21.Особенности расчета и конструирования цилиндрических оболочек и складок.

Покрытия с применением цилиндрич. оболочек образуются из тонких плит, изогну­тых по цилиндрич. поверхности, бортовых Эл-тов и торцовых диафрагм. Покрытие поддержи­вается по углам колоннами.

Основные параметры оболочки: l₁ — пролет (расстояние между осями диафрагм); l₂—длина волны (расстояние между бортовыми элементами); f— стрела подъема.

Очертание плиты оболочки в поперечном сечении мо­жет быть круговым, эллиптическим, параболическим и т. п.; благодаря простоте изготовления чаще применя­ют круговое очертание. Оболочки бывают однопролетными, если вдоль прямолинейной образующей оболочка опирается на две диафрагмы, и многопролетными, если оболочка поддерживается более чем двумя диафрагмами; одноволновыми и многоволновыми, состоящими из нескольких одноволновых оболочек; гладкими и усиленными реб­рами.

Напряженно-деформированное состояние оболочки за­висит от соотношения размеров l₁и l₂. При l₁/l₂>l обо­лочки условно называют длинными; при l₁/l₂<1—корот­кими.

Полная высота покрытия без предварительного на­пряжения h₁ включая высоту бортового элемента h₂, со­ставляет обычно не менее (1/15—1/10)l₁;в предваритель­но-напряженных она может быть меньше. В зависимости от длины волны h₁ принимают не менее 1/6 l₂. Толщину плиты монолитных оболочек h принимают (1/200— 1/300) l₂, но не менее 5 см; толщину плиты сборных реб­ристых оболочек — не менее 3 см.

Длинная цилиндрич. оболочка под действием на­грузки от собств. веса и снега деформир-ся подобно балке пролетом l₁с фи­гурным поперечным сечением высотой h₁ включая бор­товые элементы, шириной, равной длине волны l₂; в нижних частях попереч. сеч. оболочки возникает растяж., в верхней — сж.

Бортовые элементы предназначены для повышения прочностных и жесткостных характеристик поперечного сечения покрытия, размещения основной рабочей растя­нутой арматуры конструкции, а также для укрепления прямолинейных краев цилиндрических оболочек при дей­ствии местных нагрузок. Форма и размеры бортовых эле­ментов определяются конструктивным решением покры­тия и его расчетом.

Монолитные оболочки обычно делают гладкими. При наличии подвесных сосредоточенных грузов оболочку снабжают промежуточными поперечными ребрами. Сборные оболочки, как правило, устраивают с продоль­ными и поперечными ребрами для усиления сборных эле­ментов на период изготовления, перевозки и монтажа. Проемы окаймляют продольными ребрами при боль­шой длине раскрепляют распорками.

На стадии определения конструктивного решения приме­няют упрощенные способы расчета. При определенных условиях: покрытие в целом оперто по углам, нагрузка равномерно распределенная, отношение размеров в пла­не l₁/l₂>3, покрытия можно приближенно рассчитывать на прочность, жест­кость и трещиностойкость как балки корытообразного профиля. Прочность рассчитывают по стадии предельного равновесия при расчетных нагруз­ках, жесткость и трещиностойкость — при нормативных нагрузках. Односторонняя равномерно распределенная снеговая нагрузка, не превышающая 1/4 полной симмет­ричной нагрузки, может быть заменена в расчете сим­метричной нагрузкой той же интенсивности. Легкую подвижную нагрузку от тельферов грузоподъемностью до 1 т, подвешенных к бортовым элементам, при расчете можно рассматривать как симметричную, приложенную одно­временно к обоим бортовым элементам. В остальных случаях длинные оболочки рассчитывают как упругие пространственно деформируемые сис­темы.

По результатам статического расчета подбирают се­чение арматуры оболочки. Из полученного количества As в покрытиях с верти­кальными бортовыми элементами, расположенными ни­же оболочки, примерно 80 % арматуры размещают в пределах бортового элемента, из них 60 % концентриру­ют внизу.

