Пространственные конструкции покрытий и перекрытий Содержание: n

Пространственные конструкции покрытий и перекрытий

Содержание: n Общие положения n Пологие оболочки n Цилиндрические оболочки n Жесткие оболочки - Гипары n Мягкие оболочки

Общие положения С появлением в начале ХХ в. железобетона, способного принимать любые формы и сопротивляться сжатию, растяжению и изгибу, стали создавать строительные конструкции, в которых использовались качества нового материала, на свойства которого можно оказывать влияние. Такими конструкциями явились – ОБОЛОЧКИ.

• Пространственные конструкции покрытий разделяют на четыре основные группы: 1. Структурные плиты (структуры); 2. Вспарушенные оболочки; 3. Висячие (вантовые и мембранные) покрытия; 4. Мягкие (пневматические и тентовые) оболочки.

Материалы, используемые для пространственных конструкций покрытий Строительные материалы Классы конструкций железо пласт металл дерево ткань бетон массы Структуры + + + - - Складки + + + - - Жесткие оболочки + + + + - Вантовые покрытия + + + + - Пневматические и тентовые - - + + + покрытия Примечание: «+» - используемый материал; «+» - возможное использование;

Вначале в оболочках использовались простые геометрические формы цилиндр и сфера, но в дальнейшем создавались разные конструктивные формы из железобетона в соответствии с функциональными и архитектурно художественными требованиями. Тогда началось развитие оболочки из фибробетона и армоцемента, также стальные стержневые пространственные конструкции структуры, которые в некоторой степени аналогичны плоским стержневым (решетчатым) и массивным (сплошным) конструкциям – плитам.

Поверхности вращения Сферическая Параболоид вращения

Тор – внешний Тор – внутренний участок

Поверхностью вращения называют поверхность, образованную в результате вращения кривой (прямой) вокруг заданной оси. Поверхностью переноса называют поверхность, образованную параллельным перемещением (переносом) кривой одного направления (образую щей), опирающейся некоторыми точками на другую кривую направляющую.

Поверхности переноса Гиперболический параболоид

Круговая поверхность

Эллиптический параболоид Цилиндрическая

Призматические складки: - балочная складка с треугольным поперечным сечением - балочная складка с трапециевидным сечением

- балочная складка со сводчатым сечением (призматические выпуклые складки) Оболочки нулевой гауссовой кривизны: - свод-оболочка

- длинные цилиндрические оболочки - короткие цилиндрические оболочки - коническая оболочка

• Цилиндр является примером поверхности нулевой гауссовой кривизны. • Примерами поверхностей положительной гауссовой кривизны, применяемых для отдельных и составляющих оболочек, являются сфера, параболоид вращения, внешняя часть тора, эллиптический параболоид. • Отрицательную гауссову кривизну имеют внутренняя часть тора, гиперболический параболоид, гиперболоид вращения, геликоид.

Оболочки положительной гауссовой кривизны Оболочки отрицательной гауссовой кривизны

Оболочки с вертикальной осью вращения - купол Оболочки с горизонтальной осью вращения - бочарные своды

- гиперболические оболочки Тороидальные оболочки разнозначной гауссовой кривизны:

Составные оболочки - покрытие с треугольным планом из оболочек положительной и отрицательной гауссовой кривизны - покрытие с полигональным планом из оболочек положительной и отрицательной гауссовой кривизны

Составные оболочки из гиперболических треугольных сводов

Неразрезные оболочки - многоволновые оболочки - многопролетные оболочки

Пространственные конструкции покрытий прежде всего следует разделить на две большие совокупности: криволинейные (или сочетания плоских элементов, вписываемые в криволинейную форму конструкции) и конструкции, образуемые прямолинейными элементами, не создающими своими сочетаниями криволинейную форму. В первую совокупность конструкций входят группы вспарушенных пространственных конструкций, висячих покрытий, мягких оболочек; во вторую структурные плиты.

Пологие оболочки Исходная поверхность оболочки положительной гауссовой кривизны с прямоугольным планом. Предназначены для перекрытия зданий с планами, близкими по форме к квадрату. Это оболочки которые по форме напоминают купол, но с отсеченными сегментами и сравнительно малым подъемом над опорами.

