Тонкостенные пространственные конструкции

Тонкостенные пространственные конструкции

 

Тонкостенными пространственными  конструкциями называют такие конструкции, пространственная форма которых  обеспечивает их жесткость и устойчивость, что позволяет их толщину доводить до минимальных размеров. К ним  относят оболочки и складки. Оболочками называются геометрические тела, ограниченные криволинейными поверхностями, расстояния между которыми малы по сравнению  с другими их размерами. Складки  в отличие от оболочек состоят  из плоских тонкостенных плит, жестко соединенных между собой под  некоторым углом.

 

Формы разных видов оболочек различаются гауссовой кривизной, которая представляет собой произведение двух взаимно нормальных кривизн p1 и р2 рассматриваемой оболочки. Кривизной р называется, как известно, величина, обратная радиусу кривизны R: р= 1}R,

 

Интерес при этом представляет знак произведения: при отрицательном  знаке оболочки двоякой кривизны имеют прогибы в разные стороны; при положительном — в одну.

 

Помимо гауссовой кривизну различаются оболочки  и по способу  их геометрического     формообразования:

 

способ переноса и способ вращения. Способ переноса заключается  в переносе образующей линии, прямолинейной  или криволинейной, вдоль направляющей линии, лежащей в плоскости, перпендикулярной плоскости образующей. Другой способ состоит из вращения образующей вокруг некоторой оси, лежащей в ее плоскости. При этом некоторые поверхности, как, например, цилиндрическая круговая поверхность и поверхность гиперболического параболоида (гипара), могут формироваться как по способу переноса, так и по способу вращения (рис. XII. 19, а, б, л, м).

 

 

Цилиндрическая круговая поверхность оболочки может быть получена переносом прямолинейной  образующей по круговой направляющей или круговой образующей по прямолинейной  направляющей. Все другие виды цилиндрических оболочек •— параболические, эллиптические  и т, д. — могут быть получены только по способу переноса (рис. XII.19,а).

 

Коническая оболочка формируется  вращением прямой образующей вокруг вертикальной оси, при этом один конец  образующей закреплен в некоторой  точке на оси вращения, а другой движется по замкнутой кривой, находящейся  в плоскости, перпендикулярной оси  вращения. Если эту кривую считать  направляющей, а прямую—образующей, то формирование конуса происходит по способу вращения.

 

Поверхность коноидальной оболочки образуется переносом прямой, у которой один конец, движется по криволинейной направляющей, а Другой— по прямолинейной.

 

 

Все перечисленные выше поверхности  оболочек (рис. XII. 19, а—д) имеют нулевую гауссову кривизну: так как в сечениях, совпадающих с прямолинейной образующей, один из радиусов кривизны равен бесконечности, сама кривизна равна нулю; следовательно, и произведение обеих кривизн будет равно нулю.

 

Оболочки, поверхности которых  получены перемещением криволинейной  образующей по другой криволинейной  образующей, будут также оболочками переноса. Так, например, получена поверхность  бочарного свода, криволинейная  образующая которого перемещается по криволинейной оси, лежащей в  плоскости, перпендикулярной плоскости  образующей. Если та же образующая получит  еще и вращательное движение вокруг оси у—у, лежащей в ее плоскости, то полученная криволинейная поверхность  будет представлять собой поверхность  тора. Сферическая оболочка может  быть получена вращением части окружности вокруг оси. Если же у сферической  оболочки срезаны стороны вертикальными, плоскостями, выходящими из квадрата, вписанного в круг основания, то такая  оболочка носит название парусной оболочки.

 

Работая в двух взаимно  перпендикулярных вертикальных плоскостях, оболочки должны проектироваться с  учетом особенностей работы в каждой из этих плоскостей. Так, цилиндрическая оболочка в продольном направлении  работает как балка с пролетом L, у которой в нижнем поясе  возникают растягивающие усилия, а в верхней части оболочки эти усилия сжимающие (рис. XII.20), Поэтому  конструктивная высота такой оболочки должна быть не менее 1/10 пролета L. В  поперечном направлении цилиндрическая оболочка работает как распорная  конструкция типа тонкостенной арки с пролетом l(l≤1/2 L). Для погашения распора в этом направлении предусматриваются диафрагмы жесткости, устанавливаемые по длине оболочки с шагом, равным (1... 1,5).

 

Диафрагмы жесткости цилиндрической оболочки выполняются как сплошные стены жесткости, как фермы, вделанные  в оболочку, как арки с затяжками. В то же время распор, который  действует между диафрагмами  жесткости, должен быть воспринят так  называемым бортовым элементом, который  работает как балка в горизонтальной плоскости и переносит распорные  усилия на диафрагмы жесткости.

 

Отношение конструктивного  подъема цилиндрической оболочки или  ее стрелы f к распорному пролету l не должно быть менее 1/7 и не более ½. Распорный пролет, или длину волны длинной цилиндрической оболочки, обычно принимают не более 12 м.

 

 

Бочарные и тороидальные оболочки в отличие от цилиндрических работают как распорные конструкции и в продольном, и в поперечном направлениях. В поперечном распор, так же как и у цилиндрических  оболочек, воспринимается диафрагмами жесткости. Для восприятия же распора в продольном направлении предусматриваются затяжки. Эти затяжки заделываются по концам бортовых элементов, а в пролете подвешиваются к ним для предупреждения провисания. Если покрытие состоит из рядом расположенных нескольких оболочек, бортовые элементу, развитые в ширину, предусматриваются только в крайних пролетах. У бочарных и тороидальных ободочек диафрагмы жесткости можно предусмотреть только по торцам или же торцы решать переходом в коноиды (рис. ХП.20).