В растянутой зоне оболочки, там, где растягивающие напряжения меньше R_bt, содержание продольной арма­туры должно быть не менее 0,2 % площади сечения бе­тона.

2. Короткие оболочки. Цилиндрические оболочки называют короткими, если отношение их размеров в плане l₁/l₂<l (рис. XIV.16). Опытом установлены практические рекомендации по конструированию монолитных коротких оболочек при l₂=12...30м, l₁ = 6...12м и f (1/7)l₂. Толщину плиты при­нимают по производственным условиям, без расчета, рав­ной 5—6 см при l₁=6 м и 7- 8см при l₁ =9...12м.

Сборное покрытие с применением коротких цилиндри­ческих оболочек образуется из диафрагм, кровельных ребристых панелей П-образного поперечного сечения и бортовых элементов (рис. XIV.19, а). Швы между сбор­ными панелями должны быть заполнены бетоном и пе­рекрыты анкерными связями. Швы между панелями и диафрагмами конструируют шпоночной формы.

К достоинствам сборной конструкции относится прос­тота изготовления элементов и монтажа покрытия, а так­же высокая общая жесткость системы. Однако узел со­пряжения кровельных плит с фермами сложен.

Другое конструктивное решение с использованием коротких цилиндрических оболочек реализуется в покрытии из плит типа КЖС шириной 3 м, перекрывающих проле­ты 12—24 м (рис. XIV.19, б). Плиты КЖС представляют собой пологую тонкостенную цилиндрическую оболочку с кривизной в продольном направлении, подкрепленную двумя продольными ребрами — диафрагмами перемен­ного сечения — и усиленную на поперечных сторонах контура. Основную предварительно напрягаемую рабо­чую арматуру размещают в ребрах. Плиты КЖС нашли широкое применение в строительстве.

3. Призматические складки. Покрытия образуются из плоских плит-граней (монолитно связан­ных по ребрам), бортовых элементов и диафрагм. Складки различают одно- и многопролетные, одно- и многоволновые. При расчете их в направлении l₁исполь­зуют те же упрощения, что и при расчете длинных ци­линдрич. оболочек.

Складчатые покрытия в направлении волны l₂ рабо­тают на изгиб подобно многопролетным балочным пли­там с ломаной осью (ребра считаются опорами). Ширину граней делают до 3—3,5 м. В трех­гранных складках длина волны /2=9...12 м. Пролет складки l₁ обычно берут больше l₂, высоту складки при­нимают 1/7 -1/10l_l. Грани складки армируют вдоль волны в соответствии с эпюрами изгибающих моментов подобно многопролет­ным плитам. В остальном покрытия с призматическими складками конструируют по указаниям для покрытий с длинными цилиндрическими оболочками.

22. Особенности расчета и конструирования пологих оболочек положительной гауссовой кривизны.

Железобетонные прямоугольные в плане покрытия с оболочками положительной гауссовой кривизны по рас­ходу материалов экономичнее цилиндрических оболочек на 25—30 %. Для них допускается еще более редкое раз­мещение опор, благодаря чему создаются исключительно благоприятные условия для эксплуатации многих поме­щений производственного и общественного назначения. Конструкция покрытия состоит из тонкостенной пли­ты, изогнутой в двух направлениях, и диафрагм, распола­гаемых по контуру, связанных с ней монолитно. В целом покрытие опирается по уг­лам на колонны; возможно опирание оболочки и по все­му контуру. Из всего многообразия криволинейных поверхностей для этих оболочек применяли поверхности переноса, эл­липтического параболоида, шара, вращения (как с вер­тикальной, так и горизонтальной осью вращения).

Оболочки двоякой кривизны выполняют преимущест­венно пологими, т. е. с отношением высоты подъема к любому размеру плана не более чем 1:5.

В пологих оболочках указанные поверхности при од­ном и том же основании и одинаковом подъеме близки по очертанию; поэтому в практике проектирования и строительства, когда это целесообразно, их можно вза­имно заменять.

