Расчет куполов-оболочек

Расчет  куполов по методу предельного равновесия.

Устойчивость  куполов 

Расчет куполов  по методу предельного равновесия разработан только для случая осесимметричной  нагрузки. При этом следует иметь  в виду, что купол не должен быть слишком пологим (отношение диаметра контура к стреле подъема купола не должно быть более 10).

Предполагается, что арматура купола состоит из радиальных и кольцевых стержней, а опорное кольцо оперто по всему периметру. Рассматривается схема разрушения, представляющая собой систему начинающихся у контура радиальных трещин, концы которых соединены между собой кольцевой раскрывающейся снизу трещиной — пластическим шарниром.

Составляется  уравнение равновесия всех сил, действующих  на ограниченный трещинами элемент. Более подробно метод предельного равновесия изложен в работе [301Применение метода позволяет несколько уменьшить расход арматуры на купол. Устойчивость куполов может быть проверена по формулам {IV.48) — (IV.50) устойчивости оболочек положительной кривизны в работе [213.

Примеры осуществленных куполов

В 1960 г. над Дворцом  спорта в Тбилиси был смонтирован  сборный купол диаметром 76 м навесным способом из плоских ступенчатых  плит трапециевидного очертания  длиной 5,8 м.

Плиты крепились  к ранее возведенной части  купола так, чтобы центр тяжести  плиты приходился на край смонтированного  яруса (рис. 5). Это позволило собрать  купол без каких-либо подмостей: выступающая в следующий ярус часть ступенчатой плиты удерживалась в проектном положении весом  закрепленной за ранее смонтированный ярус части. Купол разбит на 11 ярусов и собран из плит 11 типоразмеров. Оболочка получилась двухслойной, гладкой сверху и снизу, общей толщиной 520 мм при  толщине плит 30 мм.

Приведенная толщина  бетона купола — 15,6 см, расход стали  — 18,9 кг на 1 м2. Купол опирается на монолитное железобетонное кольцо. Достоинства  купола — его сборность и простота монтажа ступенчатых плит, что  очень удобно для применения в  северных условиях. Недостаток конструкции  — повышенный расход материалов.

В 1961 г. в Ленинграде над одним из лабораторных зданий возведен гладкий монолитный купол  диаметром 76 м с подъемом 17 м.

Толщина оболочки купола меняется от 100 до 360 мм у опорного кольца и 150 мм — у верхнего фонарного  кольца. Очертание срединной поверхности  купола — эллипсоид вращения. Бетон  марки 300 укладывался в опалубку поярусно, кольцами. Приведенная толщина  бетона составляет 21,5 см, расход стали  — 20,6 кг на 1 м2.

Над цирком в  Киеве в 1961—1962 гг. возведен сборный  железобетонный купол диаметром 42,3 м, с подъемом 7,72 м и центральным  фонарем диаметром 13,3 м (рис. 6, а). Купол  собран из пяти ярусов плоских трапециевидных ребристых панелей. Толщина, плиты  — 40 мм, высота ребер — 240 мм, максимальный вес — 8 т.

Число плит в  ярусе — 32 шт., марка бетона 300. Опорное  кольцо купола выполнено монолитным. Приведенная толщина бетона — 16,5 см, расход стали — 32,6 кг на 1 м2.

Купол монтировался поярусно с помощью вращающейся  радиальной фермы-шаблона, использованной также для крепления снизу  звукопоглощающего потолка. Плиты  монтируемого яруса удерживались при  помощи системы стоек и оттяжек, располагаемых на смонтированной части  купола. Такие же купола были возведены  над зданиями цирков в Минске и  Туле.

При строительстве  подобного цирка в Красноярске  было принято решение об изменении  способа разрезки оболочки на сборные  элементы (рис. 6, б). Было изготовлено 144 ребристые плиты шести типоразмеров с переломом посередине длины, что  позволило осуществить монтаж купола без лесов или подмостей (важно  при строительстве в северных условиях).

Рис 5. Покрытие над Дворцом спорта в Тбилиси

а) общий  вид; б — разрез, деталь плиты

Рис. 6. Купола

а —  над цирком п Киеве (общин вид); 6 - над цирком в Красноярске (план, разрез и детали плиты)

Плиты первого  яруса устанавливались с временными опорами через одну. Между образовавшимися  выступами монтировались плиты  следующего яруса и прикреплялись  в четырех точках к ранее смонтированной части при помощи сварки.