Принцип меридионально – кольцевой разрезки оболочек 1 – элемент разрезки; 2, 3 – вертикальные и радиальные секущие плоскости; 4 – ось вращения секущих плоскостей

По форме поверхности плиты могут быть плоскими, цилиндрическими или двоякой кривизны. Для оболочек рекомендуется применять цилиндрические плиты, так как плиты двоякой кривизны сложны в изготовлении, а плоские повышают расход материалов. Оболочки по контуру опираются на диафрагмы, которые выполняются в виде балок, ферм или арок, а также криволинейных брусьев, уложенных на стены.

Контурные элементы диафрагм пологих оболочек а – железобетонная балка; б – стальная балка; в – железобетонная ферма; г – стальная ферма;

В зависимости от количества и расположения ячеек здания оболочки могут проектироваться отдельно стоящими (одноволновыми) и многоволновыми в одном или двух направлениях. Многоволновые оболочки проектируют «разрезными» и «неразрезными» . Сборные пологие оболочки рекомендуется проектировать разрезными, что обеспечивает их более благоприятную статическую работу.

Общий вид многоволновых сборных железобетонных оболочек положительной гауссовой кривизны

Конструктивные формы сборных железобетонных пологих оболочек Типовые оболочки для промышленных зданий с укрупненной сеткой колонн (18; 24 м) из плит 3 x 6. Оболочки пролетом до 42 м из плит 3 x 6 м, монтируемых навесным способом.

Оболочки пролетом до 60 м из унифицированных плит 3 х б м, в том числе с шагом колонн 18 и 24 м. а) Оболочки пролетом до 102 м из плит 3 х 12 м с контурными опорными балками. б) а – с промежуточными балками, б – без промежуточных балок

Цилиндрическая железобетонная плита Для пологих оболочек применяются цилиндрические плиты размерами 3 x 6 м и 3 х12 м. Плиты проектируют с контурными и поперечными промежуточными ребрами. В плитах 3 x 6 м принимают одно поперечное ребро, в плитах 3 х12 м - три поперечных ребра. Высоту ребер принимают 250 -300 мм, толщину полки 30 -50 мм.

Крайние плиты оболочки опирают на контурные элементы сверху или в одном уровне. Для этого предусматривают закладные детали и столики. Узлы опирания плит на контурную балку а – опирание сверху; б – опирание в одном уровне;

Цилиндрические оболочки Цилиндрическими оболочками называются тонкостенные конструкции, состоящие из основных элементов: 1) тонкая сводчатая плита; 2) поперечные диафрагмы; 3) бортовые элементы(БЭ);

Расстояние между осями опорных диафрагм l 1 называется пролетом оболочки. Расстояние между бортовыми элементами l 2 называется длиной волны. Высота оболочки включая БЭ обозначается h, стрела подъема оболочки без БЭ обозначается f. Направление по образующей вдоль пролета (l 2) называется продольным, а по направляющей (l 1) поперечным.

Диафрагмы и бортовые элементы (БЭ): а – в виде арки; б – в виде безраскосной фермы; в – в виде раскосной фермы; г – бортовые элементы-балки;

Если вдоль прямолинейной образующей оболочка опирается на две диафрагмы, она называется однопролетной; Если оболочка поддерживается более чем двумя диафрагмами, она называется многопролетной; Также цилиндрические оболочки бывают одно- и многоволновыми состоящие из нескольких одноволновых оболочек;

Покрытие с многоволновыми цилиндрическими оболочками (корпус Института водоснабжения Техн. Высшей Школы г. Дармштадт)

В зависимости от отношения пролета к длине волны цилиндрические оболочки условно делят на две группы: длинные цилиндрические и короткие цилиндрические оболочки. длинные оболочки короткие оболочки

Конструктивные формы длинных цилиндрических оболочек: а – с БЭ в виде сборных балок; б – с БЭ являющиеся частью плит; в – с продольной разрезкой на плиты; 1) элементы диафрагм; 2) плиты; 3) БЭ

Конструирование

Короткие цилиндрические оболочки: Встречающаяся в практике разновидность коротких оболочек имеет шаг диафрагм в пределах 6 12 м; стрела подъема назначается не менее 1/8 l 2. Высота БЭ без предварительного напряжения принимается не менее 1/15 l 1, а ширина 1/5 1/2 высоты. Для коротких цилиндрических оболочек часто применяются плоские ребристые плиты размерами 3 х. 12 м, укладываемые по диафрагмам в виде ферм.

