей, ферм, арок и др.). Пространственные покрытия, обладая выразительностью форм, удовлетворяют функциональным и эстетическим требованиям современной архитектуры.

Пространственные конструкции, обеспечивая гибкую планировку проектируемых объектов, особенно целесообразны при строительстве большепролетных (без промежуточных опор) общественных зданий различного назначения. Опыт строительства пространственных покрытий в нашей стране и за рубежом свидетельствует о том, что они успешно применяются при малых (до 24м), средних (до 36м) и больших пролетах (до 100м и более).

Подобрать универсальный признак и сгруппировать по нему пространственные конструкции не представляется возможным, поскольку любая классификация будет условной. Можно лишь говорить о материале конструкции, геометрии и способе образования поверхности, пологости и крутизне, пролете, способе опирания, очертании плана здания, конструктивных особенностях и т.п.

 

 

Рис. 3.11 Примеры тонкостенных пространственных покрытий:

а, б – настилы (сводчатый, гиперболический); в, г – складки (трапециевидная, треугольная); д – длинная цилиндрическая оболочка; е – то же, шедовая; ж – короткая цилиндрическая оболочка; з – коноидальная оболочка; и – волнистый свод; к – оболочка положительной кривизны; л – то же, отрицательной кривизны; м – купол гладкий; н – купол волнистый; о – оболочка-воронка; п – шатровое покрытие; р – висячая оболочка

 

В зависимости от геометрического очертания и способа образования поверхности различают следующие типы тонкостенных пространственных покрытий: большепролетные плиты-настилы, цилиндрические оболочки (одинарной или нулевой гауссовой кривизны), оболочки двоякой положительной и отрицательной гауссовой кривизны на прямоугольном плане, волнистые своды, оболочки вращения (купола), складки с различной формой поперечного сечения, висячие оболочки, купола-многогранники шатрового типа, воронкообразные оболочки, составные оболочки, образованные из нескольких элементов пересекающихся поверхностей произвольной формы. Современные пространственные системы позволяют создавать разнообразные конструктивные формы, реализующие практически любые замыслы архитектора (рис.3.11).

По геометрическому очертанию (кривизне) поверхности пространственные покрытия могут быть одинарной или двоякой кривизны (рис.3.12); по признаку кривизны – положительной и нулевой гауссовой кривизны. Гауссова кривизна представляет собой произведение главных кривизн: 1/R=(1/R1)x (1/R2), где R1 и R2 – радиусывзаимно перпендикулярных сечений криволинейной поверхности в данной точке

 

Рис.3.12 Примеры оболочек различной кривизны

а – одинарной кривизны (цилиндрическая оболочка); б – двоякой кривизны (оболочка переноса); 1 – оболочка (тонкостенная плита); 2 – диафрагма (плоская контурная конструкция); 3 – бортовой элемент; 4 – колонная

 

Сводом называется пространственная конструкция с постоянным криволинейным профилем и прямолинейными образующими. Две из них 9как правило, краевые) служат его опорами. Свод может быть очерчен любой выпуклой кривой – дугой окружности, параболой, цепной линией и др. Своды призматического (полигонального) очертания состоят из прямолинейных участков, вписанных в соответствующую кривую. По продольным краям (вдоль образующей) своды могут опираться на стены, колонны, рамы или фундаменты. Характер статической работы свода аналогичен арке. Распор должен быть воспринят либо опорами (стенами, ленточными фундаментами и т.п.), либо затяжками.

По форме поперечного сечения своды делятся на цилиндрические (с прямолинейной образующей поверхности), складчатые и волнистые (рис.3.13). Придание сечению сводов складчатого (треугольного, трапециевидного) или волнистого очертания повышает жесткость и несущую способность покрытия.

 

Рис.3.13 Основные типы сводов:

а – гладкий; б – волнистый; в,г – складчатый

 

Цилиндрические гладкие своды сплошного сечения, которые в прошлом возводили из камня или кирпича, теперь встречаются редко. Чаще всего их проектируют железобетонными сборными. Складчатые и волнистые своды выполняются из железобетона, армоцемента и пластмасс. Эти покрытия являются, как правило, многоскладчатыми или многоволновыми с малыми размерами складок (волн) по сравнению с длиной пролета: l/b ≥ 4, (рис.3.14). Сводчатые покрытия проектируют для прямоугольных в плане одно- и многопролетных зданий. По статической работе и конструктивному решению своды, как и арки, бывают двухшарнирными, трехшарнирными и бесшарнирными.

 

 

Рис.3.14 Поперечные сечения сводов:

а,б – складчатые; в – шедовые; г,д,е – криволинейные

 

Железобетонные своды.

Сводчатые покрытия возводят в монолитном, сборном и сборно-монолитном железобетоне. Монолитные своды проектируются преимущественно цилиндрическими, а складчатыми и волнистыми – крайне редко. толщина плиты монолитного свода должна быть не менее 40мм, а сборного – не менее 30мм.

Волнистые и складчатые своды из железобетона или армоцемента отличаются легкостью и экономичностью. Диапазон их пролетов – от 12 до 120м. Стрелу подъема f (включе) в зависимости от назначения и размеров здания, способа восприятия распора, архитектурных требований и других условий принимают в пределах от ½ до 1/10 пролета l. Оптимальная ширина b складок (волн) составляет (1/8…1/10)l. При пролетах до 24м ширина b обычно равна 3м и менее, а для больших пролетов – 3…12м. высоту сечения h из условия устойчивости назначают равной (1/30…1/60)l. Приведенная толщина t плиты (стенки) свода составляет, примерно, (1/400…1/600)l.

Своды из пластмасс, древесины и металла.

Для покрытий с применением пластмасс чаще всего используют волнистые своды. Перекрываемые ими пролеты доходят до 40м. основным конструктивным материалом служит полиэфирный стеклопластик, одним из достоинств которого является светопрозрачность, достаточная для того, чтобы обходиться без световых проемов.

Однослойные ребристые своды лоткового профиля из стеклопластика предназначаются для неотапливаемых зданий без фонарей пролетом до 20м. Элементы свода толщиной от 2 до 5мм изготавливают в виде одно- и многоволновых профилей заданной кривизны шириной 0,75…1,5м и высотой волны до 0,6м. Из них обычно собирают трехшарнирные своды.

Имеются разработки волнистых сводов пролетами до 30м из фанерных элементов двоякой кривизны.

Сводчатые покрытия из древесины, пластмасс и металла не нашли в строительстве широкого применения, хотя обладают потенциальными возможностями и успешно выполняются в железобетоне и армоцементе.