Конструктивное решение сборного купола из плоских элементов

Ш. А

многоугольным планом и имеют криволинейное или многоугольное очертание в вертикальной

плоскости.

КУПОЛА.

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.

Купола-оболочки.

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.

Ребристые купола.

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

б – сечение ребра
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

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.

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ 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.

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

узел присоединения ребер к нижнему кольцу и опирания кольца на

нижележащие конструкции. Нижнее растянутое кольцо конструируется обычно в виде сварного двутавра. В ребристых и ребристо-кольцевых 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.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КУПОЛОВ

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.

собой на высокопрочных болтах. Каркас образует сетчатую поверхность с треугольными

ячейками. Стержни изготавливаются из прессованного профиля с П-образным 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.

НЕСУЩИЙ КАРКАС

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.

поверхности каркаса крепятся декоративные панели подвесного акустического потолка, выполняющие также

функцию теплоизоляции.

выполняют
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ КУПОЛОВ.

ребристых цилиндрических или плоских плит.

м над зрительным залом оперного театра (г. Новосибирск)
Купол Новосибирского

академического театра оперы и балета Толщина оболочки купола 80 мм

системы;
3-арочки;
4-косые настилы

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.

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ КУПОЛОВ.

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.

— верхнее кольцо; 3 — нижнее опорное кольцо

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.

— 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.

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.

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.

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.

опорное кольцо:
1 - криволинейная плита; 2 — нижнее опорное

кольцо

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.

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.

4 - опорное кольцо.

плоской. Разновидностью таких плит являются мелкоразмерные плиты, имеющие в нижнем

ярусе размеры 1,3X2,6 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.

КУПОЛА ИЗ ПЛОСКИХ ПЛИТ

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.

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.

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.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МОНТАЖ ПЛИТ

— стойка-мачта; 3 — тросовые расчалки: 4 — стержневые подвески;

5—панели купола; 6 — фериа-шаблон; 7 — башенный кран; 8 — опорная площадка

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 3X6 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 привариваются к закладным деталям плит, установленным в местах ребер. Все стыки н швы между плитами заполняются бетоном класса В25. По верху плит в угловых зонах, где действуют главные растягивающие и сжимающие напряжения, укладывают дополнительную арматуру и устраивают дополнительную монолитную набетонку.

СОЕДИНЕНИЕ ПЛИТ

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.

УТЕПЛЕНИЕ КУПОЛОВ

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.

РОМБИЧЕСКАЯ СЕТЬ

стержней плавно переходят друг в друга, следуя кривизне конструкции, что

позволяет рекомендовать ее для покрытий общественных зданий, требующих наиболее выразительного архитектурного оформления интерьера.

Схема построения сферической сети на основе додекаэдра (а) и икосаэдра (б)

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», «8РАСЕ ТРУ88», «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.

УЗЛОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

такие решения узловых соединений, которые обеспечивают возможность их использования не

только при конкретных геометрических размерах, но и при отклонении этих размеров на определенную величину.

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.

Литература.