Прослеживая историю развития купольных покрытий можно отметить, что изначально их первостепенной задачей являлось перекрытие больших пространственных частей здания, но со временем они приобрели значение не только большепролетной конструкции перекрытия, но и эстетического украшения городской застройки. Развитие куполов, как и всех строительных конструкций, обусловлено влиянием на архитектуру и, в целом, на культурную жизнь общества научно-технического прогресса. Первые купола применялись в архитектуре общественных зданий, преимущественно в храмовых сооружениях, но благодаря появлению новых и совершенствованию существующих строительных материалов и технологий их возведения купольные конструкции стали использоваться в зданиях другого функционального назначения.
Размеры и конструктивные схемы купольных покрытий совершенствовались в зависимости от применяемого строительного материала. Первыми материалами, используемыми для строительства купольных конструкций, были камень и дерево. Купола из природного камня и кирпича использовались примерно до середины XIX века из-за ограничения по размерам перекрываемых зданий, а деревянные купольные конструкции используются по настоящее время. Дерево достаточно легкий и удобный материал в обработке, но не долговечный. Благодаря научно-техническому прогрессу деревянные купольные конструкции стали возводиться из клееной древесины, которая позволяет перекрывать большие пролеты и является более прочным материалом, чем цельный брус. Бетон и железобетон в купольных покрытиях начали широко использовать примерно с 70-х годов XIX века, тогда как металл для производства купольных конструкций начал использоваться значительно раньше где-то с конца XVIII века. И стоит упомянуть еще один строительный материал, который начал использоваться в производстве купольных конструкций с начала XX века — это пластик, легкий, удобный дешевый материал, но пока не нашел еще широкого применения из-за некоторых отрицательны свойств и используется в достаточно скромных проектах.
В настоящее время купола применяют для покрытия как зрелищных сооружений (цирков, спортивных залов), так и отдельных производственных объектов (литейных дворов доменных печей объемом 3200 м3 и больше, зданий испытательных стендов).
1. Общие сведения
Купольные покрытия используются в основном для зданий и сооружений круглых или овальных в плане (спортивно-зрелищных и выставочных залов, цирков, планетариев и др.).Особенно увеличилось использование куполов в последние годы в связи со значительным увеличением строительства храмов и других культовых сооружений.
Конструкции сельскохозяйственных зданий
... колонн 6 × 6; 6 × 9; 6 × 12 м. Унифицированными конструкциями сельскохозяйственных зданий являются фундаментные башмаки, короткие пирамидальные сваи, сваи-колонны (в которых совмещены функции ... грунтов; 0,01 — для лёсса и мелких песков. Виды остекления сельскохозяйственных зданий и сооружений В сельскохозяйственных зданиях и сооружениях для естественного освещения и вентиляции устраивают окна, ...
Основой купольного покрытия является купол. Купол представляет собой пространственную конструкцию, состоящую из оболочки с вертикальной осью вращения и опорного кольца. При наличии центрального проёма в вершине купола устраивают фонарное кольцо (рис. 1).
В зависимости от очертания образующий купол может быть сферическим, коническим, эллиптическим и др.
Форма очертания поверхности оболочки купола определяется архитектурными, конструктивно-планировочными и другими требованиями, обеспечивающими экономичность конструктивного решения и простоту изготовления.
Оболочка купола может проектироваться монолитной или сборной. Монолитные купола делаются гладкими, а сборные — из ребристых панелей.
По частоте использования, основными, на сегодняшний момент, материалами при строительстве купольных конструкций являются металл, железобетон, иногда дерево.
В большинстве случаев купольные покрытия являются наиболее рациональными и целесообразными завершениями зданий, органично вписываясь в их архитектурно-пространственную структуру. По конструктивным особенностям различают следующие виды куполов: цельный, ребристый, ребристо-кольцевой, ребристо-кольцевой со связями и сетчатый. В настоящее время при проектировании и строительстве зданий с купольными покрытиями наиболее распространены ребристые конструктивные схемы и сетчатые оболочки.
Конструктивная схема купольных покрытий зависит от применяемого строительного материала. Наибольшим разнообразием форм отличаются купола из металла. Они имеют обширную область применения и самые высокие пролеты, удобны и экономичны при монтаже. Железобетонные купола в основном конструируют цельными, в виде тонкостенных оболочек. Диапазон их размеров не намного меньше куполов из металла, однако, из-за сложности монтажа применяются реже. Деревянные купола сложны в изготовлении, достаточно разнообразны по конструкциям, но редко применяются из-за небольших диаметральных размеров.
