Конструктивное решение сборного купола из плоских элементов. к. т. н. Мухамедшакирова Ш. А
Содержание. 1 Характеристика. 2 Конструктивное решение. 3 Виды куполов. 4 Формообразование куполов. 5 Литература.
КУПОЛА. Купола представляют собой конструкцию с криволинейным (чаще круглым, эллипсовидным) или многоугольным планом и имеют криволинейное или многоугольное очертание в вертикальной плоскости.
Конструктивные схемы ГЛАДКИ Е РЕБРИСТОКОЛЬЦЕВЫЕ РЕБРИСТЫЕ КУПОЛАОБОЛОЧК И СЕТЧАТЫ Е РЕБРИСТОКОЛЬЦЕВЫЕ С РЕШЕТЧАТЫМИ СВЯЗЯМИ
Купола-оболочки. Они имеют поверхность, образованную вращением плоской кривой (в виде дуги круга, эллипса, параболы, циклоиды или комбинации из них) вокруг вертикальной оси. Элементами купола являются осесимметричная континуальная тонкостенная оболочка вращения и растянутое опорное кольцо. При необходимости устраивается верхнее сжатое фонарное кольцо. Оболочка купола может быть образована также волнистыми и складчатыми элементами. Купола-оболочки проектируются преимущественно из железобетона.
Ребристые купола. Такие купола состоят из отдельных плоских ребер, которые устанавливаются в радиальном направлении. Ребра соединяются между собой в вершине, внизу они опираются на опоры. При прямолинейных ребрах образуются пирамидальные или конические купола. Элементами купола являются нижнее опорное кольцо, собственно ребра и верхнее кольцо. Ребристые купола являются распорной системой, в которой распор может восприниматься конструкцией фундаментов, стен или специальным опорным кольцом.
Рис. Конструктивные схемы куполов: А — гладкий купол-оболочка; б — ребристый; в — ребристо-кольцевой; г — ребристо-кольцевой с решетчатыми связями; д — сетчатый купол Швеллера; е — то же, Фёгшля; ж — то же, Чивитта; з — то же, основанный на геометрии правильной сети Чебышева; и — составная полигональная оболочка
Железобетонное опорное кольцо имеет сечение 500*800 мм. На рис. 50 изображен вариант металлического ребристо - кольцевого купола, являющегося покрытием зала диаметром 76 м. Ребра купола выполнены из алюминиевого сплава и имеет трехгранную решетчатую форму Проект металлического ребристо-кольцевого купола диаметром 76 м: а – схема купола; б – сечение ребра
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ В течение столетий при строительстве зданий и сооружений человек возводил массивные структурные элементы, работающие на сжатие. Для перекрытия зданий, как правило, общественного назначения применялись своды или купола также массивной конструкции из камня, кирпича или бетона — материалов, могущих воспринимать в основном сжимающие усилия. С появлением в начале XX в. железобетона, способного принимать любые формы и сопротивляться сжатию, растяжению и изгибу, стали создавать такие строительные конструкции, в которых использовались качества нового материала, на свойства которого можно оказывать влияние.
Такими конструкциями явились оболочки. В то время как сводчатые конструкции воспринимали в основном сжимающие напряжения, в оболочках под действием нагрузки возникало сложное напряженно-деформированное состояние, В. Хенн в 1930 г. охарактеризовал оболочки как трехмерные несущие конструкции, отличающиеся пространственной работой и состоящие из поверхностей одинарной или двоякой кривизны. Ф. Дишингер в 40 -х годах в определении оболочек покрытий зданий учитывал уже как один из критериев понятие толщины. По его определению под оболочкой понимается структура, форма которой представляет собой поверхность одинарной или двоякой кривизны, а толщина очень мала по сравнению с размерами самой поверхности. Ф. Ангерер отмечал, что основное отличие оболочек от сводов состоит в том, что в них возникают и растягивающие, и сжимающие усилия.
