Лекция № 11

Тонкостенные покрытия

11.1. Виды оболочек, их разбивка на сборные элементы

От плоскостных конструкций пространственные покрытия или оболочки отличаются в первую очередь тем, что обладают кри­визной по крайней мере в одном направлении. Кривизна той или иной поверхности обычно характеризуется понятием гауссовой кривизны.

Цилиндрические (рис. 11.1, а, б, в, н) и конические поверх­ности являются примерами криволинейных поверхностей с ну­левой гауссовой кривизной. Примерами поверхностей с положи­тельной гауссовой кривизной могут служить купол, эллиптиче­ский параболоид, сфера (рис.11.1, г, д, м).

Примерами поверхностей с отрицательной гауссовой кривиз­ной могут служить гиперболический параболоид, гиперболоид вра­щения и др. (рис.11.1, е, ж, л).

Рис.11.1. Формы оболочек (примеры)

а – длинные цилиндрические оболочки; б – длинные шедовые оболочки; в– короткие цилиндрические обо­лочки; г – купол; д – оболочки двоякой положительной кривизны; е, ж – оболочки двоякой отрицательной кри­визны (гипоры); и – коноиды; к – многоволновый свод; л, м – висячие покрытия с круглым планом; н – висячее покрытие с прямоугольным планом

Основной принцип при выборе типа покрытия – это сочетание технической и экономической целесообразности. Общественные здания — театры, кино, концертные, спортив­ные, выставочные залы, рынки и другие – должны отвечать эсте­тическим требованиям и связанному с ними общему архитектурному замыслу и обладать архитектурной выразительностью. Решение покрытия такого здания в виде оболочки обогащает архитектурный облик сооружения и в то же время позволяет выбрать для егопокрытия легкую, экономичную конструкцию.

Рекомендации по выбору типа пространственного покрытия для зданий общественного характера могут быть даны толькопосле выяснения основных размеров здания – в плане и попереч­ном разрезе, ибо эти здания весьма разнообразны как по своемуназначению, так и по общему архитектурно – компановочному ре­шению. Легче поддаются классификации производственные здания: большинство одноэтажных производственных зданий, несмотря на достаточно разнообразные технологические требования, может быть приведено к нескольким основным типам.

В первую очередь, эти требования, связанные с видом внутри­цехового транспорта – наличием или отсутствием мостовых или консольных передвижных кранов, подвесных кранбалок, тельферов и конвейеров, крепящихся к покрытию; с необходимостью про­пуска в пределах кровли трубопроводов, воздуховодов и прочихкоммуникаций (зачастую с весьма крупными габаритами) в одном или двух направлениях; с условиями температурно-влажностного режима здания, иногда требующего кондиционирования воздуха в цехе; с устройством световых и аэрационных фонарей или шахт на покрытии; с возведением бесфонарного здания; с созданием технического этажа, устраиваемого обычно в пределах высотыпокрытия.

Как правило, современные производственные здания должны обладать достаточно крупной сеткой колонн, рассчитанной на размещение в ней раз­личных производств и на возможность совершенствования или изменения технологического процесса в дальнейшем, т.е. на «гиб­кую» технологию.

Одноэтажные производственные здания могут быть разделенына два основных типа:

- здания с пролетами 18 – 36 м и более при наиболее часто встречающемся шаге колонн 12 м; здания эти могут быть фонарными или бесфонарными, оборудованы мостовыми или подвесными кранами, тельферами, конвейерами и подвесными потолками;

- здания без мостовых кранов – с легким подвесным транспор­том, где технологические линии могут располагаться в любом направлении; здесь целесообразна крупная сетка колонн, близ­кая к квадратной, например 24 ×24 или 36 ×36 м.

Здания первого типа могут быть перекрыты следующими ви­дами оболочек:длинными цилиндрическими;короткими цилиндрическими;оболочками двоякой положительной гауссовой кривизны;оболочками двоякой отрицательной гауссовой кривизны;

многоволновыми сводами.

Следует отметить, что оболочки не равноценны между собой не только по показателям расхода бетона и стали, но и по своимэксплуатационным и монтажным свойствам.

Так, хотя для оболочек отрицательной гауссовой кривизны характерен малый расход материалов, зато они нуждаются в уст­ройстве подмостей для монтажа, в изготовлении новых типоразме­ров криволинейных плит для каждого нового пролета. Это снижает экономические показатели конструкции и их конкурентоспособ­ность по сравнению с другими покрытиями.

Волнистые своды с мелкими волнами плохо работают при под­веске сосредоточенных грузов и тем самым затрудняют устройство путей для подвесных кранов.

