Железобетон

ТОНКОСТЕННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ

Пространственные покрытия представляют системы, образуемые из тонкостенных оболочек (тонких плит) и контурных конструкций (бортовых элементов, опорных колец, диафрагм в виде балок, ферм, арок, брусьев и т. п.). Оболочкам придают очертания криволинейных поверхностей или многогранников.

Тонкостенные пространственные покрытия применя­ют с использованием в них (рис. XIV. 1, а—ж):

Цилиндрических оболочек и призматических складок;

Оболочек вращения с вертикальной осью (купола);

Оболочек двоякой положительной и отрицательной гауссовой кривизны, преимущественно прямоугольных в плане;

Составных оболочек, образованных из нескольких элементов, по форме пересекающихся криволинейных поверхностей.

Особое место занимают волнистые своды, т. е. мно­говолновые или многоскладчатые покрытия в виде сво­дов (складок) с малыми размерами волны по сравнению С. ДЛИНОЙ пролета (рис. XIV. 1, з), а также висячие покры­тия (на вантах), весьма разнообразные по форме в про­странстве и в плане (две схемы представлены на рис. XIV.1, и, к).

В практике находят применение многие другие раз­новидности тойкостенных пространственных покрытий.

Тонкостенные пространственные покрытия особенно целесообразны при строительстве производственных и гражданских зданий в условиях, когда требуется пере­крывать помещения больших размеров (порядка ЗОХ ХЗО м и более) без промежуточных опор. Впрочем, их успешно применяют и при меньших пролетах.

В пространственных покрытиях благодаря работе конструкции в обоих направлениях в плане достигаются лучшее использование материалов, его существенная экономия, значительное уменьшение собственного веса в сравнении с покрытиями из плоских элементов (кро­вельных панелей, ферм, балок, арок, подстропильных конструкций). Пространственные покрытия обладают особой архитектурной выразительностью.

Рнс. XIV.1. Характерные схемы наиболее часто применяемых тон­костенных пространственных покрытий

А — с цилиндрическими оболочками; б — с призматическими склад­ками; в — с оболочками с вертикальной осью вращения (купола); г — с оболочками двоякой положительной гауссовой кривизны, пря­моугольными в плане; д — с оболочками двоякой отрицательной га­уссовой кривизны, прямоугольными в плане; е — с составными обо­лочками нз прямоугольных в плане элементов; ж — то же, из тре­угольных элементов; з — в виде волнистых сводов; и — висячего ти- fta с поверхностью однозначной кривизны; к — то же, разнозначной Кривизны; 1 — оболочка; 2 — диафрагма; 3 — бортовой элемент; 4— Мемент складки; 5 — опорное кольцо; 6 — элемевт оболочки; 7—• !■■ волна свода; 8 — висячая оболочка

За рубежом тонкостенные пространственные покры­тия возводят главным образом в виде монолитных кой-' струкций с применением на строительной площадке ле­сов и опалубки.

В Советском Союзе пространственные покрытия осу­ществляются преимущественно сборными, что отвечает принципу индустриализации строительства.

Тонкостенные пространственные железобетонные обо­лочки появились в 20-х годах текущего столетия. В СССР первые цилиндрические железобетонные оболочки пост­роены над резервуаром для воды в Баку (1925 г.), за­тем в зданиях Харьковского почтамта (1928 г.), Москов­ской автобазы (1929 г.), Ростовского завода сельскохо­зяйственных машин (1931 г.) и впоследствии на многих других объектах. Первый железобетонный купол был сооружен над Московским планетарием (1929 г.), позже купола сооружались над Новосибирским городским те­атром (1934 г.), Московским театром сатнры (1939 г.) и т. д.

По мере развития строительной индустрии тонко­стенные пространственные конструкции непрерывно со­вершенствовались.

В последнее время построено много оригинальных сборных пространственных покрытий различных форм в Ленинграде, Красноярске, Киеве, Москве и других горо­дах.

Принтом все шире практикуется предварительное на­пряжение контурных конструкций и угловых зон оболо­чек, используются легкие бетоны, изготовляются сбор­ные пространственные панели-оболочки на пролет (ци­линдрической формы—КЖС, гиперболической и др.), применяются армоцементиые пространственные конст­рукции, а также железобетонные оболочки в сочетании со стальными диафрагмами и др.

Поверхности двоякой кривизны могут быть образова­ны способом вращения некоторой плоской кривой (обра­зующей) вокруг оси, находящейся вместе с ней в одной плоскости (рис. XIV. l.s), или способом переноса, т. е. поступательным перемещением плоской образующей по параллельным направляющим (рис. XIV.1,2). Поверх­ность двоякой кривизны может быть получена также пе­ремещением плоской кривой (в частном случае — пря­мой) по двум непараллельным непересекающимся на­правляющим (рис. XIV. 1,д).