Интенсивное развитие железобетонных оболочек в 30— 50 -х годах привело к тому, что сами понятия пространственные конструкции, пространственная работа связывались, прежде всего с оболочками. Однако пространственные конструкции существовали и до появления тонкостенных железобетонных оболочек. Прежде всего, это металлические стержневые купола и своды. Применение металла (сначала железа, а потом стали) в качестве строительного материала для стержневых систем позволило не только усовершенствовать конструкции двускатных строительных ферм. Еще в XIX в. применялись легкие стержневые структуры для устройства сводов и куполов, заменяя ими традиционные массивные каменные конструкции
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КУПОЛОВ Наиболее ответственным и сложным узлом конструкции куполов всех типов является узел присоединения ребер к нижнему кольцу и опирания кольца на нижележащие конструкции. Нижнее растянутое кольцо конструируется обычно в виде сварного двутавра. В ребристых и ребристокольцевых куполах для увеличения изгибной жесткости кольца в горизонтальной плоскости двутавр располагается лежа. Сетчатые купола сами по себе имеют большую пространственную жесткость в горизонтальном направлении, поэтому при их проектировании опорное кольцо стремятся развивать по вертикали. Вертикальное расположение двутавра обеспечивает также максимальную жесткость на восприятие равномерно распределенных по кольцу радиальных крутящих моментов, которые вызывают в кольце изгиб относительно горизонтальной оси.
Узел должен быть правильно центрирован — оси стержней купола, примыкающих к кольцу, и ось вертикальной опорной реакции должны пересекаться в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести кольца. При этом осевая линия кольца не обязательно должна проходить через центр узла — фактический диаметр кольца может быть несколько уменьшен или увеличен. Кольцо обычно шарнирно опирают на фундамент или вертикальные колонны. В большепролетных куполах желательно обеспечить свободу перемещений кольца в радиальном направлении. Это достигается использованием Катковых опор или коротких качающихся стоек.
НЕСУЩИЙ КАРКАС Несущий каркас состоит из стержней и узловых деталей, соединяемых между собой на высокопрочных болтах. Каркас образует сетчатую поверхность с треугольными ячейками. Стержни изготавливаются из прессованного профиля с Побразным поперечным сечением. Открытый профиль сечения позволяет производить закручивание стержня вокруг его продольной оси до совмещения плоскостей симметрии торцевых сечений с осями узловых деталей, что необходимо для всех сетчатых оболочек, имеющих форму, отличную от сферической. Узловая деталь также изготавливается из прессованного алюминиевого профиля, имеющего поперечное сечение в виде звезды с шестью лучами. Каждый луч узловой детали имеет в основании утонченный участок — шейку, обеспечивающую возможность пластического отгиба в плоскости, перпендикулярной оси узловой детали на определенный угол.
Стержни крепятся к лучам узловой детали двумя высокопрочными болтами, причем для одного из болтов — внутреннего — сверление отверстий в узловой детали и стержне производится по номинальному диаметру, а для другого болта отверстия выполняются с большим диаметром. Люфт в 2. . . 3. мм обеспечивает возможность поворота стержня по лучу узловой детали на требуемый угол. При монтаже до завершения сборки всего каркаса болты не затягивают, и только после того, как все элементы установлены и конструкция приняла заданную геометрическую форму, производится затяжка болтов на заданный крутящий момент. Поверх стержней каркаса укладываются треугольные алюминиевые листы толщиной 1, 0. . . 1, 2 мм, являющиеся кровельным покрытием. Листы соединяются внахлест и крепятся к стержням каркаса с помощью прижимных реек таврового профиля. Водонепроницаемость покрытия обеспечивается размещением между листами по линиям нахлеста тонкого слоя нетвердеющего герметика.
Узел соединения стержней каркаса алюминиевых односетчатых оболочек поэлементной сборки К внутренней поверхности каркаса крепятся декоративные панели подвесного акустического потолка, выполняющие также функцию теплоизоляции.
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ КУПОЛОВ. Железобетонные купола проектируют преимущественно в виде оболочек. Эти конструкции покрытий выполняют Монолитные Сборномонолитн ые
Монолитные купола устраиваются гладкими. Сборно-монолитные — из ребристых цилиндрических или плоских плит.
Купол Новосибирского академического театра оперы и балета Толщина оболочки купола 80 мм На рис. 49 приведен пример гладкого монолитного купола диаметром 55 м над зрительным залом оперного театра (г. Новосибирск)
Конструкция ребристого купола оболочки, : 1 -ребра; 2 -верхнее сжатое кольцо кружальной системы; 3 -арочки; 4 -косые настилы
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ КУПОЛОВ. 1. Конструктивное решение купола из крупноразмерных цилиндрических плит. Подъем куполов рекомендуется принимать не менее 1110 от пролета оболочки. Все плиты получаются меридиональными сечениями и поэтому принимаются в этом варианте однотипными. Трапециевидные элементы имеют цилиндрическую поверхность, длина их равна примерно половине длины купола (до 10. . . 20 м в зависимости от пролета купола). Купола при этом компонуются одноярусными. Опорные кольца, как нижнее растянутое, так и верхнее сжатое, выполняются из отдельных железобетонных элементов или стальных прокатных профилей, которые после возведения бетонируют. Нижнее железобетонное опорное кольцо, как правило, подвергается предварительному напряжению или, реже, выполняется без предварительного напряжения.
