Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Строительные конструкции для студентов специальности 1-70 01 01 - Производство строительных изделий и конструкций

4) оболочки отрицательной гауссовой кривизны – оболочки, очерченные по линейчатым поверхностям и гиперболического параболоида (гипары) и

др. (рис. 5.33,г);

Рис. 5.33. Примеры членения сборных пространственных покрытий:

а– длинная цилиндрическая оболочка из панелей размером 3 6 м, бортовых элементов и диафрагм, монтируемая из укрупненных

элементов; б – то же, короткая из плоских панелей размером 3 12 м и диафрагм; в – оболочка вращения из трапециевидных криволинейных или плоских панелей; г – шатровая складка из плоских панелей; д – оболочка двоякой кривизны из панелей размером 3 6 м и укрупненных элементов размером 3 18 м; е – волнистый свод из плоских панелей; 1 – панель;

2– бортовой элемент; 3 – форма-диафрагма

5)вспарушенные плиты, ступенчато-вспарушенные и шатровые панели. Пространственное покрытие может быть выполнено монолитным или

же собираться из отдельных криволинейных или плоских элементов (гладких или ребристых). Бортовые элементы 1 (рис. 5.31) выполняют в виде ребристых плит, диафрагмы 2 (рис. 5.31) – в виде цельных или составных железо-

271

бетонных ферм, арок или рам.

Распространенные варианты членения длинных и коротких цилиндрических оболочек вращения (куполов), оболочек переноса на прямоугольном плане, волнистых сводов из плоских криволинейных панелей, шатрового складчатого покрытия и других на отдельные элементы представлены на рис. 5.33.

Конструкция цилиндрических оболочек. Цилиндрические оболочки покрытий (рис. 5.31,а ) состоят из цилиндрической плиты, опирающейся вдоль образующей (по криволинейному краю) на диафрагму. Этим оболочка отличается от свода, опирающегося на направляющей, т.е. по прямолинейному краю на опоры, воспринимающие вертикальные и горизонтальные ре-

(приближенно) как балка корытообразного сечения.

В длинной цилиндрической оболочке при равномерной нагрузке поперечное сечение оболочки деформируется в соответствии с рис. 5.34. Для уменьшения этой деформации устраивают бортовые элементы (рис. 5.35), которые могут влиять на вертикальную или горизонтальную составляющую смещения, или же на полное смещение. Выбор типа бортовых элементов зависит от условия краев оболочек, наличия поперечных ребер и т. д.

Рис. 5.34. Деформация поперечного сечения цилиндрической оболочки

Рис. 5.35. Типы бортовых элементов цилиндрических оболочек: а – монолитных; б – сборных; 1 – опора; 2 – ребро

Диафрагмы оболочек могут представлять собой двутавровую балку переменной высоты с отверстиями для облегчения массы, арку с затяжкой, сегментную ферму, раму с криволинейным ригелем. Они передают нагрузку на

272

поперечные стены или стойки. Принимается, что по линии опирания криволинейного края на диафрагмы изгибающие моменты в оболочке равны нулю (продольные моменты – вследствие шарнирности соединения, поперечные – вследствие абсолютной жесткости диафрагмы). Поперечные силы в этом месте равны нулю вследствие отсутствия моментов; таким образом действуют только усилия безмоментного напряженного состояния, возникающие в срединной поверхности оболочки: продольные поперечные и сдвигающие. Нагрузка может передаваться на диафрагму только усилиями сдвига S (рис. 5.36, 5.37); сумма вертикальных проекций этих усилий равна всей нагрузке, передающейся с оболочки на диафрагму.

Рис. 5.36. Схема передачи усилий на диафрагмы: 1 – диафрагма; 2 – поле оболочки

Рис 5.37. Напряженное состояние элемента оболочки:

а – продольные и сдвигающие силы; б – изгибающие и крутящие моменты, поперечные силы

Таким образом, арочная диафрагма нагружена сдвигающими усилиями по криволинейному поясу и усилия в нем будут отличаться от усилий в обычной арке, загруженной вертикальной нагрузкой.

Для покрытия зданий значительных площадей применяют многоволновые (рис. 5.31,в) или многопролетные (рис. 5.31,б ) цилиндрические оболочки. При этом в монолитных оболочках можно многократно использовать опалубку, а в сборно-монолитных – снизить количество типоразмеров элементов и увеличить оборачиваемость форм для их изготовления. Крайние и средние волны многоволновых оболочек работают неодинаково. Средняя волна зажата соседними волнами, т.е. в ней при равномерной нагрузке отсутствуют горизонтальные смещения (см. рис. 5.34) и повороты нижнего края оболочки. В крайней же оболочке, где бортовой элемент при значительной его длине обладает сравнительно небольшой горизонтальной жесткостью и сопротивлением кручению, деформации в поперечном направлении могут существенно отражаться на напряженном состоянии конструкции.

