§ 21. Купольные покрытия

Купол, в основании которого круг, имеет поверхность, образованную вращением кривой линии (арки) вокруг центральной вертикальной оси. В зависимости от образующей кривой купола могут иметь сферическую фор­му, параболическую, стрельчатую и эллиптическую. Купола относятся к оболочкам положительной кривизны. Усилия в них распре­деляются равномерно и материал использует­ся наиболее эффективно. Выпуклая форма купольных покрытий обеспечивает возмож­ность применения простой системы отвода атмосферных вод. Эти качества куполов по­служили причиной их широкого применения для большепролетных покрытий обществен­ных зданий.

Вместе с тем купольные покры­тия увеличивают строительный объем поме­щений, особенно при большой стреле подъе­ма. Купола неблагоприятны в акустическое отношении, так как форма покрытия способ­ствует фокусированию звуковой энергии.

Современные купольные покрытия осуществляются из железобетона, армоцемен­та металла и дерева и могут быть решены в сплошных или стержневых конструкциях. Распор от купола, как правило, восприни­мается нижним опорным кольцом, работаю­щим на растяжение, выполняемым из желе­зобетона или металла, или с по­мощью наклонных стоек (контрфорсов), передающих распор непосредственно на фундаменты. В верхней части куполов может устраиваться отверстие для световых и аэрационных фонарей. Это отверстие обрамляется верхним опорным кольцом, испытывающим сжимающие усилия.

Современные купола по своим конструк­тивным формам могут быть подразделены на:

• гладкие,

• ребристые,

• реб­ристо-кольцевые,

• сетчатые,

• геодезические,

• волнистые,

• складчатые.

Гладкие купола имеют гладкие внутреннюю и внешнюю поверхности и осуществляются, как правило, из железо­бетонных монолитных конструкций. В ниж­ней части железобетонных куполов оболочка утолщается и соединяется с опорным кольцом.

Ребристые купола образуются при помощи полу арок прямоугольного сечения или сегментных ферм (ребер), по которым укладывается ограждающая конструкция. Ребра опираются, на нижнее растянутое и верхнее сжатое опорное кольцо, на котором может быть размещен световой или аэрационный фонарь. Между ребрами устанавливаются прогоны и связевые элементы, обеспечивающие пространственную жесткость ребристого купола.

Лукаев Д.Л. - главный архитектор

Каркас подземного комплекса на Манежной площади представляет собой сочетание стальных конструкций и монолитного железобетона.

С целью снижения расхода стали и максимального веса монтажных элементов, стальные балки пролетом 15 м запроектированы с минимальным конструктивным сечением верхнего пояса и стенки. Нижний растянутый пояс стальной балки рассчитан на полное усилие. В работе верхнего пояса и стенки принимает участие монолитный железобетон.

Стальной каркас представляет собой шарнирную систему, а общую устойчивость сооружения обеспечивает монолитный железобетон. Все это позволило сократить расход стали примерно в 2,5 раза.

Ребристо-кольцевые купола, помимо меридиональных ребер, имеют соединенные с ними горизонтальные кольца, 'придающие конструкции пространственную жесткость и воспринимающие усилия распора. Ребра и кольца образуют пространственный каркас купола, в связи с чем ограждающая конструкция может быть очень легкой и работать совместно с каркасом, если конструкции куполов из железобетона и дерева, или быть только ограждением, что характерно для металлических ребристо-кольцевых куполов. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах возможно применение светопрозрачных ограждений между ребрами и кольцами в виде остекления, стекложелезобетонных конструкций и т. п.

Конструктивное решение купола представляет собой радиально-кольцевую систему, состоящую из 26-ти вертикальных ферм и системы 7-ми горизонтально-кольцевых ферм. Горизонтальные фермы, расположенные с шагом 2,3м по высоте служат мостками для обслуживания конструкций купола и определяют вторую функцию оболочки - лесов, обеспечивающих доступ ко всем зонам шатра.

Наружные пояса вертикальных ферм обеспечивают расположение стальной обрешетки в строгом соответствии с геометрией купола.

Общая устойчивость обеспечивается системой вертикальных и горизонтальных связей.

Несущие конструкции купола опираются на два железобетонных пояса в кирпичной кладке. Внутренний сферический купол диаметром 25 метров состоит из двух концентрических оболочек: наружной - несущей и внутренней, подвешенной к ней. Наружная представляет собой железобетонную оболочку, возведенную с применением жесткой арматуры и торкретобетона. Внутренняя служит для закрепления декоративного слоя с росписью.