2. Купол из плоских плит. Эта модификация купола получена разрезкой оболочки кольцевыми и меридиональными сечениями. При таком расчленении каждый ярус собирается из плит одного типоразмера, поэтому число типоразмеров плит в куполе этого типа равно числу ярусов. Поскольку плиты при этом можно получить сравнительно небольших размеров, их поверхность можно принять плоской, а конструктивная форма в целом представляет собой многогранник, вписанный в сферу, конус или другие поверхности вращения.
Рис. Купола из крупноразмерных цилиндрических плит: 1 — плита; 2 — верхнее кольцо; 3 — нижнее опорное кольцо
Нижнее опорное кольцо выполняется по аналогии с п. 1, верхнее кольцо создают замоноличиванием верхних окаймляющих ребер плит верхнего яруса. Возможно также выполнение верхнего кольца железобетонным или металлическим в виде отдельного элемента. Рис. Купол из плоских плит: а — общий вид и план; б — плоская ребристая плита для нижних ярусов; в — то же, для верхнего яруса; 1 — плита; 2 — верхнее кольцо; 3 — нижнее опорное кольцо.
Рис. Купол, монтируемый навесной сборкой: а — разрез; б—план; 1 — плита; 2 — верхнее кольцо; 3— нижнее опорное кольцо Купол многоярусной конструкции из мелкоразмерных плит. Купол собирается из плит трапециевидной формы с размерами не более 3 м. Плиты ребристые криволинейного очертания, в них выполняют отверстия для вентиляции и освещения.
Купола, монтируемые навесной сборкой. Купол разделяется на кольцевые и меридиональные ярусы. Плиты имеют плоскую форму и ребристую конструкцию. Каждая плита располагается в двух ярусах, поэтому их конструкция позволяет выполнять монтаж с помощью навесной сборки. 4.
5. Монолитные купола выполняются преимущественно гладкими. В зоне примыкания оболочки к кольцу ее толщину обычно увеличивают для восприятия краевого эффекта и кольцевых усилий с установкой дополнительной арматурной сетки. В местах действия сосредоточенных нагрузок, а также около отверстий предусматривают дополнительную конструктивную или расчетную арматуру.
6. Ребристо-кольцевые купола, в том числе с решетчатыми связями. Такие купола образуются ребрами-полуарками, опирающимися на нижнее кольцо. Ребра по высоте связывают горизонтальными кольцевыми балками. По несущим ребрам могут быть уложены криволинейные плиты из легкого бетона или стальной настил. Опорное кольцо устраивается, как правило, железобетонным, предварительно напряженным, так как ребристо-кольцевые купола применяются для больших пролетов.
Рис. Монолитный купол: а — разрез и план; б — монолитное опорное кольцо: 1 - криволинейная плита; 2 — нижнее опорное кольцо
Плоские ребра установлены в радиальном направлении и соединены между собой рядом колец, образующих совместно жесткую пространственную систему. Кольца купола помимо нормальных усилий, возникающих в куполе, работают также как прогоны на местный изгиб. В горизонтальные и вертикальные сечения купола таким образом вписывается многогранник.
7. Составные полигональные оболочки. Полигональные оболочки разделяют на составные и гладкие. Составные полигональные оболочки отличаются тем, что в местах пересечения составляющих оболочек образуются переломы. При этом возникают утолщения, называемые разжелобком или гуртом — они эквивалентны некоторой криволинейной жесткой складке, придающей пространственную жесткость всему покрытию аналогично ребру жесткости или диафрагме. Распорные контурные усилия можно воспринять затяжками по периметру сооружения. В большепролетных полигональных оболочках обычно устраивают специальные контурные арки, выполняемые в виде отдельных металлических или железобетонных элементов.
Ребристокольцевой купол: Рис 1— ребра-полуарки; 2—горизонтальные кольцевые балки; 3 — криволинейные плиты; 4 - опорное кольцо.