Короткие цилиндрические оболочки обычно выполняются многопро-

273

летными и состоят из системы диафрагм, связанных по верхнему криволинейному поясу тонкой плитой (см. рис. 5.32,б ) . Диафрагмы, как и в случае длинных оболочек, выполняются в виде сквозных ферм, арок с затяжками или рам.

Купола. Железобетонные купола (рис. 5.37) являются наиболее рациональным типом покрытия, однако им покрывают лишь круглые в плане здания и сооружения.

Рис. 5.37. Сборные купола:

а – с меридианальном разрезкой; б – с меридианалыно-кольцевой разрезкой; 1 – монолитное опорное кольцо; 2 – световой фонарь; 3 – монолитный пояс; 4 – сборные панели

Поверхность куполов образуют чаще всего вращением вокруг вертикальной оси дуги окружности. Образующийся при этом купол называется сферическим. При вращении дуги эллипса получается эллиптический купол, при вращении прямой – конический и др. Отношение стрелы подъема купола к диаметру принимают равным не менее 0,2, толщину стенки монолитных куполов принимают 1/600l, но не менее 50 мм. Армирование купола в меридиональном направлении устанавливают из расчета сечений на внецентренное сжатие (совместное воздействие меридионального продольного усилия и меридионального момента). Кольцевую арматуру подбирают по величине кольцевого усилия. Стенку купола армируют обычно сеткой, в которой стержни одного направления воспринимают меридиональные усилия, а стержни другого — кольцевые. Около примыкания купола к опорному кольцу для восприятия опорных изгибающих моментов ставят дополнительную арматуру.

Опорное кольцо рассчитывают на растяжение (все усилие передается на кольцевую арматуру опорного кольца). Эту арматуру целесообразно подвергать предварительному напряжению, что позволит благодаря применению высокопрочной стали сократить ее расход, повысить трещиностойкость опорного кольца и уменьшить распор купола. Напрягаемая арматура располагается в каналах или наматывается на боковую грань опорного кольца с последующим нанесением защитного слоя бетона торкретированием. Сборные купола монтируют из криволинейных меридиональных ребристых элементов (рис. 5.37,а ) или ребристых трапециевидных плит (рис. 5.37,б ) .

Пологие оболочки двоякой кривизны на прямоугольном плане. К

пологим относятся оболочки, в которых отношение стрелы подъема к меньшему пролету f l1 15. Такие оболочки положительной гауссовой кривизны

(см. рис. 5.32,б ) по расходу материалов на 25…30% экономичнее цилиндрических.

274

Оболочки двоякой кривизны на прямоугольном плане обычно состоят из гладкой или ребристой плиты, опирающейся на жесткий контур из четырех ферм (арок). Поверхность оболочки возникает в результате параллельного перемещения (переноса) дуги окружности (образующей) по двум дугам того же радиуса (направляющим), поэтому такие оболочки иногда называют оболочками переноса. Конструкция работает главным образом на сжатие, но в угловых зонах возникают растягивающие усилия, воспринимаемые напрягаемой арматурой. Контурные диафрагмы воспринимают касательные напряжения, достигающие максимальных значений на опорах. Форма оболочки дает возможность разбить ее на отдельные четырехугольные элементы.

В качестве типового решения для промышленных и гражданских зданий приняты наиболее экономичные оболочки положительной гауссовой кривизны, собираемые из ребристых плит 36 м с цилиндрической поверхностью малой кривизны и обычным армированием (рис. 5.38). В качестве контурных элементов – диафрагм применяют предварительно напряженные сегментные фермы.

Рис. 5.38. Оболочки положительной гауссовой кривизны из плит размером 3 6 м

Оболочки монтируют без устройства временных опор. Для этого на земле из плит собирают укрупненные монтажные блоки в виде свода шириной 3 м с временными затяжками, которые поднимают и устанавливают на ранее смонтированные фермы-диафрагмы. Временные затяжки удаляют после приобретения бетоном требуемой прочности.

Большепролетные железобетонные конструкции. Большепролетными называют конструкции покрытий зданий с пролетами свыше 40 м. Они встречаются при устройстве ангаров, крытых стадионов, выставочных павильонов, цехов авиазаводов и др. Большепролетные конструкции из железобетона по сравнению с металлическими имеют такие существенные преимущества, как повышенная огнестойкость, долговечность, экономия стали, меньшая стоимость и незначительные эксплуатационные расходы. Ниже дано описание отдельных примеров большепролетных конструкций покрытий в

275

СССР и в некоторых зарубежных странах.