2.Виды конструкций куполов
Конструкции куполов бывают трех видов: ребристые, ребристо-кольцевые, сетчатые. конструкция купол кольцо сечение
2.1 Ребристые купола
Конструкции ребристых куполов состоят из плоских или пространственных ребер, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами. Верхние пояса ребер образуют поверхность купола, обычно сферическую. Ребра купола могут быть сквозными (в виде легких ферм) или сплошного сечения. Сплошные ребра тяжелее сквозных, но более просты в изготовлении. В вершине купола располагается кольцо, к которому примыкают ребра купола. Кольцо проектируется жестким; оно работает на изгиб с кручением, поскольку пара ребер, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных кольцом, рассматривается как единая арочная конструкция. При шарнирном креплении ребер к кольцу и небольшом его диаметре можно считать, что ребра работают как трехшарнирные арки.
Иногда при частом расположении ребер или по архитектурным соображениям кольцо получается больших размеров. Тогда с целью повышения устойчивости и жесткости кольцо раскрепляют внутренними распорками.
Ребристые купола всегда монтируют с применением временной опоры, которую располагают по оси купола.
Деревянные купола: история и виды
... металлическим в зависимости от вида нижних опорных конструкций (железобетонные фундаменты, металлические или деревянные стойки и др.). Концы ребер анкеруют в опорном кольце, а последнее надежно соединяется с нижележащими конструкциями. Верхнее кольцо изготавливают металлическим или ...
Первым на временной опоре собирают верхнее опорное кольцо, являющееся конструктивным элементом купола. Для возможности выверки его положения по высоте, а в последующем — раскружаливания всего собранного купола, между временной опорой и опорным кольцом устанавливают домкраты. Обслуживание домкратов, сборку опорного кольца и раскружаливание выполняют с рабочей площадки, организуемой на временной опоре. Опорное кольцо должно быть точно выверено не только по высоте, но и в плане, так как его положение во многом определяет геометрию всего купола. Далее монтируют в определенном порядке несущие элементы — ребра купола, которые предварительно укрупняют на всю длину, чтобы исключить необходимость устройства дополнительных промежуточных опор.
Сначала устанавливают по любому диаметру одно ребро против другого, затем — два других в перпендикулярной плоскости. Далее в каждом из четырех образовавшихся секторов последовательно монтируют по одному ребру, равномерно заполняя всю окружность купола. Такая последовательность установки ребер исключает одностороннюю нагрузку на опорное кольцо, что уменьшает деформации временной опоры (отклонение от вертикали) и облегчает выверку и соблюдение заданной геометрической формы купола.
При малой жесткости ребер из плоскости устойчивость одного ребра не обеспечивается. В этом случае ребра либо попарно укрупняют вместе с распорками и связями и, сохраняя общий порядок, монтируют блоками, либо (при недостаточной грузоподъемности крана) устанавливают в проектное положение не по одному, а по два ребра, соединяя их наверху связями в жесткий блок.
До установки постоянных связей устойчивость ребер обеспечивают парными расчалками. Раскружаливание выполняют после проектного закрепления всех конструкций, включая нижнее опорное кольцо, воспринимающее распор, при опирании ребер купола не на землю, а на вышерасположенные конструкции. Примером монтажа ребристого купола может служить здание нового цирка в Москве.
Монтаж конструкций выполнен радиально-поворотным устройством (РПУ) грузоподъемностью 30 т, скомплектованным из элементов козлового фана К-184. Вначале с помощью мачты были смонтированы центральная временная опора высотой 34 м, а на ней — верхнее опорное кольцо купола. Затем на кольцевой рельсовый путь радиусом 51,5 м установили и временно расчалили наружную опору РПУ. Ригель крана, предварительно собранный вместе со шпренгелём на земле, подняли и установили в проектное положение монтажным порталом.
Радиально-поворотным устройством осуществлен монтаж не только несущих конструкций купола, но и ограждающих панелей, изготовленных из легких сплавов. В зависимости от размеров купола (пролета, высоты) для монтажа конструкции могут быть применены гусеничные, башенные или рельсовые краны, располагаемые либо снаружи на двух параллельных или на одном кольцевом пути, либо внутри купола при отсутствии подземных сооружений.