Замоноличивание швов осуществлялось после сборки купола. Приведенная толщина бетона составляет 14,25 см, расход стали — 28 кг на 1 м2.

В Донецке, над  зданием рынка в 1963 г. был возведен сборный сферический купол диаметром 37,1 м с подъемом 13,18 м. Купол разрезан на 15 ярусов из 48 одинаковых плоских  ребристых плит каждый. Толщина плит — 40 мм, высота ребер — 270 мм. Купол опирается на монолитную кольцевую балку. Приведенная толщина бетона купола — 18'см, расход стали — 14,1 кг на 1 м2.

Некоторый недостаток конструкции — большое число  мелких сборных элементов. В условиях Севера рекомендуется применять  более крупные плиты.

Монтаж осуществлялся  поярусно, без лесов, с помощью  переставных шпренгельных опор. В  гор. Темиртау над зданиями радиальных сгустителей Карагандинского металлургического  комбината по проекту Ленинград ского Промстройпроекта в 1963 г. построено несколько сборных куполов диаметром 32,5 м, (высотой 7,1 м (рис. 7).

Рис. 8. Покрытие цирка в Бухаресте

Купола собраны  из 32 окаймленных ребрами сферических  секторов-панелей длиной 16,6 м и  шириной у опорного кольца 3,2 м.

Толщина плиты  — 30 мм, высота !ребер — 300 мм, марка  бетона 300. Опорное кольцо 'выполнено  монолитным с арматурой класса АШв, напряженной электротермическим методом. Приведенная толщина бетона — 8,4 см, расход стали — 16,2 кг на 1 м2.

Монтаж осуществлялся  при помощи центральной опоры, поддерживающей верхнее кольцо купола. Панели-секторы  устанавливались одновременно на нижнее и верхнее кольца купола по двум противоположным диаметрам, чтобы  избежать одностороннего давления на центральную опору. Во избежание  деформации опорного кольца на период монтажа оно было раскреплено  несколькими диаметральными растяжками.

Аналогичные купола диаметром 40 м возведены над зданиями шламбассейнов на Красноярском (Сухоложском  цементных заводах.

Строительство сборных куполов за рубежом осуществляется редко. Из сборных конструкций можно  отметить купол диаметром 41 м и  стрелой подъема 12 м над рынком в Сиди-Бель-Аббес (Алжир), собранный  из четырнадцати ярусов трапециевидных ребристых плит [48].

Строительство 'волнистых куполов зонтичного типа представляет Значительный архитектурный  интерес благодаря выразительности  конструкций. Из осуществленных за рубежом  зонтичных куполов можно назвать  покрытие рынка в Руайане (Франция) и цирка в 'Бухаресте (рис. 8). Купол  цирка имеет диаметр 60 м и высоту 20,3 м. Очертание волн параболическое, купол выполнен монолитным в деревянной опалубке с опиранием на 16 колонн, связанных поверху железобетонным кольцом. Толщина плиты купола переменная — от 7 до 12 см.

Рис. 9. Большепролетные  купола

а —  купол над стадионом в Сиэтле; и - купол над спортивным залом  па Центральном стадионе им Б. И Ленина в Москве

Наибольшим из известных железобетонных куполов  является монолитный купол диаметром 201,6 м и высотой 33,5 м, возведенный  в 1976 г. (рис. 9, а) над стадионом в  Сиэтле (США). Очертание купола принято  по гиперболе. Купол из 40 секторов гиперболичеческого очертания бетонировался на стальных, перемещающихся по кругу подмостях. Одновременно бетонировались четыре взаимно  перпендикулярных сектора с массой одного сектора 1000 т. Купол оперт  на железобетонное предварительно-напряженное  кольцо шириной 7,3 м, покоящееся на 40 железобетонных колоннах. Купол снабжен 40 ребрами  жесткости высотой 1,83 м, размещенных  на стыках секторов. Толщина гиперболической  оболочки сектора купола — 127 мм.

В суровых условиях Севера возведение монолитных куполов  ограничивается коротким периодом положительных  температур и необходимостью бетонирования  в холодные периоды — с применением  электропрогрева или противоморозных  добавок. Для таких сооружений необходимо тщательно проработать и неуклонно соблюдать график строительства.

