Классификация оболочек

1. По характеру кривизны срединной поверхности различают оболочки одиночной и двоякой кривизны.

Поверхность одиночной кривизны изогнута в одном направлении. Касательная плоскость касается поверхности в любой ее точке по прямой линии, проходящей через точку.

Поверхность двоякой кривизны изогнута в двух направлениях.

Синкластическая поверхность изогнута в одинаковом направлении по любому сечению. Примером синкластической поверхности может служить эллиптический параболоид, сферический купол и др.

Антикластическая поверхность изогнута в противоположных направлениях. Касательная плоскость в какой-либо точке рассекает поверхность по двум линиям, пересекающимся в данной точке. Центры кривизны сечений главных направлений расположены по разным сторонам от касательной плоскости. Поверхности гиперболического параболоида, коноида и некоторые другие являются антикластическими поверхностями.

2. В зависимости от способа перемещения образующей линии по направляющей можно указать две группы оболочек — трансляционные оболочки (или, как они также называются, оболочки переноса) и оболочки вращения.

Срединная поверхность трансляционных оболочек получается при перемещении прямолинейной или плоской криволинейной образующей по прямолинейной или плоской криволинейной направляющей, причем плоскость образующей остается параллельной некоторой заданной плоскости.

Срединная поверхность оболочек вращения образуется при вращении прямолинейной или плоской криволинейной образующей вокруг прямолинейной оси, лежащей в плоскости образующей. Сечение поверхности плоскостью, перпендикулярной оси вращения, дает окружность.

3. В зависимости от того, может ли прямая линия быть совмещена с поверхностью, различают поверхности линейчатые и нелинейчатые.

Примерами линейчатых поверхностей могут служить коническая и цилиндрическая поверхности, гиперболический параболоид, коноид, примерами нелинейчатых поверхностей — поверхности вращения с криволинейной образующей, эллиптический параболоид и вообще трансляционные поверхности с криволинейными образующей и направляющей.

4. С точки зрения возможности разогнуть поверхность без разрывов и складок на плоскость различают поверхности разверты­вающиеся и неразвертывающиеся.

Развертывающиеся поверхности, например коническая и цилиндрическая, имеют, как правило, нулевую гауссову кривизну. Развертывающиеся поверхности представляют частный случай линейчатых поверхностей.

В группу неразвертывающихся поверхностей входят все поверхности положительной и отрицательной гауссовой кривизны, как, например, поверхности вращения с криволинейной образующей, коноид и др.

5. В соответствии с относительной величиной стрелы подъема оболочки различают подъемистые или непологие оболочки и пологие.

Критерием для отнесения оболочки к той или иной группе служит величина отношения стрелы подъема оболочки f над перекрываемым планом к меньшему линейному размеру прямоугольного плана a.

Принято называть подъемистыми оболочки, характеризуемые отношением

6. Различают простые и составные оболочки.

Составные оболочки представляют сочетание нескольких простых оболочек в одну конструкцию покрытия.

Рис. 10.2. Сомкнутый из цилиндрических оболочек

Рис. 10.3. Составные покрытия из гипаров

Рис. 10.4. Крестовые своды из гипаров

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 его покрытия легкую, экономичную конструкцию.

Рекомендации по выбору типа пространственного покрытия для зданий общественного характера могут быть даны только после выяснения основных размеров здания – в плане и попереч­ном разрезе, ибо эти здания весьма разнообразны как по своему назначению, 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 прочих коммуникаций (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 высоты покрытия.

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 разделены на 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 своим эксплуатационным 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 является простым средством объединения сборных элементов в единую 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 не более 20 см.