Пространственные системы большепролётных зданий. Структурные плиты, складки, оболочки, купола

В пространственных системах связи усиливают и привлекают к распределению нагрузок и передаче их на опоры. Приложенная к пространственной конструкции нагрузка передаётся в двух направлениях. Такая конструкция получается обычно легче плоской.
Пространственные конструкции могут быть плоскими (плиты) и криволинейными (оболочки).
Плоские пространственные системы (исключая висячие) для обеспечения необходимой жёсткости должны быть двухпоясными — по поверхности образующие сетчатую систему.Двухпоясные конструкции имеют две параллельные сетчатые поверхности, соединённые между собой жёсткими связями.
Однослойные конструкции, имеющие криволинейную систему поверхности, называются односетчатыми.
В таких конструкциях принцип концентрации материала заменён принципом многосвязности системы. Изготовление и монтаж таких конструкций очень трудоёмок, требует специальных приёмов изготовления и монтажа, что является одной из причин их ограниченного применения.
Пространственные сетчатые системы плоских покрытий
В строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, так называемые структурные конструкции или просто структуры, которые применяются в виде плоских покрытий большепролётных общественных и производственных зданий.
Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрёстных ферм:
-Структуры, образованные из перекрёстных ферм, идущих в трёх направлениях. Поэтому они являются наиболее жёсткими, однако более сложными в изготовлении. Это структуры с поясными сетками из разносторонних треугольников.

-Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях. Это структуры с поясными сетками из квадратных ячеек.

-Структуры, образованные из ферм, также идущих в двух направлениях, но усиленных диагоналями в угловых зонах. Поэтому они более жёсткие.

^ Достоинства структур:

• Большая пространственная жёсткость: можно перекрывать большие пролёты при различных опорных контурах или сетках колонн; получать выразительные архитектурные решения при высоте структуры.
• Повторяемость стержней — из стандартных и однотипных стержней можно монтировать покрытия разных пролётов и конфигураций в плане (прямоугольные, квадратные, треугольные и криволинейные).

• Позволяет крепить подвесной транспорт и изменять при необходимости направление его движения.
• Системы покрытий из структур могут быть как одно-, так и многопролётными с опиранием как на стены, так и на колонны.
• Устройством консольных свесов за линией опор уменьшают расчётный пролётный изгибающий момент и существенно облегчают конструкцию покрытия.

Рис. 6 - Схемы решёток структурных покрытий (а — с поясными сетками из равносторонних треугольных ячеек; б — с поясными сетками из квадратных ячеек; в — то же, усиленных диагоналями в условных зонах: 1 — верхние пояса,
2 — нижние пояса, 3 — наклонные раскосы, 4 — верхние диагонали, 5 —нижние диагонали, 6 — опорный контур).

 

Недостатки структур — повышенная трудоёмкость изготовления и монтажа. Пространственные узлы сопряжений стержней —самые сложные элементы в структурах:

 

• шаровая вставка (а);
• на винтах (б);
• цилиндрический сердечник с прорезями, стянутый одним болтом с шайбами (в, г);
• сварной узел сплюснутых концов стержней (д).

При упрощённом подходе структуры рассчитывают способами строительной механики — как изотропные плиты или как системы перекрёстных ферм без учёта крутящих моментов.
Величины моментов и поперечных сил определяют по таблицам для расчёта плит: Mплиты; Qплиты — далее переходят к расчёту стержней.

• Оболочные покрытия
  Для покрытий зданий применяют односетчатые, двухсетчатые цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны.
  Цилиндрические оболочки выполняют в виде сводов с опиранием:
  а) прямолинейным образующим контура
  б) на торцовые диафрагмы
  в) на торцовые диафрагмы с промежуточными опорами
  
  
  
  
  Рис.8 - Схемы опирания цилиндрических оболочек (1 — оболочка; 2 — торцовая диафрагма; 3 — связи; 4 — колонны).
  Односетчатые оболочки применяют при пролётах В не более 30м.
  Двухсетчатые — при больших пролётах В>30м.
  По цилиндрической поверхности расположены стержни, образующие сетки различной системы (см. рис. 9):
  
• ромбическая сетка (а);
• ромбическая сетка с продольными рёбрами (б);
• ромбическая сетка с поперечными рёбрами (в);
• ромбическая сетка с поперечными и продольными рёбрами (г).

Наиболее простая сетка ромбического рисунка, которую получают из лёгких стандартных стержней (∟, ○, □) прокатных профилей. Однако такая схема не обеспечивает необходимой жёсткости в продольном направлении при передаче нагрузки на продольные стены.

Рис. 9 - Система сеток односетчатых оболочек
Жёсткость конструкции значительно увеличивается при наличии продольных стержней (схема "б") — конструкция может работать как оболочка пролётом L. В этом случае опорой могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовыми диафрагмами.
Наиболее жёсткими и выгодными являются сетки (схема "в"), у которых есть и продольные и поперечные рёбра (стержни), а решётка сетки направлена под углом 45 .

Для увеличения жёсткости цилиндрических оболочек их крайние свободные грани усиливаются вертикальными и горизонтальными бортовыми элементами

Расчёт оболочек выполняют методами теории упругости и методами теории оболочек. Оболочки без поперечных рёбер рассчитывают как безмоментные складки (способ Эллерса).При наличии поперечных рёбер, обеспечивающих жёсткость контура, — по моментной теории Власова (она сводится к решению восьмичленных уравнений).
При расчёте сквозных сетчатых оболочек, сквозные грани конструкций заменяются сплошными пластинами эквивалентной толщины при работе на сдвиг, осевое растяжение и сжатие.
Более точный расчёт сетчатых оболочек выполняют на ЭВМ по специально разработанным программам.
Двухсетчатые оболочки применяют при перекрытии пролётов шириной более B>30м.
Конструктивные схемы их аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит — структур. Как и в структурах, они образуются системами перекрёстных ферм, связанных по верхним и нижним поясам специальными связями — решёткой. Но при этом в оболочках основная роль в восприятии усилий принадлежит криволинейным сетчатым плоскостям, соединяющая их решётка меньше участвует в передаче усилий, но придаёт конструкции большую жёсткость.
По сравнению с односетчатыми двухсетчатые оболочки обладают большей жёсткостью и несущей способностью. Ими можно перекрывать пролёты зданий от 30 до 700м

Проектируют их в виде цилиндрической поверхности, опирающиеся на продольные стены или на металлические колонны. По торцам оболочки опираются на жёсткие диафрагмы (стены, фермы, арки с затяжкой и т.д.).
Наилучшее распределение усилий в оболочке при B=L.
Расстояние между сетчатыми поверхностями h=1/20ч1/100R при f/B=1/6ч1/10.
Как и в структурах, наиболее сложным является узел сопряжения стержней.
Для приближённого расчёта оболочки необходимо стержневую систему привести к эквивалентной сплошной оболочке и установить модуль сдвига среднего слоя, эквивалентного по жёсткости соединительной решётке.

 

Конструкции куполов бывают четырёх видов : ребристые (а), ребристо-кольцевые (б), сетчатые (в), радиально-балочные (г).

Формообразование куполов

а – сферический купол

б –стрельчатый купол

в – эллиптический купол

г – параболический купол

д- конический купол