КУПОЛА ИЗ ПЛОСКИХ ПЛИТ В куполах из плоских плит наружная поверхность этих плит принимается плоской. Разновидностью таких плит являются мелкоразмерные плиты, имеющие в нижнем ярусе размеры 1, 3 X 2, 6 м с небольшим переломом посередине. План плит может быть прямоугольным. В другом варианте плиты имеют в плане трапециевидную форму и большие размеры. Плиты по контуру окаймляются ребрами размерами 240. . . 270 мм и имеют промежуточные ребра, которые делят плиту на несколько кессонов. Наружные и промежуточные ребра плит, сваренные между собой, образуют как меридиональные, так и кольцевые ребра купола. Ребра плит, как правило, располагаются снизу плиты, однако по конструктивным соображениям иногда ребра проектируют и сверху плиты.
Полки плит армируются одиночной сварной сеткой, ребра — плоскими одиночными сварными каркасами и продольной арматурой периодического профиля класса А-Ш, класс бетона плит — 1125. Нижние опорные кольца выполняют из монолитного железобетона, верхние кольца образуются замоноличиванием кольцевых контурных ребер плит верхнего яруса. Плиты верхнего яруса имеют уменьшенное количество кессонов по сравнению с плитами нижнего яруса.
В куполах, монтируемых навесной сборкой, плиты представляют собой двухъярусную конструкцию, каждая из которых расположена в двух ярусах купола. Сборные плиты — ребристые. Ребра увеличивают жесткость плиты при съеме с опалубки и в процессе монтажа. Плиты имеют трапециевидный план и устанавливаются методом навесной сборки между консольными участками плит нижнего яруса. В ребристо-кольцевых куполах с целью обеспечения устойчивости поперечное сечение ребер целесообразно выполнять двутавровым. Все промежуточные кольца рекомендуется выполнять прямоугольного или квадратного поперечного сечения. Форму опорного кольца купола лучше выбирать многоугольной в плане и прямоугольной в поперечном сечении со срезанным углом для опирания ребер.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МОНТАЖ ПЛИТ Наибольшую сложность представляет собой изготовление крупноразмерных цилиндрических трапециевидных плит для куполов длиной, равной половине пролета купола. Складирование, транспортировка и монтаж купола выполняют с временными затяжками, которые демонтируют после замоноличивания швов между плитами. Таким образом, монтаж этих куполов достаточно технологичен. Для сборки конструкций необходимо установить указанные плиты одним концом на внутреннее (центральное) кольцо, уложенное предварительно на центральную монтажную опору, вторым концом — на предварительно установленное опорное кольцо. Изготовление плоских ребристых плит многоярусных куполов не отличается от изготовления обычных куполов. Монтаж таких куполов производится подъемным краном, находящимся в центре здания. Плиты поднимаются сразу под заданным углом в соответствии с их расположением в покрытии. Каждая плита поддерживается в проектном положении двумя подвесками (вантами), прикрепленными к стойкам, установленным на нижнем опорном кольце. При монтаже используется ферма-шаблон, которая перемещается в процессе сборки купола поворотом вокруг центральной башни.
Схема монтажа купольного покрытия: 1 — кольцевой рельсовый путь; 2 — стойка-мачта; 3 — тросовые расчалки: 4 — стержневые подвески; 5—панели купола; 6 — фериа-шаблон; 7 — башенный кран; 8 — опорная площадка
СОЕДИНЕНИЕ ПЛИТ В центре покрытия выполняется внутреннее кольцо, на которое опираются радиальные элементы. Центрально-радиальный «каркас» покрытия улучшает статическую работу оболочки в целом, повышает технологичность возведения, улучшает работу покрытия на горизонтальные и вертикальные перемещения опор с учетом деформаций основания сооружения. Составляющие оболочки меридионально-кольцевой разрезкой членятся на однотипные основные плиты (в основном прямоугольного плана) и доборные с треугольным или трапециевидным планом. Прямоугольные плиты размерами 3 X 6 м очерчены по пологой цилиндрической поверхности. В некоторых случаях при больших пролетах составного покрытия составляющие оболочки выполняют из прямоугольных цилиндрических плит размерами 2, 4 X 7, 2 м (плиты, аналогичные описанной выше конструкции, имеют два промежуточных ребра). Соединение плит между собой выполняется с помощью стальных листовых накладок, которые вертикальными швами приваются к закладным деталям плит, установленным в местах ребер. Все стыки н швы между плитами заполняются бетоном класса В 25. По верху плит в угловых зонах, где действуют главные растягивающие и сжимающие напряжения, укладывают дополнительную арматуру и устраивают дополнительную монолитную набетонку.