Ребристые купола являются распорной системой. Распор может быть воспринят конструкцией стен или специальным опорным кольцом. Опорное кольцо служит затяжкой ребер и рассчитывается на тангенциальные составляющие их реакции. Опорное кольцо может быть изогнуто по окружности, а также в виде многоугольника с жесткими или шарнирными соединениями в углах. На основание кольцо укладывается свободно и должно быть закреплено только от горизонтального смещения при действии ветровой нагрузки. Между ребрами укладываются кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Кольцевые прогоны обеспечивают общую устойчивость ребер купола из их плоскости, уменьшая расчетную длину ребер. Для обеспечения общей жесткости купола в плоскости кровли между ребрами устанавливают связи.
При расчете на вертикальную, симметричную относительно вертикальной оси купола нагрузку, купол разделяется на отдельные плоские арки, каждая из которых воспринимает нагрузку с приходящейся на нее грузовой площади. Если распор купола воспринимается опорным кольцом, то оно может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары ребер. Площадь сечения условной затяжки принимается такой, чтобы ее упругие деформации были равны упругим деформациям кольца в диаметральном направлении от горизонтальных реакций всех ребер.
При расчете купола на горизонтальную ветровую или несимметричную вертикальную нагрузку купол также разделяется на арки.
Купол разбивается на 4 квадранта: в первом и третьем квадрантах равнодействующая ветрового давления действует в одном направлении и вызывает горизонтальное смещение. Во втором и четвертом квадрантах ветер действует в противоположных направлениях и горизонтальных смещений купола не вызывает.
Наибольшее смещение получает расчетная арка, составленная из ребер, расположенных в плоскости равнодействующей ветрового давления в 1 и 3 квадрантах. Все арки, расположенные в 1 и 3 квадрантах, рассматривают как одну эквивалентную арку, считая ее для упрощения расчетов трехшарнирной.
2.2 Ребристо-кольцевые купола
В ребристо-кольцевых куполах кольцевые прогоны связываются с ребрами в одну жесткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб, но воспринимают растягивающие кольцевые усилия, а при жестких сопряжениях с ребрами — и изгибающие моменты от жесткости узлов.
Сечение купола, находящиеся в плоскостях кольцевых прогонов, не имеют свободных горизонтальных перемещений, поскольку они связаны между собой жесткими кольцами. При ребристо-кольцевой конструкции купола вес ребер уменьшается за счет работы кольцевых прогонов. Наиболее простое конструктивное решение получается при ребрах и кольцевых прогонах из прокатных профилей. В этом случае сопряжение ребер с прогонами можно конструировать по типу жестких сопряжений в балочных системах.
Кольцевые прогоны в ребристо-кольцевом куполе работают так же, как опорное кольцо в ребристом куполе, и могут быть заменены условными затяжками. При симметричной относительно оси купола нагрузке расчет купола можно вести, разделяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых прогонов.
2.3 Сетчатые купола
Если от ребристого и ребристо-кольцевого купола идти дальше по линии увеличения связности системы, то можно получить сетчатые купола.
В сетчатых куполах между ребрами и кольцами располагаются раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола и стержни работают только на осевые силы, что уменьшает вес ребер и колец.
Обычная система сетчатого купола состоит из радиальных ребер, кольцевых прогонов и диагональных связей, поставленных в каждом четырехугольнике, ограниченном двумя ребрами и двумя прогонами, то есть представляет собой многогранник, образованный из ребер и кольцевых прогонов. Многогранники сетчатых куполов могут быть разнообразными. Распространены звездчатые купола, все грани которых являются треугольниками, а также геодезические системы куполов, несущие элементы которых являются ребрами многоугольника, вписанного в сферу. В геодезических куполах достигается наибольшая однотипность стержней и узлов, что дает большие производственные преимущества.
Купол может быть однослойным и двухслойным. В двухслойных геодезических куполах, аналогично структурам, узлы сопряжения стержней размещаются на поверхности двух концентрически расположенных сфер, разность радиусов которых определяет конструктивную высоту поверхности купола. Двухслойная конструкция купола обладает большой жесткостью и несущей способностью и может перекрывать пролеты в несколько сотен метров.
Стержни сетчатых куполов чаще изготавливают из труб. В несущую систему куполов может быть включена ограждающая конструкция из штампованных алюминиевых или стальных листов.
Сетчатые купола рассчитывают по безмоментной теории, как сплошную осесимметричную оболочку.