Денисов А.Н. – главный архитектор

Сетчатые купола представляют собой системы стержней с узловыми соединениями, вписанными в сферическую поверхность. Для уменьшения деформативности стержневая сетка должна максимально соответствовать форме криволинейной поверхности купола, что достигается изменением типоразмеров элементов сетки, начиная от опорного кольца до вершины купола. Стержни могут быть прямолинейными или изогнутыми в соответствии с очертанием купола. В качестве стержней используются стальные и алюминиевые трубы. Сетчатая конструкция обеспечивает единство пространственной работы системы, позволяет снизить вес покрытия, эффективно попользовать светопрозрачные ограждения и создавать архитектурные решения, обладающие высокими эстетическими качествами.

Схема сетчатого купола

Ребристые купола образуются при помощи полуарок прямоугольного сечения или сегментных ферм (ребер), по которым укладывается ограждающая конструкция. Ребра опираются на нижнее растянутое и верхнее сжатое опорное кольцо, на котором может быть размещен световой или аэрационный фонарь. Между ребрами устанавливаются прогоны и овязевые элементы, обеспечивающие пространственную жесткость ребристого купола.

Ребристо-кольцевые купола, помимо меридиональных ребер, имеют соединенные с ними горизонтальные кольца, придающие конструкции пространственную жесткость и воспринимающие усилия распора. Ребра и кольца образуют пространственный каркас ку­пола, в связи с чем ограждающая конструкция может быть очень легкой и работать совме­стно с каркасом, если конструкции куполов из железобетона и дерева, или быть только ог­раждением, что характерно для металлических ребристо-кольцевых куполов. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах возможно применение светопрозрачных ограждений между ребрами и кольцами в виде остекления, стекложелезобетонных конструкций и т.п.

Сборный ребристо-кольцевой купол зда­ния цирка в Киеве имеет пролет 42,8 м, стрелу подъема 7,72 м, разрезку сфе­рической поверхности 32 меридиональными линиями и пятью кольцами на 160 панелей. Ребристые панели трапециевидной формы, толщиной 40 мм имеют контурные ребра 100Х240 мм и промежуточные 60Х240 мм. Соединение панелей осуществля­ется с помощью сварки закладных элементов и замоноличиванием швов. Купол Малой олимпийской арены в Риме сборномонолитный, диаметр 58,5 м, опирается на 36 наклонных образных опор, передающих давление купола на фундаменты. Купол смонтирован из l200 тонких сборных армоцементных элементов треугольной и ромбиче­ской формы, образующих ребристую опалуб­ку для укладки арматуры и бетонирования ребер и плиты ограждения. Выпуски армату­ры армоцементных сборных элементов скреп­лены сваркой с арматурой железобетона. На внутренней поверхности купола ребристые элементы образуют рисунок сферической сетки.

Геодезический купол представляет собой многогранник, по форме близкий к сферической поверхности, грани которого треугольные, ромбические или многоугольные элементы. Построение геодезических куполов осуществляется методом проекции вершин многогранника (например, икосаэдра и др.) на сферу или последовательным членением поверхности сферы геодезическими линиями на правильные сферические треугольники. В отличие от сетчатых куполов все элементы геодезических куполов однотипные. Каждый элемент может быть плоским или изогнутым (пространственным) и совмещать в себе несущие и ограждающие функции или же представлять собой пространственный стержневой каркас. Каждый элемент с помощью специальных устройств скреплен в углах со смежными элементами. Элементы сборного купола и ограждения выполняются из алюминиевых или других легких конструкций. Благодаря легкости, транспортабельности, простоте монтажа (без лесов) такие конструкции получили большое распространение в практике строительства выставочных павильонов и других большепролетных сооружений.

Волнистые и складчатые купола имеют поверхность, состоящую из оболочек двоякой кривизны или складок, сходящихся к полюсу купола. Размер волны или складки принимается в зависимости от диаметра купола и архитектурного решения. Придание поверхности купола складчатого или волнистого очертания увеличивает его поверхность, усложняет устройство утепления и кровли, а также выполнение опалубки или изготовления сборных элементов. Пространственная жесткость таких покрытий обеспечивается ребрами, образующимися по линиям пересечений оболочек от опор до полюса купола.