УТЕПЛЕНИЕ КУПОЛОВ и кольцам могут быть Для утепленных куполов по ребрам уложены плиты из легкого бетона. Для неотапливаемых зданий на ребра купола укладывают дополнительные прогоны, а по последним — асбестоцементные волнистые листы усиленного профиля. Сопряжение ребер с кольцами рекомендуется выполнять со сваркой закладных деталей и с замоноличиванием. Верхнее опорное кольцо купола должно быть выполнено из условия расчета на изгиб и кручение. Опоры купола выполняют в виде цилиндрических катков, располагаемых вдоль радиуса круга, так, чтобы обеспечить свободные радиальные перемещения и не допускать тангенциальные.
РОМБИЧЕСКАЯ СЕТЬ Ромбическая сеть — схема построения сетчатого купола на основе правильной сети Чебышева. Число циклически повторяющихся граней-секторов может быть различно. Отличительной особенностью является равенство длин стержней, расположенных в направлении меридиана. Стержни, расположенные в кольцевом направлении, имеют разные длины.
Схема построения сферической сети на основе додекаэдра (а) и икосаэдра (б) Эта схема построения образует наиболее равномерную сеть. Все линии стержней плавно переходят друг в друга, следуя кривизне конструкции, что позволяет рекомендовать ее для покрытий общественных зданий, требующих наиболее выразительного архитектурного оформления интерьера.
УЗЛОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ При проектировании сетчатых куполов часто используются узловые соединения, которые первоначально были разработаны для плоских перекрестно-стержневых структурных конструкций. В этих конструкциях длины всех элементов одинаковы, узловые детали однотипны. Количество типоразмеров конструктивных элементов определяется градацией сечений в зависимости от требуемой несущей способности. В сетчатых же куполах стержни каркаса незначительно отличаются по длине, имеют малый разброс расчетных усилий и поэтому могут быть запроектированы одного сечения. Однако стержни сетчатых оболочек в каждом из узлов имеют различную пространственную ориентацию. Использование при конструировании сетчатых куполов узлов типа «МЕРО» , « 8 РАСЕ ТРУ 88» , «Триодетик» приводит к необходимости индивидуального изготовления большого количества типоразмеров узловых элементов, что возможно тишь с применением специализированного оборудования на основе металлообрабатывающих станков с программным управлением.
В связи с этим при проектировании сетчатых куполов стремятся применять такие решения узловых соединений, которые обеспечивают возможность их использования не только при конкретных геометрических размерах, но и при отклонении этих размеров на определенную величину.
На русском/казахском/ английском Пояснение Купол Күмбез dome пространственная несущая конструкцияпокрытия, по форме близкая к полусфере или другой поверхности вращения кривой. Гладкий Тегіс smooth имеющий ровную поверхность, без шероховатостей, изломов, мелких выступов или впади Кривизна Қисықтық Curvature собирательное название ряда количественных характеристик (скалярных, векторных, тензорных), описывающих отклонение того или иного геометрического «объекта» . несущая конструкция, состоящая из сочетания линейных элементов. Несущий каркас Салмақ түсетін қаңқа FRAMING утепление жылылау insulation это элементы конструкции, уменьшающие процесс теплопередачи и выполняющие роль основного термического сопротивления в конструкции
Литература. Современные пространственные конструкции (железобетон, металл, дерево, пластмассы) / Под ред. Ю. А. Дыховичного и Э. З. Жуковского. - М. : Высшая школа, 1991. Руководство по проектированию железобетонных пространственных конструкций покрытий и перекрытий НИИЖБ Госстроя СССР. - М. : Стройиздат, 1979. Дыховичный Ю. А. , Жуковский Э. З. Составные пространственные конструкции. - М. : Высшая школа, 1989. Шугаев В. В. , Соколов B. C. , Подзоров С. А. Сборные железобетонные пространственные перекрытия с натяжением арматуры на стройплощадке // Материалы междунар. научно-практической конференции "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии". - Ростов -на-Дону: изд. РГСУ, 2000.
Скачать презентацию Конструктивное решение сборного купола из плоских элементов к
П 5 Конструктивное решение сборного купола из плоских элементов.ppt