2. Тонкостенные сплошные пространственные конструкции покрытий

2.1. Классификация сплошных пространственных конструкций

К тонкостенным пространственным конструкциям покрытий относятся оболочки, у которых отношение минимального радиуса кривизны к толщине более 20: R_min / t > 20 . Тонкостенные оболочки выполняют из железобетона, древесины, пластмасс.

По конструкции тонкостенные оболочки подразделяются на своды, складки, цилиндрические оболочки, купола, пологие оболочки положительной гауссовой кривизны и оболочки отрицательной гауссовой кривизны (рис. 18).

Рис. 18. Конструктивные виды тонкостенных оболочек

2.2. Тонкостенные сплошные своды

Пространственная конструкция с постоянным криволинейным профилем

и прямолинейными направляющими, называется сводом.

Своды относятся к большепролетным покрытиям зданий. Их применяют для перекрытия пролетов от 12 до 100 м и более. Отличительная особенность сводов – это наличие распора, который воспринимается затяжками (свод опирается на колонны, стены) или передается непосредственно на фундамент.

Профиль свода может быть очерчен по любой выпуклой кривой или полигональной линии (рис. 19).

Рис. 19. Различные

виды очертаний сводчатых конструкций

в продольном

направлении:

а) криволинейное;

б) призматическое

а

б

Своды (их арочную часть) рекомендуется выполнять из отдельных унифицированных железобетонных тонкостенных элементов заводского изготовления. Затяжки выполняют из преднапряженного железобетона или стальными (рис. 19).

П оперечное сечение сводов может быть открытого и закрытого профиля (рис. 20).

б

а

в

г

Рис. 20. Сечения сводчатых конструкций:

а) волнистое; б) складчатое; в) бочарное; г) коробчатое

Наиболее характерными поперечными сечениями открытого типа являются (рис. 20, а, б, в):

- сечение, имеющее нулевую кривизну (гладкие своды);

- сечения, имеющие плавное соединение разнозначных кривых (положительной и отрицательной кривизны), сечения, описанные по синусоиде и др. (волнистые своды);

- сечения, имеющие однозначную кривизну – положительную или отрицательную (бочарные своды);

- сечения, образованные ломаной (треугольной, полигональной) линией (складчатые своды).

К сечениям закрытого профиля относится коробчатый замкнутый профиль (коробчатые своды).

2.2.1. Гладкие сплошные своды

Гладкие своды сплошного сечения (рис. 21), которые в прошлом возводили из камня, бетона или кирпича, теперь встречаются как исключения.

Рис. 21. Гладкие своды

2.2.2. Тонкостенные сплошные волнистые своды

Волнистые своды (рис. 22) отличаются развитым профилем. Своды этого типа чаще всего выполняют из армоцемента, пластмассы, железобетона. Диапазон пролетов волнистых сводов от 12 до 100 м и более со стрелой подъема f / ℓ = 1 /2 – 1 /6 без за-

Рис. 22. Волнистые своды

тяжки и f / ℓ = 1 /6 – 1 /10 с затяжкой. При назначении размеров волнистого поперечного сечения (рис. 20, а), учитывая существенное влияние его ширины на жесткость конструкции, рекомендуется отношение высоты сечения к ширине принимать в пределах h / b ≥ (1 /2 – 1 /4). Толщина волнистого сечения из армоцемента составляет t = 30-40 мм, из монолитного железобетона t = 60-100 мм, сборного железобетона t = 30-50 мм.

Для примера приведем конструкцию волнистого свода над главным павильоном промышленной выставки в Турине. Пролет свода ℓ = 80 м. Стрела подъема f =20 м. Свод состоит из сборных армоцементных блоков волнообразного, очерченного по синусоиде поперечного сечения. Основные размеры блоков: длина 4,5 м, ширина 2,5 м, высота 1,45 м, толщина 40 мм. Каждый блок в торцах имеет диафрагмы жесткости, посредством которых он сопрягается со смежными блоками (рис. 23, 24).

а

Рис. 23. Покрытие системы Нерви над центральным залом Туринской выставки:

а) продольный и поперечный разрезы

б

в

г

Рис. 23. (Окончание). Покрытие системы Нерви над центральным залом Туринской выставки:

б) конструкция сборного армоцементного элемента: 1 – диафрагма жесткости;

2 – стык диафрагм; 3 – обрамление световых проемов; 4 – арматурные стержни

для сопряжения сборных элементов; в) интерьер павильона; г) боковая часть павильона с галереей и опорной конструкцией

г

Вертикальная нагрузка и распор свода воспринимаются отдельно стоящими железобетонными опорами, угол наклона к вертикали которых соответствует направлению равнодействующей реакции свода. На каждую опору через веерообразную железобетонную вставку опираются три соседние ребра свода (рис. 23). Шаг железобетонных опор равен трем волнам свода, т.е. 7,5 м.

На рис. 24 приведен волнистый свод из железобетона пролетом 147 м. Свод выполнен из сборных криволинейных железобетонных элементов длиной 6 м волнообразного поперечного сечения высотой 2,75 м, шириной 4,37 м и толщиной 85 мм (толщина стенок составляет примерно t = ℓ / 500). Сборные элементы подкреплены ребрами сечением 50  120 мм с шагом 500 мм.