Плита короткой цилиндрической оболочки: 1, 3 – продольное ребро; 2 – поперечное ребро; 4 – арматура; 5 – полка плиты; 6 – торцевое ребро;

Оболочки из дерева:

Жесткие оболочки гипары Поверхность гиперболического параболоида (гипара) относится к поверхностям отрицательной гауссовой кривизны. Главные кривые гипара – параболы, которые пересекаются в точке 0 – центре поверхности.

Способы образования поверхности гипара

Построение гипара: а – с системой прямолинейных образующих; б – фрагмент гипара, выделенный прямолинейными образующими;

Фрагменты оболочек гипаров: а в – с криволинейными контурами; г – с прямолинейными контурами; д – со смешанными контурами;

Геометрические схемы сочетаний гипаров: а б – из трех элементов; в е – из четырех элементов; ж – из пяти элементов; з – из шести элементов;

Схемы покрытий с прямоугольным планом: а – «крестовая крыша» ; б–с диагональными затяжками;

Оболочки в виде гипаров из крупноразмерных плит: 1) плиты; 2) контурные затяжки; 3) коньковые балки;

Оболочки для зданий с квадратной сеткой колонн 18 х 18 42 х 42 м собирают из отдельных плит размерами 3 х 3 м. Они имеют толщину поля 35 40 мм и по контуру ребра высотой 120 180 мм.

Плита в форме гипара: а – сборная плита для сварного стыка; б – сопряжение плит; 1) арматура плиты; 2) арматура в швах; 3) бетон замоноличивания;

Примеры построек в виде оболочек гипаров а – спортивный зал на круглом плане (Токио); б – трехсекционное покрытие (Мексика); в – составная оболочка из пяти гипаров (Англия);

Мягкие оболочки Мягкие оболочки группа пространственных конструкций, выполняемых из материалов, обладающих высокой прочностью при растяжении, но не способных сопротивляться другим видам напряжения. Этими качествами обладают материалы (волокна, пленки), утоненные до такой степени, что они не могут противостоять ни сжатию, ни изгибу, ни сдвигу.

Классификация пневматических конструкций Воздухонесомые Воздухоопорные конструкции Усиленные Геометрическая канатами или Панели форма Линзы сетями Стержни (подушки) состав однопро многопро Ортотроп изотроп простые сложные летные ные

Оболочка воздухоопорного здания 1 – оболочка; 2 – тент шлюза; 3 – переходник; 4 – вентиляционный клапан; 5 – силовой пояс; 6 – патрубок мягкого воздуховода; 7 – воздухоподающая установка; 8 – монтажный шов; 9 – винтовой анкер; 10 – разгружающий канат;

Составные воздухоопорные оболочки а, б – цилиндр+цилиндр; в – цилиндр+сфера; г – цилиндр+конус; д – сфера+сфера; е – сфера+гипар+сфера;

Оболочки усиленные канатами и сетками на планах а – круговой; б – эллиптический; в – многоугольный; г – прямоугольный;

Основные требования к материалам мягких оболочек: 1. прочность при растяжении; 2. прочность при раздире; 3. долговечность; 4. стойкость против воздействий среды и против механических повреждений; 5. светопроницаемость тканей (в особых случаях - до 50%, армированных пленок - до 90%); 6. огнестойкость: трудносгораемость и самозатухание; 7. окрашиваемость в массе; 8. удобство стыковки полотнищ.

Пневмолинзы (пневмоподушки): I – На планах: а – квадратном, б – круговом; II – на опорах, расположенных по контуру; III – внутри контура; IV – по контуру и в центре;

Пневмостержневые конструкции а – арка низкого давления; б – арка высокого давления; в – стойка; г – балка; д – рама; е – кольцо (тор);

Варианты каркасов куполов и сводов из пневмоарок

Пневмопанели а-д – ортотропные; е, ж - изотропные

Примеры конструктивных решений тентовых покрытий

Выводы: При проектировании большепролетных зданий и сооружений из представленных конструкций, ясно, что применение Тонкостенных Пространственных Покрытий (ТПП) является наиболее эффективным. Монофункциональное здание Досуговый центр

Источники дополнительных сведений 1) Строительные пространственные конструкции изд. 2. Н. В. Канчелли. 2) Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции. Лебедева Н. В. 3) Архитектурные конструкции. Благовещенский Ф. А. и Букина Е. Ф. 4) Архитектурные конструкции. Степанов А. В. , Мальгин В. И. , Иванова Г. И. и др. Архитектура-С,