 

Распор купольных оболочек воспринимается опорным кольцом, которое  можно установить на колонны как  внешне безраспорную конструкцию. Распор купола может быть воспринят также наклонными стойками и перенесен ими на замкнутый кольцевой фундамент (рис. XII21).

 

Распор парусных сводов воспринимается арматурой в парусах и бортовым элементом опорной арки с затяжкой, связывающей ее концы. Эту арку часто  заменяют сегментной арочной фермой, непосредственно опирающейся  на опоры сооружения.

 

Распор оболочки, имеющей  форму гипара на квадратном плане, передается от покрытия на бортовые элементы, которые работают как балка или опираются непосредственно на несущие стены (рис. ХП.23).

 

 

  

 

По форме сечений оболочки можно разделить на гладкие, ребристые и

 

сетчатые; по методу возведения — на монолитные, сборные и сборно-монолитные. Гладкие оболочки выполняются, как  правило, монолитными. По расходу железобетона они наиболее экономичные.

 

Сборные оболочки монтируются  из тонкостенных железобетонных плит, окаймленных ребрами. Ребра служат для соединения оболочки между собой, причем между ребрами оставляются  швы, куда закладывается арматура, после  чего швы заполняются цементным  раствором. При этом получаются ребристые  оболочки.

 

Сетчатые оболочки могут  быть выполнены по тому же принципу, что и сборные ребристые, с  той лишь разницей, что их тонкостенная часть между ребрами заменена каким-либо другим   неконструктивным   материалом, например стеклом. Такие  конструкции могут собираться и  из отдельных железобетонных или  металлических стержней (рис. XII.21,в).

 

Особое место среди  купольных оболочек занимают так  называемые кристаллические, собираемые из стержней или из треугольных панелей, имеющие минимальное количество типоразмеров. Такие конструкции были в 40-х годах почти одновременно предложены в Советском Союзе проф. М. С. Туполевым и в США известным конструктором Фуллером.

 

В покрытиях, составленных из нескольких оболочек, последние не обязательно должны сопрягаться  друг с другом. Они могут быть соединены и жесткими линейными  элементами — стержнями, металлическими фермами, которые могут быть использованы для организации верхнего света (рис. ХП.23,а).

 

В тех случаях, когда оболочка опирается на отдельные фундаменты, расположенные в углах правильного  многоугольника распор может быть воспринят  затяжками, соединяющими попарно эти  фундаменты, В этих случаях фундаменты работают как безраспорная конструкция (рис, ХН.23,6).

 

Складки в отличие от оболочек формируются из тонкостенных плоских  элементов, жестко скрепленных между  собой под различными углами. Если сечение складки от опоры до опоры  постоянно и не меняется в пролете, то такую складку называют призматической. Призматические складки в основном применяются углового и трапециевидного  сечения (рис. ХИ.24,а, б).

 

Длинномерные, опертые по двум сторонам, призматические складки  работают в продольном направлении  как балка, а в поперечном —  как рама, распор которой наподобие  цилиндрических оболочек погашается боковыми гранями смежных складок; лишь крайние  складки должны быть обеспечены соответствующими бортовыми элементами.

 

  

 

 

  

 

 

 

По торцам призматических складок устанавливаются диафрагмы  жесткости, которые повторяются  и в пролете.

 

К непризматическим складкам относятся складки косоугольные со сходящимися гранями, шатровые, прямоугольного плана, с одинаковым уклоном граней со всех четырех сторон, сводчатые  и купольные (рис. XII.24, г—м). Конструктивная высота длинномерных складок, как призматических, так и косоугольных, не должна быть меньше 1/10... 1/15 главного пролета L: пролет L у таких складок обычно не превосходит 50 м, а в шатровых —20 м.

 

Складки бывают монолитные и  сборные, гладкие и ребристые. Монолитные складки выполняются обычно

 

гладкими, с толщиной стенки не менее 5 см. Сборные выполняются  из плоских плит, окаймленных ребрами, высота которых принимается 1/100...1150 главного пролета, а толщина самой  плиты принимается в 2. .,3 раза меньше, но не менее 3 см. При этом горизонтальные грани трапециевидных складок, которые  воспринимают основные сжимающие усилия, обычно делаются в 1,5...2 раза толще, чем наклонные грани. Утолщение граней предусматривается также в местах их угловых соединений.

 

Складчатые покрытия могут  образовывать своды с пролетами  до 60 м и выше (рис, XI 1.25,а). В этом случае верхние и нижние опоры, собранные  из плоских   элементов, соединяются  затяжками, а в торцах предусматриваются  треугольные опорные рамы. Сборные  плиты таких сводов ребристые, прямоугольные.

 

Складки могут быть выполнены  также и в комбинации с оболочкой, как это было осуществлено на олимпийском  объекте Дружба в Москве (рис. ХИ.25,6).

 

Материалом для складок  служит в основном железобетон, однако складки могут быть выполнены  и из клееной древесины, и из металла. Металлические складки обычно изготовляют  из стального листа, усиленного по краям  уголком.