а

б

в

Рис. 24. Сборный железобетонный волнистый свод пролетом 147 м в г. Мюнхене: а) продольный разрез;

б) боковой фасад свода;

в) верхний и нижний стыки волн

(размеры в см)

в

При проектировании волнистых сводов широкое применение получили сборные армоцементные одноволновые и двухволновые элементы.

Ярким примером применения армоцементных одноволновых элементов в большепролетных сводчатых покрытиях является покрытие производственного корпуса текстильного комбината в г. Красноярске (рис. 25). Пролет сводчатого покрытия составляет 75 м. Свод выполнен из сборных криволинейных армоцементных элементов длиной 15 м волнообразного поперечного сечения высотой 1,8 м, шириной 3,0 м и толщиной 30 мм. В каждом элементе установлены диафрагмы жесткости с шагом 3 м. На каждый элемент свода установлены плиты покрытия 33 м (рис. 25).

а

б

в

Рис. 25. Сводчатое покрытие корпуса текстильного комбината в г. Красноярске:

а) продольный разрез; б) поперечный разрез; в) поперечное сечение свода; 1 – криволинейный армоцементный элемент; 2 – горизонтальные преднапряженные балки;

3 – плиты покрытия; 4 – затяжка; 5 – подвески

Впервые в г. Саратове было осуществлено сводчатое покрытие из двухволновых армоцементных элементов. Пролет покрытия 24 м. Сборные двухволновые криволинейные элементы шириной 3,0 м и длиной 24 м выполнены переменной высоты – от 500 мм в щелыге свода до 250 мм у опор (рис. 26). Такое решение привело к сокращению числа монтажных элементов и замоноличиваемых швов.

В Париже при строительстве выставочного павильона Национального центра промышленности и техники был применен железобетонный сомкну-

Рис. 26. Двухволновые элементы переменной высоты (г. Саратов)

тый свод из трех волнистых цилиндрических поверхностей, пересекающихся в вершине по трем горизонтальным линиям. Площадь павильона представляет собой равносторонний треугольник, длина сторон которого равна 218 м.

Для обеспечения жесткости большепролетного покрытия были применены двойные железобетонные оболочки, каждая толщиной 6 см. Расстояние между ними составляет 1,8 м. В каждой волне установлены поперечные диафрагмы жесткости с шагом 3 м. Кроме того, между волнами свода установлены вертикальные диафрагмы жесткости (рис. 27). Для восприятия распора использована преднапряженная затяжка, расположенная в уровне пола.

б

а

в

Рис. 27. Выставочный павильон Национального центра промышленности и техники

в Париже: а) внутренний вид павильона; б) план размещения волнистых сводов;

в) продольный разрез по сегменту свода; 1 – теплоизоляция; 2 – сборные диафрагмы;

3 – сборные поперечные ребра; 4 – камера для гидравлических домкратов

На рис. 28 приведены примеры армоцементных волнистых сводов в покрытиях зданий различного назначения.

а б

в

Рис. 28. Волнистые своды в покрытиях петербургских зданий: а) теннисный корт

(пролет 39 м); б) Невский рынок (пролет 24 м); в) плавательный бассейн (пролет 30 м)

Приведем конструктивное решение волнистого свода пролетом 30 м над плавательным бассейном (рис. 28, в). Волнистый свод собирается из сборных одноволновых армоцементных элементов размерами 161,5 м в виде полуарок (высота сечения волны 0,7 м). Радиус кривизны сборного элемента составляет R=20 м. При сопряжении одноволновых элементов между собой в щелыге образуется свод пролетом 30 м и стрелой подъема 6 м. Сводчатое покрытие (арки покрытия) опираются на железобетонные балки, уложенные по рамам каркаса, которые воспринимают распор и передают его на фундамент (рис. 29).

Рис. 29. Конструктивное решение волнистого свода над плавательным бассейном

в г. Санкт-Петербурге: 1 – отдельные подкладки из бетона; 2 – слой минеральной

пробки; 3 – волнистая асбофанера; 4 – вентканал

Практикой установлены следующие оптимальные параметры волнистых сводов из железобетона и армоцемента:

- длина перекрываемых пролетов 12 – 150 м;

- в зависимости от вида опирания применять своды с затяжкой (при опирании на колонны, стены) и без затяжки (при опирании на фундамент);

- стрелу подъема принимать f = ℓ /2 – ℓ /6 для сводов без затяжки и f = ℓ /6 – ℓ /10 с затяжкой;

- криволинейные элементы принимать шириной b = 1,5 – 3,0 м, высотой h = ℓ(1/40 – 1/60), длиной 6-16 м из армоцемента и до 6 м из железобетона и толщиной 30 – 50 мм из сборного железобетона, 60-100 мм из монолитного железобетона и 30-40 мм из армоцемента.

Волнистые своды принадлежат к одной из распространенных разновидностей конструкций покрытий с применением пластмасс. Перекрываемые ими пролеты достигают 40 м. Основным конструктивным материалом служит полиэфирный стеклопластик. Криволинейные элементы свода толщиной от 2 до 5 мм формуют в виде одно- и многоволновых профилей заданной кривизны шириной 0,75 – 1,5 м, высотой волны до 0,6 м. Из них собирают своды обычно трехшарнирной схемы. Ниже приведен навес над автобусной остановкой (рис. 30).

Рис. 30. Пример покрытия стоянки автобусов пластмассовыми навесами

в виде волнистых полусводов