Сетчатые купола (рис. 38.4) — это многогранники, вписанные чаще всего в сферическую поверхность вращения. Сетка обычно образуется из
Многогранный сетчатый купол: а — фасад и план; б — к определению усилий в стержнях сетчатого купола; в — к расчету на местную устойчивость
3. Нагрузки, действующие на купол
Основными нагрузками, определяющими напряжённое состояние купола, являются собственный вес оболочки купола и снеговая нагрузка. Обе нагрузки принимают действующими симметрично относительно вертикальной оси оболочки (нагрузка осесимметричная).
Ветровая нагрузка при пологих купольных покрытиях решающего значения не имеет и поэтому при расчетах она не учитывается.
Собственный вес оболочки купола при постоянной её толщине рассматривается как равномерная нагрузка, распределённая по поверхности купола, а снеговая нагрузка принимается как равномерно распределённая по горизонтальной проекции купола
4.Определение усилий в оболочке купола
Тонкостенные купола, подобно другим пространственным покрытиям, можно рассчитывать по безмоментной теории. Именно безмоментная теория в данной работе принята как основная при определении усилий в куполе.
Для определения усилий, действующих в куполе, рассмотрим элементарно малый элемент оболочки, ограниченный двумя меридиональными и двумя кольцевыми сечениями (рис. 6).
При действии внешней нагрузки в рассматриваемом элементе возникнут меридиональные, кольцевые и сдвигающие усилия . При внешней осесимметричной нагрузке сдвигающие усилия равны нулю. В этом случае меридиональные и кольцевые усилия могут быть определены из условий статики. Подробный вывод зависимостей для определения меридиональных, кольцевых усилий, а также усилия в опорном кольце приведён в работе [1].
В качестве примера приводятся формулы для определения усилий в сферической замкнутой оболочке купола при загружениях:
- а)нагрузкой от собственного веса;
- б)равномерно распределённой нагрузкой на горизонтальной проекции (снеговая нагрузка).
Таблица 2 Формулы для определения усилий в оболочке по безмоментной теории
|
Схема загружения |
N1 |
N2 |
Nк |
Qц |
Примечание |
|
|
Нагрузка от собственного веса g, Па, толщина оболочки остоянная |
— |
2 |
При N2=0 |
|||
|
Равномерно распределённая нагрузка на горизонтальной проекции p, Па |
— |
— |
При N2=0 |
|||
В табл. 2 приняты обозначения:
- N1 — меридиональное усилие, приходящееся на единицу длины кольцевого сечения;
- N2 — кольцевое усилие, приходящееся на единицу длины меридионального сечения;
- Nк — усилие в опорном кольце;
- Qц — внешняя нагрузка на сегмент, ограниченный углом ц;
- ц — переменный угол в меридиональном сечении оболочки, отсчитываемый от оси вращения;
- ц0 — половина центрального угла дуги оболочки в меридиональном сечении.
5.Устойчивость куполов-оболочек
Расчёт куполов-оболочек на устойчивость заключается в том, что определяются сжимающие напряжения в оболочке от все видов загружения, которые затем сопоставляются с их критическими напряжениями. Для железобетонных оболочек дополнительно учитывается рост деформации купола во времени в виду ползучести бетона.
Ползучесть бетона рекомендуется учитывать, заменяя в формулах, полученных теоретическим путём, модуль упругости бетона Eb модулем деформации Еb,деф. Для тяжёлого бетона величину модуля деформации рекомендуется определять по формуле
Еb, деф=Eb/4
Для гладких сферических оболочек интенсивность полной
расчетной нагрузки не должна превышать величины
q0.2 Еb, деф(t/rc
где t — толщина оболочки.
Данная формула справедлива для оболочки постоянной толщины.
Ребристая оболочка при проверке её на устойчивость может быть заменена для расчёта фиктивной гладкой, имеющей ту же жёсткость сечения на сжатие и тот же радиус инерции. Фиктивная толщина оболочки в этом случае определяется по формуле
а фиктивный модуль упругости — по равенству
Ebфик=Eb
где в — расстояние между осями соседних рёбер; А — площадь сечения, образованная одним ребром с примыкающими частями тела оболочки шириной b; I — момент инерции того же сечения.