Оболочки двоякой кривизны на прямоугольном и круглом плане, описанные выше, успешно используются в большепролетных покрытиях. Примером подобной оболочки может служить конструкция покрытия торгового центра в г. Минске размером 103103 м (Комаровский рынок). Она выполнена в виде пологой оболочки положительной гауссовой кривизны, опертой по контуру здания на железобетонные колонны, расположенные через 6 м. Выпуклый многогранник оболочки вписан в поверхность переноса, образующими и направляющими которой являются дуги окружности радиусом 132,6 м. Подъем оболочки в центре составляет 20,4 м, подъем контурной дуги – 10,2 м. Оболочки собраны из сборных преднапряженных элементов – плит и балок. Плиты номинальным размером 12 м снабжены продольными и поперечными ребрами. Верхняя поверхность плит цилиндрическая с образующей по короткой стороне. Преобладающая часть плит имеет прямоугольную форму. Для участков, примыкающих к угловым зонам, предусмотрены доборные плиты трапециевидной и треугольной форм. Стержневая арматура продольных ребер плит подвергалась натяжению до бетонирования, с упором на опалубочные формы. Толщина полок плит колеблется в пределах от 50 до 100 мм в зависимости от положения плиты в оболочке. Угловые зоны, непосредственно примыкающие к вершинам углов оболочки, выполняют в виде монолитных плит толщиной 200…350 мм.

Покрытия висячего типа. К ним относятся покрытия, образуемые системой вантов, опорным контуром и сборной железобетонной оболочкой. Различают плоскостную систему вантов, когда они располагаются в радиальном направлении или параллельно друг другу, и пространственную систему вантов, работающих в двух направлениях. В последнем случае ванты в обоих направлениях могут быть несущими (выпуклостью вниз) или же в одном направлении напрягающими (выпуклостью вверх), а в другом — несущими (выпуклостью вниз). Форма поверхности висячего покрытия зависит от характера кривой провисания несущих вантов. Опорный контур покрытия служит для восприятия распора вантов, а также для передачи на опоры вертикальных нагрузок. Элементы оболочки покрытия при монтаже укладывают на ванты, заранее закрепленные в опорных устройствах. Предварительное напряжение вантов производится с помощью монтажной нагрузки (пригрузки) или домкратов.

На рис. 5.39 показано висячее покрытие ангара. При его проектировании возникла необходимость решения несущей конструкции покрытия пролетом 130 м при довольно небольшой строительной высоте – около 10 м, что было обусловлено требуемой высотой ворот 21 м и максимальной отметкой здания ангара 34 м. Покрытие выполнено из преднапряженных железобетонных поясов шириной 7500 мм и толщиной 86 мм из легкого бетона, между которыми установлены фонари верхнего освещения. Упорами для поясов служат крайние железобетонные упорные рамы и промежуточная опора. Пояса армированы стальными стержнями диаметром 26,5 мм. Каждый пояс объеди-

276

нен с затяжкой, основное назначение которой – свести к минимуму поперечные деформации поясов при перемещении подвешенных к ним кранов. Концевые рамные упоры, снабженные противовесами, бетонировались в передвижной опалубке и армировались стержневой арматурой. Средняя преднапряженная подстропильная балка коробчатого сечения 10,57,6 м и длиной 102,5 м установлена на преднапряженных колоннах высотой 24 м. Балку бетонировали отдельными блоками на уровне земли, оттягивали стержневой арматурой, а затем специальными устройствами устанавливали на колонны.

Рис. 5.39. Поперечный разрез висячего покрытия ангара: 1 – опорные рамы; 2 – пояс; 3 – затяжка

Конструкция покрытий зданий структурного типа. В практике стро-

ительства начали применять покрытия в виде так называемых структур, являющиеся разновидностью пространственных конструкций. Подобное покрытие (рис. 5.40,а) собирается из однотипных железобетонных рамных элементов заводского изготовления (рис. 5.40,б,в). Рамные элементы соединяются друг с другом в уровне верхнего пояса путем сварки закладных деталей, а в уровне нижнего пояса – с помощью болтовых соединений, образуя в плане перекрестную систему. В качестве основных приняты сетки перекрестных ферм 3 3 и 6 6 м.

Сборные элементы выполнены в виде замкнутой рамы с диагональю. Нижний пояс и стойки рамы – преднапряженные. Верхний пояс и раскос армируются ненапрягаемой арматурой. Рамные элементы выполняются из высокопрочного бетона, что позволяет снизить материалоемкость сборных элементов. Укладка напрягаемой арматуры производится методом непрерывного армирования с помощью специальной арматурно-намоточной машины, что позволяет автоматизировать трудоемкий и сложный процесс натяжения арматуры.

