ОБОЛОЧКИ. Оболочками называются пространственные конструкции покрытий с криволинейным очертанием

Оболочками называются пространственные конструкции покрытий с криволинейным очертанием.

Для характеристики поверхности оболочки часто используется понятие гауссовой кривизны: , где R₁ и R₂ - радиусы кривизны во взаимноперпендикулярных направлениях.

В зависимости от формы поверхности оболочки классифицируются на следующие группы: цилиндрические и их разновидности (рис. 5.1, а, ); двоякой положительной кривизны (рис. 5.1, б, G> 0); гиперболические параболоиды (гипары) отрицательной гауссовой кривизны (рис. 5.1, в, G < 0); оболочки с вертикальной осью или горизонтальной осью вращения (рис. 5.1, г, д); составные оболочки (рис. 5.1, е, ж), в том числе из гиперболических треугольных сводов; в виде панелей оболочек (рис. 5.1, з) и неразрезных оболочек (рис. 5.1, и).

Цилиндрические оболочки представлены на рис. 5.2 и могут быть монолитными, сборными и сборно-монолитными.

В зависимости от отношения пролёта оболочки к его длине различают длинные оболочки - при отношении пролёта к длине волны больше единицы, и короткие, когда это отношение меньше единицы (рис. 5.2, а, б, в). Покрытия из цилиндрических оболочек проектируют от 40 метров - и многоволновыми. Цилиндрические оболочки опираются на несущие колонны через торцевые диафрагмы, а по краям, как правило, имеют бортовые элементы.

Перекрываемые пролёты - 18...36 м (до 50 м), длина волны 6...12 м; высота оболочки, включая высоту бортового элемента - не менее 1/15 пролёта;

стрела подъема - не менее 1/8 длины волны; толщина монолитной гладкой оболочки - 1/200 -...1/300 пролёта, но не менее 50...60 мм.

Цилиндрические оболочки двоякой кривизны экономичнее при пролётах свыше 36м.

Короткие цилиндрические оболочки перекрывают пролёт до 100м, но длина волны может составляться до 18...36 м.

Сборные конструкции цилиндрических оболочек состоят из диафрагм в виде сегментных ферм, цилиндрических плит и бортовых элементов (рис. 5.2, г, д). Стрела подъема составляет 1/60... 1/10 пролёта.

Оболочки, расположенные на квадратном плане, называются парусными. При отношении стрелы подъёма к пролёту 1/5...1/6 оболочки называются пологими, при 1/1...1/4 - вспарушенными.

Гипары имеют широкие архитектурные и композиционные возможности, поскольку позволяют перекрывать помещения, имеющие разнообразные формы в плане. Однако даже при перекрытиях помещений прямоугольной формы в плане имеются различные возможности, обеспечивающие необходимые уклоны покрытия для организации водостока и разнообразие архитектурно-композиционных вариантов (рис. 5.3). При сочетании гиперболических параболоидов возможности конструирования существенно возрастают (рис. 5.4). По контуру оболочки чаще всего опирают на колонны, однако возможно опирание на фермы.

Прямоугольные гипары позволяют создавать составные оболочки для покрытий производственных зданий, при этом часто применяют " крестовые" крыши (рис. 5.5, а).

За рубежом распространение получили лоткообразные оболочки с предварительным напряжением (рис. 5.5, б). Оболочки могут быть скомпонованы из одинаковых ромбовидных элементов в виде гипаров для зданий с прямоугольным планом (рис. 5.5, в), а также из ромбовидных и

треугольных оболочек, сопряжённых по диагональным рёбрам (рис. 5.5, г).

Некоторые возможные варианты сборных оболочек отрицательной гауссовой кривизны приведены на рис. 5.6.

Составные, в том числе полигональные оболочки, составляют наиболее многочисленную и многообразную группу оболочек. Составными оболочками называют покрытия, образованные совокупностью элементов поверхностей, пересекающихся между собой. Каждый из элементов поверхности образуют составляющую оболочку, которую можно определить как тонкостенную оболочку, очерченную по единой геометрической поверхности. Комбинируя отдельные фрагменты геометрических поверхностей, получают составные пространственные покрытия зданий с различной конфигурацией плана. Примеры образования составных оболочек из отдельных фрагментов приведены на рис. 5.7.

В местах сопряжения отдельных поверхностей образуются " лотки", которые характеризуются повышенной жёсткостью по сравнению с остальной частью составной оболочки. Поэтому составная оболочка менее деформативна, чем " гладкая", а значит её строительная высота может быть несколько уменьшена.

Во многих случаях при конструировании составных оболочек предусматривается центральное кольцо с поверхностью положительной гауссовой кривизны, которое позволяет стыковать боковые элементы - " лепестки" и которое часто используется для устройства светового или светоаэрационного фонаря (см., например, рис. 5.7, ж).

Некоторые из распространённых конструктивных схем составных оболочек с указанием рекомендуемого диапазона перекрываемых пролётов приведены на рис. 5.8.

Рекомендуемые типы и пролёты отдельно стоящих (составляющих) и составных оболочек приведены на рис. 5.9.