6. Определение усилий в месте сопряжения купола с опорным кольцом
В реальных конструкциях оболочка купола опёрта не свободно, а имеет упругое закрепление в опорном кольце. В связи с этим на опорном контуре возникают дополнительные изгибающие моменты и горизонтальный распор. Их определяют методами строительной механики из условия равенства нулю взаимного угла поворота и взаимного смещения сечений в примыкании оболочки к опорному кольцу от суммарного взаимодействия всех сил.
Ниже рассматривается решение данной задачи методом сил для сферической оболочки. Необходимая система канонических уравнений в этом случае будет иметь следующий вид:
где М0 и Н0 — соответственно момент и кольцевое усилие в месте
контакта оболочки и опорного кольца; а11 — взаимный угол
поворота оболочки и кольца от момента М = 1 по направлению
этого момента; а12 — то же от усилий Н = 1 по направлению
момента; а10 — взаимный угол поворота, вызванный внешней
нагрузкой ; а21 — взаимное перемещение от момента М = 1 по
направлению силы Н; а22 — то же от усилий Н = 1 по направлению
силы Н; а20 — взаимное перемещение, вызванное внешней
нагрузкой.
Величины перемещений для сферической оболочки постоянного
сечения определяются по следующим равенствам:
где S — линейная характеристика жёсткости.
Для гладких куполов значение линейной характеристики
жёсткости определяется по формуле
S=0.76
где t — толщина оболочки.
Перемещения края сферической оболочки при действии
внешней нагрузки определяются по следующим формулам:
а) постоянная нагрузка — собственный вес g:
б) вертикальная, распределённая на горизонтальную проекцию, нагрузка — снеговая нагрузка p:
7. Монолитный купол
В верхней части купола в зоне действия сжимающих усилий арматура в меридиональном и кольцевом направлениях устанавливается без расчёта по конструктивным соображениям. Конструктивная арматура выполняется в виде сетки из стержней диаметром 5 6мм с шагом 150 200мм. Сетку рекомендуется располагать посередине сечения оболочки. При проектировании сетки следует иметь в виду, что число стержней, укладываемых в меридиональном направлении, с приближением к вершине уменьшается в соответствии с уменьшением длины окружности купола.
В нижней части купола в зоне примыкания к опорному кольцу ставят дополнительную арматуру в меридиональном и кольцевом направлениях. Меридиональная арматура рассчитывается по изгибающему моменту, а кольцевая — по растягивающему усилию.
Дополнительная арматура выполняется в виде сетки из стержней диаметром 6?10мм и шагом не более 200мм.
Опорное кольцо в целях повышения трещиностойкости делается предварительно-напряжённым. Натяжению подвергается кольцевая рабочая арматура. Натяжение осуществляется на «бетон» механическим или электрическим способом.
В целом армирование купола может быть представлено в виде схемы (рис. 10).
8. Сборный купол
Членение сборного купола на монтажные элементы может осуществляться по меридиональному и меридионально-кольцевому направлениям (рис.11).
При членении по меридиональному направлению монтажный элемент имеет криволинейное очертание (см. рис.11).
Из условия транспортировки длина сборного элемента не должна превышать 18м, а ширина — 3,5м. Данные рекомендации могут быть выполнены при условии, если диаметр опорного кольца не превышает 40м.
Сборные элементы купола усиливаются контурными и промежуточными рёбрами.
Членение купола по меридионально-кольцевым направлениям позволяет получать как криволинейные, так и плоские монтажные элементы (см. рис.11).
Плоские панели проще в изготовлении, но ухудшают внешний вид купола и работу оболочки, так как в местах стыков будут переломы, приводящие к возникновению дополнительных изгибающих моментов.
Заключение
Проектирование реальных объектов с купольными покрытиями подтвердило высокие технико-экономические показатели данных конструкций.
Выполненные расчеты трехслойной панели купольного покрытия позволяют оценить ее напряженно — деформированное состояние. Наиболее напряженными элементами являются ребро, перпендикулярное наружным слоям шпона и нижняя растянутая обшивка, однако, максимальные значения напряжений в этих элементах в 2,5 — 3,5 раза меньше расчетных сопротивлений. Прогиб панели также примерно в 3.5 раза меньше предельно допустимой величины.
Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.
1. Наиболее напряженными элементами трехслойных панелей являются ребра (в случае фанерной обшивки — ребро, перпендикулярное наружным слоям шпона).
2. Трехслойные панели купольных покрытий диаметром 10 -20 м, обладают высокой надежностью и достаточным запасом прочности.