Для покрытия «гибких» производственных зданий первого типа целесообразнее всего применять оболочки двоякой положительной кривизны или цилиндрические – длинные и короткие.

Наилучшие показатели, особенно при больших пролетах, имеют оболочки двоякой положительной гауссовой кривизны, что поз­воляет рекомендовать их к применению в первую очередь.

Здания второго типа целесообразно перекрывать оболочками двоякой положительной или отрицательной гауссовой кривизны с квадратным планом.

Большепролетные бескрановые здания могут быть успешно пе­рекрыты висячими конструкциями, особенно эффективными при замкнутом, круглом или эллипсовидном плане. Архитектурная вы­разительность этих конструкций особенно удачно может быть ис­пользована при перекрытии общественных зданий.

Куполами, висячими оболочками перекрывают круглые или эллипсовидные в плане сооружения.

После выбора типа покрытия и его основных размеров необ­ходимо решить вопрос о применении монолитного или сборного железобетона; в случае принятия сборных конструкций встает задача разрезки оболочки на сборные элементы, являющаяся одной из самых важных при проектировании сборных оболочек.

Предельный вес сборного элемента не должен превышать гру­зоподъемности транспортных средств и монтажных механизмов. Обычно длину сборного элемента принимают не более 18 м, ширина (или высота) его при пе­ревозке по железной дороге не должна превышать 3,7 м.

При подъеме, складировании и перевозке элементы конструк­ции работают по статической схеме, весьма отличающейся от эксплуа­тационной, поэтому сборные элементы проверяются по прочности и деформативности в период транспортирования и монтажа.

Конструкцию стыка элементов сборных оболочек вы­бирают в зависимости от характера и интенсивности уси­лий, действующих в стыке.

Стыки во всех случаях необходима заполнять бето­ном. Для обеспечения плотного заполнения шва ширину его следует назначать не менее 30 мм, если толщина (вы­сота) элемента в месте стыка не превышает 100 мм, и не менее 50 мм, если толщина элемента в месте стыка бо­лее 100 мм.

Если через стык сборных элементов оболочки пере­дается сжимающее усилие, приложенное центрально или внецентренно (но с эксцентриситетом в пределах ядра сечения), и небольшие сдвигающие силы, то достаточно ограничиться конструктивным армированием стыка, со­единением выпусков арматуры внахлестку.

Растягивающие и сдвигающие усилия, передаваемые через стык, могут быть восприняты арматурой, предус­матриваемой в швах; выпуски арматуры сборных эле­ментов оболочки в монтажных стыках соединяют свар­кой.

Арматура сборных элементов оболочки может также соединяться с помощью привариваемых к ней закладных деталей, которые на монтаже соединяются между со­бой накладками на сварке. Сечение накладок и длину сварных швов определяют расчетом.

Если через стык передаются значительные сдвигаю­щие силы, то очертание граней соединяемых элементов должно приниматься такой формы, чтобы после замоно-личивания в швах образовывались бетонные шпонки, препятствующие взаимному сдвигу элементов.

Предварительное напряжение контурных конструк­ций в пространственных покрытиях весьма целесообраз­но, поскольку оно не только повышает трещиностойкость растянутых областей, но в ряде случаев являетсяпростым средством объединения сборных элементов вединую систему.

В областях двухосного сжатия оболочки необходима проверка ее устойчивости. Сборные элементы должны быть проверены на прочность от усилий, возникающих в них при изготовлении и перевозке.

Подбор арматуры и конструирование тонкостенных пространственных конструкций производятся в соответ­ствии с нормальными и касательными усилиями, а так­же изгибающими моментами, которые в них действуют. Максимальное значение главных сжимающих напря­жений не должно превышать R_b. В зонах, где арматура по расчету не требуется, ее ставят конструктивно пло­щадью не менее 0,2 % сечения бетона с шагом стержней 20 – 25 см. При толщине плиты более 8 см рекомендует­ся ставить двойные сетки.

В зонах, где главные растягивающие напряжения больше R_bt , усилия должны полностью восприниматься арматурой, поставленной либо в виде стержней, уложен­ных в близком соответствии с траекториями главных растягивающих напряжений, либо в виде сеток из про­дольных и поперечных стержней. Если же главные рас­тягивающие напряжения более 3×R_bt , то оболочку в этих местах рекомендуется утолстить.

Сечение арматуры для восприятия изгибающих мо­ментов в гладких оболочках определяют как в плитах. При этом арматуру устанавливают соответственно эпю­ре моментов в растянутой зоне с минимальным защит­ным слоем бетона.

Примыкания плиты к бортовым элементам и диафраг­мам следует делать плавными и армировать двойными сетками из стержней диаметром 6 –10 мм с шагом неболее 20 см.