277

Условием безмоментной работы оболочек являются свобода горизонтальных и угловых перемещений краев оболочек (условия опирания), положительность гауссовой кривизны по всей поверхности, отсутствие изломов поверхности и отверстий, резкого изменения толщины, сосредоточенных нагрузок, скачкообразного изменения сплошной нагрузки и др. Отметим, что даже при нарушении условий безмоментной работы оболочки в каком-либо месте появление второй группы усилий ограничивается весьма малым участком. Наиболее частой причиной нарушения безмоментного состояния оболочек являются условия опирания, однако и при этом 70…80% поля оболочек двоякой кривизны испытывает практически лишь сжимающие усилия, чем и объясняется эффективность оболочек.

В куполах при безмоментной работе купола, обеспечиваемой соблюдением условий, указанных выше (и осесимметричной нагрузке), на элемент купола действуют только продольные силы – меридиональные N 1 и кольцевые N 2 . Эти усилия можно определить из условия равновесия элемента купола. Как правило, условия безмоментной работы железобетонных куполов нарушаются из-за необходимости устройства мощного опорного кольца и нередко фонарного кольца, окаймляющего отверстие вверху купола для устройства фонаря. В этих случаях расчет купола сводится к суммированию усилий безмоментного состояния с усилиями, определяемыми по моментной теории. В результате к измененным значениям усилий N 1 и N 2 добавляются изгибающие моменты M, а также другие усилия, не влияющие на армирование купола.

Материал оболочки (купола) принимают упругим, однородным и изотропным. Применительно к железобетонным оболочкам (куполам) эти условия выполняются, но только для предварительно напряженных оболочек в стадии эксплуатации. В оболочках (куполах) из обычного бетона в этой стадии уже могут появиться трещины, которые повлекут некоторое перераспределение усилий по сравнению с упругой стадией. При определении несущей способности оболочки или купола в предельном состоянии необходимо учитывать неупругие деформации. Для уточнения несущей способности в стадии разрушения можно применить расчет по методу предельного равновесия, подобный тому, который применяется для плит, опертых по контуру.

В практике проектирования расчет по предельному равновесию выполняют только для данных цилиндрических оболочек и куполов. Остальные типы оболочек рассчитывают по упругой стадии работы; найденное таким путем распределение усилий переносится (при расчете прочности) на стадию разрушения. Такой расчет идет в большинстве случаев в запас прочности конструкции.

279

Перечень контрольных вопросов по разделу 5

1.Конструктивные схемы одноэтажных производственных зданий. Классификация по конструктивным признакам. Продольные и поперечные рамы здания.

2.Компоновка конструктивной схемы одноэтажных промышленных зданий (выбор сетки колонн и внутренних габаритов здания, компоновка покрытия, разбивка здания на температурные блоки).

3.Обеспечение пространственной жесткости каркаса одноэтажного промышленного здания (в поперечном и продольном направлении, отдельных элементов каркаса). Вертикальные и горизонтальные связи, их роль и устройство. Устройство температурно-деформационных швов.

4.Виды нагрузок на поперечную раму цеха (постоянные, снеговые, ветровые, крановые).

5.Колонны. Типы поперечных сечений колонн: сплошные, двухветвевые, квадратные, прямоугольные, круглые.

6.Расчет колонн сплошного сечения. Конструктивные требования по проектированию колонн одноэтажных зданий. Типы армирования.

7.Особенности расчета и конструирования двухветвевых колонн.

8.Расчет и проектирование железобетонных консолей колонн.

9.Компоновка покрытия. Основные конструкции.

10.Железобетонные стропильные балки. Виды и конструкция.

11.Расчет балок покрытия таврового и двутаврового сечений со сплошной стенкой. Конструирование балок.

12.Расчет решетчатых балок покрытия. Конструирование балок.

13.Типы железобетонных ферм покрытий. Основные габаритные размеры и размеры сечений элементов. Определение усилий в элементах ферм.

14.Раскосные сегментные фермы. Расчет и конструирование элементов.

15.Железобетонные подстропильные конструкции (типы, конструирование, расчет, технико-экономический анализ, учет условий изготовления и монтажа).

16.Подкрановые железобетонные балки. Габаритные размеры. Определение расчетных усилий Основные положения расчета и конструирования.

17.Железобетонные плиты покрытий. Типы и размеры. Определение расчетных усилий. Расчет сечений и конструирование.

18.Расчет и конструирование ребристых плит покрытий.

280