В Москве на Центральном  стадионе им. В. И. Ленина заканчивается  строительство универсального спортивного  зала для Олимпийских игр 1980 г. Здание в плане представляет собой квадрат  со скругленными углами. Сторона квадрата — 88 м. Несущие конструкции здания представляют собой железобетонный купол-оболочку, также квадратную, со скругленными углами и стороной 48 м. Купол покоится на 28 железобетонных ромбических складчатых опорах. Высота сооружения до центра купола — 26 м. Вся  конструкция собрана из ребристых  цилиндрических плит. Ромбические опоры  перед подъемом и установкой укрупнялись  на уровне земли (рис. 9, б).

Приведенная толщина  бетона сооружения — 23 см, расход стали  — 50 кг на 1 м2.

В заключение остановимся  на оригинальной конструкции монолитных куполов (рис. 10) диаметром до 30 м, возводимых индустриальным методом при помощи пневматической опалубки системы «Бинишеллс» (Италия). Последовательность работ  по возведению купола:

1. Подготовка  территории, включающая устройство  сплошного жесткого пола на  всей площади будущего купола, кольцевого фундамента и заглубленного  в грунт кольцевого трубопровода, к которому крепится пневматическая  опалубка.

2. Устройство  станции нагнетания из вентиляторов  низкого давления мощностью 10—15 кВт с подводом под полом  купола труб из поливинилхлорида, подающих воздух под опалубку.

3. Укладка пневмоопалубки  из армированного нейлоном неопрена, обладающего способностью упругого  удлинения. Опалубка крепится  к кольцевому трубопроводу с  обеспечением плотного соединения.

4. Укладка арматуры  из стержней диаметром 4—8 мм  попарно (с нахлестом) в проволочные  спирали, способные растягиваться. 

Концы спиралей с арматурой прикрепляются к  кольцевой арматуре фундамента, при  надувании опалубки спирали растягиваются, а стержни, скользя внутри них, занимают проектное положение, обеспечивая  необходимый нахлест в середине. Арматура веерообразно расходится из нескольких точек, равномерно размещенных  по контуру, образуя сетку, покрывающую  поверхность оболочки. Назначение проволочных  спиралей — обеспечение проектного положения арматуры, толщины бетона оболочки, предотвращение сползания  бетона при подъеме и вибрировании, регулировка правильности формы  будущего купола. При необходимости  отепления плиты утеплителя раскладываются по неопреновой опалубке до укладки  арматуры. В дальнейшем они сцепятся с бетоном.

5. Бетонирование  заармированной поверхности подвижной  бетонной смесью на мелком  заполнителе с водоцементным  отношением 0,5 и добавкой замедлителя  схватывания.

6. Укладка по  выровненной бетонной поверхности  защитной нищий из поливинилхлорида, по контуру прикрепляемой к  фундаменту. Назначение пленки —  защита свежеуложенного бетона  от «ижди и солнечной радиации, а также удержание его от  сползания м|Щ подъеме и вибрации.

7. Укрепление  в центре купола поверх защитной  пленки поИ1 ршимтпих вибраторов, способных перемещаться по поверхности  купили па роликовых шасси,  так, чтобы обслуживаемые ими  сек торы перехлестывались и можно было провибрировать всю поверхность оболочки.

Рис. 10. Купола системы «Бинишеллс», возводимые на пневматической опалубке а - общий  вид; б — схема возведения

8. Включение  насосных установок, подающих  воздух между полом и неопреновой  опалубкой до тех пор, пока  купол не примет необходимую  форму. 

9. Включение  поверхностных вибраторов. Схватывание  бетона осуществляется между  двумя мембранами (верхней и нижней); при этом применяются устройства, регулирующие испарение воды  и сроки схватывания. В результате  получается плотная железобетонная  оболочка без усадочных трещин.

10. Постепенный  выпуск воздуха из-под купола  после отверждения бетона. После  этого опалубка и верхняя защитная  пленка могут быть сняты. В  готовой оболочке могут быть  вырезаны циркульной пилой отверстия  — окна, двери. При необходимости  обрамить отверстия арматуру  закладывают заранее. 

Купола такой  конструкции могут быть сооружены  как на уровне земли, так и на другой необходимой отметке. Весь процесс  возведения купола осуществляется за 5—7 дней бригадой из 6—10 человек, что  является особенно удобным для северных условий. Неопреновая опалубка может  быть использована до 40—50 раз, необходимое  оборудование можно привезти автотранспортом. 

Монтаж  сборно-монолитных оболочек 

Оболочки используются для перекрытия значительных площадей без промежуточных опор. В них  наиболее полно используются пластические и прочностные свойства железобетона, что обеспечивает снижение по сравнению  с покрытиями из линейных и плоских  конструкций расхода бетона на 30—35 и стали на 20—25 %.