Тонкостенные оболочки покрытии, как отмечалось вы­ше вследствие малой жесткости на изгиб при определе­нии усилий, по крайней мере в процессе поиска конструктивного решения, можно рассчитывать как безмоментные, : т. е. с учетом лишь усилий Nx, Ny, Nxy (рис. XIV.21,6). Изгибающие моменты, возникающие только в зонах мест­ного изгиба, могут быть выявлены отдельно.

В оболочке переноса, если оси координат совпадают с направлениями главных кривизн, кривизна кручения k_xy=0.

Эпюры показывают, что почти по всей оболочке раз­вивается область двухосного сжатия, и лишь в угловых частях возникает сжатие в одном направлении, а растя­жение в другом (рис. XIV.22,в).

Изгибающие моменты в приопорных зонах тонкостенных оболочек хотя и невелики, но должны все же учиты­ваться при проектировании. Диафрагмы воспринимают с оболочки касательные усилия Nxy. На эти усилия и нагрузку от собственного веса рассчитывают конструкции диафрагм.

Армируют оболочки в соответствии с усилиями, воз­никающими в них под действием внешней нагрузки. В углах укладывают наклонную арматуру типа I из расчета восприятия главных растягивающих усилий; в приконтурных зонах ставят арматуру типа II, предназ­наченную для восприятия местных изгибающих момен­тов; по всей оболочке размещают конструктивную арма­туру типа III. Арматуру I целесообразно подвергать предварительному напряжению.

По касательным усилиям Nxy рассчитывают связи оболочки с диафрагмой. Диафрагмы конструируют по типу балок, ферм или арок с затяжками; затяжки арок и нижние пояса ферм делают предварительно напряжен­ными.

В угловых частях оболочки действуют наибольшие сжимающие усилия в диагональном направлении. Здесь по условию прочности толщину оболочки часто увеличи­вают. В области двухосного сжатия, в месте наибольшего сжимающего усилия Nx или Ny устойчивость оболочки можно приближенно оценить по первой формуле (XIV.30).

В отечественной практике сборные покрытия с поло­гими оболочками положительной гауссовой кривизны выполнялись по трем конструктивным схемам. В одной из них (рис. XIV.24, а) оболочку переноса членили на панели с одинаковыми номинальными размерами в пла­не 3X3 м. Панели делали плоскими, усиленными по контуру ребрами, в средней части оболочки — квадратным в периферийной — ромбовидными.

В угловых панелях дг предварительно напрягаемой угловой арматуры предусматривали диагональные ребра с продольными канала­ми. В зонах действия больших касательных усилий швы панелей конструировали шпоночной формы. К недостат­кам такой конструкции относятся сравнительно мелкие размеры сборных элементов, дорогой и трудоемкий мон­таж на сложных кондукторах, большое число швов и сварных соединений.

В другой конструктивной схеме (рис. XIV.24, б) сфе­рическую оболочку членили на цилиндрические панели с номинальными размерами в поверхности оболочки З. Х12 м. Здесь нет недостатков, присущих предыдущей схеме, однако длинные цилиндрические панели сложны при изготовлении и транспортировании, а наклонные плоскости контурных конструкций ограничивают возмож­ности архитектурного решения здания.

В третьей конструктивной схеме (типовые конструк­ции серии 1.466-1 для сетки колонн 18X24 и 18X30 м, см. рис. XIV.24, б) оболочка вращения (с горизонталь­ной осью) подразделена на три пояса: средний, состоя­щий из однотипных цилиндрических ребристых плит, прямоугольных в плане с номинальными размерами 3X6 м, и два крайних пояса — из однотипных цилиндри­ческих плит трапециевидной формы. В схеме оболочки предусмотрены доборные приконтурные элементы в сред­нем и крайних поясах.

В качестве контурных конструкций могут быть при­няты сегментные фермы: безраскосные, подобные типо­вым или с треугольной решеткой. Данная схема может применяться и для по­крытий многоволновых в обоих направлениях в плане.