Для покрытий чаще всего применяют пологие обо - чки с подъемом поверхности не более '/б—'/б доли бого размера основания.

Криволинейная поверхность положительной гауссовой ивизны характеризуется тем, что центры кривизн дуг ех нормальных сечений, проведенных через каждую чку, лежат по одну сторону поверхности. Если эти ентры расположены с обеих сторон, то такая поверх - Вость называется поверхностью отрицательной гауссовой рривизны.

1 Исследованиями установлено, что пространственные шокрытия с применением оболочек, подобно другим же­лезобетонным конструкциям в начальной стадии загру - ркения (до образования трещин в бетоне растянутых рон), деформируются упруго. После образования тре - Іцин по мере роста нагрузок и напряжений в бетоне и рірматуре в них нарастают неупругие деформации вплоть |fco стадии предельного равновесия. Хорошо изучены обо­лочки в упругом состоянии. Исследования в неупругом состоянии и в стадии предельного равновесия еще не (завершены; они перспективны тем, что позволяют повы­сить надежность и экономичность конструкций.

В общем случае в нормальных сечениях оболочек возникают нормальные силы и Щ, сдвигающие силы Nnl и Nin, изгибающие моменты Мп и Mi, поперечные силы Q„ и Q| , крутящие моменты Нп и Ні (рис. XIV.2).

I Рис. XIV.2. Усилия, действующие в оболочке

В — схема оболочки; б — элемент оболочки и его проекция едииич - вых размеров с компонентами, определяющими его напряженное со - f стояние

Им соответствуют проекции усилий в элементе единич­ных размеров в основании оболочки Nx и Ny, Nxy и NyXt Qx и Qy, Мх и Му, Мху и Мух. Все эти величины относят­ся к единице длины сечения.

Тонкостенные оболочки имеют малую жесткость на изгиб в сравнении с жесткостью против действия сил, развивающихся в срединной поверхности. Поэтому внеш­ние нагрузки, действующие перпендикулярно срединной поверхности, воспринимаются преимущественно силами

, N|, Wng. Поэтому в большинстве оболочек, загру­женных общими для покрытия нагрузками (собственный вес, снег), почти по всей области оболочки возникает безмоментное напряженное состояние, а полное напря­женное состояние — лишь в отдельных зонах там, где происходит заметное искривление срединной поверхности оболочки. Это искривление наблюдается в местах при­мыкания оболочки к контурным конструкциям, резкого или скачкообразного изменения нагрузки, резкого или скачкообразного изменения кривизны поверхности, а также в зонах приложения местных нагрузок (сосредо­точенных на малых площадях).

Безмоментное напряженное состояние тонкостенных пологих оболочек (см. рис. XIV.2) описывается уравне­нием равновесия на ось oz нагрузки и внутренних уси­лий, отнесенных к элементу единичных размеров осно­вания оболочки

Ky д2ф/3*2 + kx д/ду2 — 2kХу д2 <р/дх ду =- q, (XIV. I)

Где q — нагрузка, непрерывно распределенная по поверхности обо­лочки и нормальная к ней.

Функция напряжений ср (х, у) в уравнении (XIV. 1) связана с внутренними усилиями оболочки зависимос­тями

Л'х=д2ф/діA Ny = 32<p/d*2, Nxy=- d2<f/dxdy. (XIV.2)

Кривизны поверхности kx, ky в направлении осей ох и оу и кривизна кручения поверхности kxy равны:

Kx = д2 г/дх2, kv = дЧІду1, kxy = д2г/дх ду. (XIV.3)

В зонах местного изгиба во многих случаях прогиб срединной поверхности w зависит только от одной коор­динаты, например вдоль осн ох; тогда полное напряжен­ное состояние приближенно описывается уравнением

— Dd* w/dx* + kxNx + ky Ny + 2kxy Nxy =— q. (XIV.4)

Десь D — цилиндрическая жесткость оболочки на из« иб;

D = E//(1 — v2)«Јft3/12, (XIV. 5)

?где Л — толщина оболочки; v—коэффициент Пуассона, равный для. Сетона v=l/6.

1 На стадии определения конструктивного решения пространственного покрытия целесообразно применять 'приближенные способы расчета. При рабочем проекти­ровании, в особенности при расчете перемещений, сле­дует пользоваться более точными методами, учитываю­щими образование трещин в бетоне, неупругие свойства "бетона и высокопрочной арматуры, податливость стыко­вых соединений элементов сборных конструкций и др., "применяя, например, методы конечного элемента, ори­ентированные на реализацию вычислений посредством ЭВМ. Впрочем, при определении внутренних сил и мо - 1 ментов в тонкостенных оболочках многие приближенные способы расчета дают вполне приемлемые результаты, часто с точностью выше реальных допусков, практикуе­мых при подборе толщины оболочки, сечений арматуры.