5.4. Арочные и сводчатые конструктивные системы

О сновным элементом арочной конструктивной системы является арка – криволинейный брус, очерченный по окружности или параболе. Арка передаёт на опоры не только вертикальные, но и горизонтальные силы – распор. Распорные усилия в арочных системах воспринимают фундаменты или специальные устройства, называемые затяжками. Затяжки соединяют арочные опоры и обычно располагаются под уровнем пола. Материал арок работает преимущественно на сжатие и их изготавливают из железобетона, металла или дерева (рис. 5.11). Арками можно перекрывать пролёты 100 м и более.

Рис. 5.11. Арочная конструктивная система: 1 – арка; 2 – затяжка; 3 – фундамент; L – пролёт

Свод (рис. 5.12) отличается от арки большой шириной и вследствие этого является пространственной конструкцией, имеющей кривизну в одном направлении. Распорные усилия сводчатых конструкций воспринимают фундаменты, усиленные стены или опорные элементы сводов, в том числе с затяжками. В зависимости от конструктивного исполнения и формы своды бывают: а) гладкие цилиндрические, опирающиеся своими нижними краями на фундаменты или стены; б) цилиндрические ребристые, имеющие поперечные и продольные ребра с криволинейными плитами между ними; в) сомкнутые, образованные пересекающимися между собой цилиндрическими поверхностями, в том числе многогранный купол и зеркальный свод, включающий горизонтальную вставку; г) цилиндрические с распалубками; д) крестовые своды, образованные пересечением двух цилиндрических сводов и опирающиеся на четыре отдельно стоящие опоры.

С воды изготавливают из железобетона, бетона, камня (кирпича). Они позволяют перекрывать пролёты до 100 м и более.

Рис. 5.12. Основные формы сводов: а – гладкий свод и его опорные реакции; б – ребри-стый свод; в, г, д – сомкнутые своды; е – зеркальный свод; ж – цилиндрический свод с распалубками; и – крестовый свод

5.5. Конструктивные системы в виде оболочек и куполов

Оболочки – это тонкостенные пространственные конструкции криволинейной формы, опирающиеся на торцевые и промежуточные диафрагмы. Оболочки бывают одинарной и двоякой кривизны. Простейшей оболочкой одинарной кривизны является цилиндрическая, которая опирается на торцевые диафрагмы, воспринимающие также и распорные усилия. Цилиндрические оболочки бывают одноволновыми и многоволновыми (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Цилиндрические оболочки: а – одноволновая; б – многоволновая; 1 – оболочка; 2 – диафрагма жёсткости (бортовой элемент); 3 – ребро жёсткости; L – длина оболочки; l – ширина оболочки

Если длина цилиндрической оболочки больше ширины, то её называют длинной, а если наоборот – короткой. Оболочки двоякой кривизны имеют кривизну в двух направлениях. К таким оболочкам относятся пологие парусные оболочки, бочарный и лотковый своды, оболочки в форме гиперболического параболоида (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Оболочки двоякой кривизны: а – пологая парусная оболочка; б – бочарный свод-оболочка; в – лотковый свод-оболочка; г – поверхность в форме гиперболического параболоида (гипара); д – покрытие из четырёх оболочек в форме гиперболического параболоида

Кривизна оболочки определяется по формуле:

К = 1/R₁  R₂,

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны. Если радиусы кривизны оболочки направлены в одном направлении, то такая оболочка имеет положительную кривизну, а если в разные стороны – то отрицательную (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Поверхности положительной (а) и отрицательной (б) кривизны

Купольные оболочки (купола) образуются вращением половины арки вокруг вертикальной оси. Поверхность купола имеет кривизну в двух направлениях. Распорные усилия купольных оболочек воспринимают опорные кольца, которыми купола опираются на вертикальные опоры, как безраспорная конструкция. Стенки куполов могут быть гладкими, ребристыми или сетчатыми (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Купольные оболочки: а – гладкий купол; б – ребристый купол; в – сетчатый купол; г – многоволновой купол; д – звёздный купол из треугольных плит и стержней; 1 – оболочка; 2 – опорное кольцо; 3 – стержни сетчатого или звёздного купола; 4 – треугольные плиты звёздного купола

Если у купольной оболочки части поверхностей отрезаны вертикальными плоскостями, совпадающими со сторонами квадрата, вписанного в круг основания оболочки, то такую оболочку называют парусной или парусным сводом. Распорные усилия в парусных сводах-оболочках воспринимаются армированными торцевыми арками и затяжками, связывающими их опоры (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Парусный свод-оболочка.

Оболочки устраивают, как правило, из железобетона, при этом они могут быть монолитными, сборными, а сетчатые купола собирают из металла. Оболочками и куполами можно перекрывать пролёты 100 и более метров.