Преимущества оболочек, в особенности составных, заключаются в разнообразии конструктивных решений, позволяющих найти рациональное архитектурно-выразительное решение для зданий с различными формами в плане. Применение оболочек целесообразно для общественных зданий, в том числе зданий транспортного назначения, спортивных, зрелищных, крупных торговых центров, крытых рынков, торговых зданий, выставочных павильонов, кинотеатров и т.д.

На рис. 5.10...5.16 приведены некоторые примеры применения оболочек из мировой практики строительства.

 

КУПОЛА

Куполами называют пространственные конструкции двоякой (положительной гауссовой) кривизны, перекрывающие планы, главным образом круговые, иногда многоугольные, вписанные в окружность, иногда эллиптические. В зависимости от образующей кривой линии в радиальном сечении купола, как и арки, могут иметь сферическую, стрельчатую, эллиптическую, параболическую и коническую форму.

Материал несущих конструкций в куполах используется эффективно, а выпуклая форма купольных покрытий обеспечивает возможность простой системы отвода высших вод. Эффективность куполов возрастает с увеличением пролёта, достигающего 200 м и более, а композиционные возможности позволяют создавать прекрасные образцы архитектурного искусства.

Типы куполов представлены на рис. 6.1.

Ребристые купола (рис. 6.1, а) представляют собой систему полуарок, расположенных в вертикальных плоскостях. В состав купола входят также верхнее кольцо, к которому сходятся концы полуарок, и нижнее кольцо, на которое они опираются. Для устройства покрытия устанавливаются кольцевые

прогоны. Диаметр верхнего кольца назначают минимальным, допускающим

прикрепление к нему рёбер. При необходимости устройства фонаря или по архитектурным соображениям диаметр кольца может быть увеличен. Нижнее кольцо опирается на колонны или стены. Нижнее кольцо может отсутствовать, если рёбра опираются на фундамент.

Ребристо-кольцевые купола (рис. 6.1, б) отличаются от ребристых установкой кольцевых прогонов по неразрезной схеме. За счёт включения прогонов в частичное восприятие распорных усилий ребра купола несколько разгружаются, однако кольцевые прогоны утяжеляются. Выбор вариантов купола определяется технико-экономическими сравнениями.

Сетчатые купола (рис. 6.1, в) представляют собой многогранники, вписанные в сферическую или другую поверхность вращения, и отличаются от ребристых более равномерным распределением материала по поверхности купола.

Сетчатые купола обладают не только малой материалоёмкостью, индустриальностью изготовления, стандартизацией элементов, но и архитектурными достоинствами. При наличии рёбер купола называют ребристо-сетчатыми. В случае отсутствия рёбер рисунки сеток получили на практике разнообразные конструктивные решения, позволяющие создавать выразительные геометрические композиции в интерьере и на фасаде, эффективно сочетая сетевой рисунок с многогранностью ограждающих элементов.

Ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые купола чаще всего проектируются металлическими, однако встречаются как железобетонные, так и деревянные. Рекордные пролёты перечисленных куполов превышают 200 м. Стрела подъёма купола может изменяться в широких пределах в зависимости от назначения и архитектурных соображений от пологих () до подъёмистых (более 1).

Высота сечения сплошностенчатого ребра – D/150; сквозного - D/30… D/50.

Гладкие купола (рис. 6.1, г) проектируются с гладкими внутренними и внешними поверхностями и выполняются из железобетонных монолитных конструкций. Рекомендуемые диаметры до 100…150. Толщина поверхности купола 1/600… 1/800 от диаметра, но не менее 30 мм. Высота сечения рёбер купола - 1/20 от длины.

Весьма перспективна технология возведения монолитной оболочки на пневматичекой опалубке, поднимающей от уровня поля всю конструкцию: арматуру, бетон в незастывшем состоянии, которые после подачи снизу сжатого воздуха занимают проектное положение. Известны технологии, когда пневматическая опалубка предварительно накачивается сжатым воздухом, а затем на опалубке крепят арматурные сетки и наносят бетон методом торкретирования.

Конические купола (рис. 6.1, д) перекрывают круглые планы диаметром до 30 м и выполняются из железобетона с толщиной оболочки D/100… D/150.

Волнистые купола (рис. 6.1, е) имеют поверхность, состоящую из железобетонных оболочек двоякой кривизны, сходящихся к полюсу купола.

Звёздчатые купола (рис. 6.1, ж) состоят из ромбовидных железобетонных оболочек, расположенных в радиальном направлении.

Гладкие купола с распалубками (рис. 6.1, з) являются разновидностью гладкого купола, отличаются устройством дополнительных цилиндрических или конусных оболочек по окружности купола, что даёт не только архитектурные, но и функциональные преимущества в плане устройства проёмов для освещения или вентиляции.

Перекрываемые пролёты волнистых, звёздчатых или гладких куполов с распалубками могут достигать 80 м.

Некоторые примеры применения куполов, а также проектные разработки приведены на рис. 6.2…6.6.