Глава "Купола" из книги "Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции"

Автор: 
Н.В.Лебедева
Изображение: 
Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции

Купол — одна из наиболее эффективных форм тонкостенных пространственных конструкций. Его многообразные конструктивные решения обладают архитектурной выразительностью и позволяют перекрывать пролеты до 150 м.



Общие сведения

Типичная форма купола — это поверхность двоякой кривизны с вертикальной осью вращения, которая может быть задана уравнением вида:

1_2.jpg

Купольные покрытия применяют для круглых, эллиптических или полигональных в плане зданий и сооружений различного назначения.

Поверхность купола с круговым основанием получается вращением вокруг вертикальной оси меридиональной кривой (образующей) — дуги круга, эллипса, параболы, циклоиды или комбинации из них (рис. 9.1). Образующей может служить прямая, при вращении которой получается конус. Купола с эллиптическим планом имеют более сложную поверхность. Могут применяться также волнистые, складчатые, а при многоугольном плане — многогранные купола.

При выборе очертания купольного покрытия учитывают архитектурные и технологические требования, а также технико-экономические, включающие: минимальный расход материала на возведение купола; простоту, удобство изготовления и монтажа элементов; долговечность, возможность ухода за конструкцией; соответствие конструктивного решения купола характеру действующих нагрузок.

Купола бывают пологими и подъемистыми. Пологим считается купол при отношении стрелы подъема к диаметру основания D от 1/5 до 1/10. В некоторых случаях по архитектурным, технологическим или иным соображениям их проектируют подъемистыми — с f/D > 1/5.

2_3.jpg
3_3.jpg

Конструкция купола состоит из оболочки (плиты) и нижнего опорного кольца, воспринимающего распор. При наличии центрального светового или аэрационного проема устраивают верхнее кольцо (рис. 9.2).

Материалами для тонкостенных куполов могут служить железобетон, армоцемент, клееная древесина, конструкционные пластмассы, в частности, стеклопластик.



Расчет купола

Методика расчета купола зависит от его типа и вида нагрузки — осесимметричной и неосесимметричной. К первой относится собственный вес конструкции, сплошной снеговой покров и симметрично подвешенное оборудование. Ко второй — ветровая нагрузка, односторонняя снеговая нагрузка и несимметрично расположенное оборудование. При отношении f/D ≤ 1/4 ветровой напор создает на поверхности купола отсос, который разгружает купол и может не учитываться. Однако легкие, например, пластмассовые купола необходимо проверять расчетом на действие отсоса ветра.

На стадии определения конструктивного решения тонкостенного купола применяют приближенные способы расчета. Они дают вполне достоверные результаты, зачастую с точностью выше реальных допусков, практикуемых при подборе сечений элементов купола. В рабочем проектировании пользуются точными методами, ориентированными на реализацию вычислений с помощью компьютера.

Тонкостенные купола можно рассчитывать по безмоментной теории, условиями применения которой являются: плавность изменения толщины оболочки, радиуса кривизны ее меридиана, интенсивности нагрузки; свободное перемещение оболочки в радиальном и кольцевом направлениях. Безмоментное опирание купола по внешнему контуру представляется как непрерывное, шарнирно-подвижное, образуемое стерженьками-опорами, направленными по касательным к меридиональным сечениям оболочки. В этом случае оболочка будет статически определима (рис, 9.3), При нарушении названных условий напряженное состояние купола должно определяться с учетом действия изгибающих моментов в краевых зонах.

4_2.jpg

В безмоментном напряженном состоянии оболочка купола работает как тонкая мембрана и поэтому подвержена только нормальным усилиям, действующим в ее срединной поверхности. На практике это положение можно принять в отношении всего купола кроме приопорной зоны, где появляются изгибающие моменты.

Рассмотрим купол произвольного очертания, двоякая кривизна которого в каждой точке определяется двумя радиусами кривизны R1 и R2. В общем случае элемент оболочки купола, ограниченный двумя меридиональными и двумя кольцевыми сечениями, находится под воздействием нормальных усилий — меридионального N1 и кольцевого N2, а также касательного усилия S, отнесенных к единице длины сечения (см. рис. 9.3 а). При загружении купола осесимметричной нагрузкой (собственный вес, снег на всей поверхности) усилие S = 0, а усилия N1 и N2 определяют из условий статики как функции только угловой координаты φ (широты).

Напряженное состояние купола при осесимметричной нагрузке характеризуется следующим уравнением равновесия:

5_2.jpg

где qφ — нормальная к поверхности купола составляющая внешней нагрузки q (на 1 м2 поверхности купола).

Для определения меридионального усилия N1 кольцевым горизонтальным сечением отсекается верхняя часть купола и рассматривается ее равновесие (см. рис. 9.3 в). На отсеченный сегмент действует сжимающая сила Qφ, которая представляет собой сумму всех нагрузок, приложенных выше рассматриваемого сечения. Исходя из условия ΣZ=0, она должна уравновешиваться меридиональными усилиями N1 по периметру кольцевого сечения радиуса r:

6_2.jpg

где (φ—текущая угловая координата (отсчитывается от оси вращения); r = R2sinφ.

Следовательно,

7_2.jpg

Кольцевое усилие N2 находят из уравнения (9.2):

8_2.jpg

Распор купола определяется как горизонтальная проекция меридионального усилия N1

9_2.jpg

Распор в уровне опорного кольца (φ = φ0):

10_2.jpg

где N1,0 — меридиональное усилие в уровне опорного кольца; φ0 — половина центрального угла дуги оболочки в меридиональном направлении; r0 — радиус опорного кольца; Qφ,0— нагрузка, действующая на купол.

Распор Fh действует на опорное кольцо в радиальном направлении, поэтому растягивающее усилие в опорном кольце:

11_2.jpg

Сжимающее усилие в верхнем кольце от нагрузки q при соответствующей текущей координате φ определяется аналогично (9.8).

Под действием вертикальной нагрузки купол сжат, а вблизи опорного кольца растянут. Существует нейтральное кольцевое сечение («параллель»), вдоль которой усилия N2 равны нулю. Координата этой параллели определяется формой купола и видом нагрузки. Ее можно вычислить, приравняв к нулю выражение в скобках в формуле (9.5).

Дальнейшее рассмотрение оболочки вращения под действием конкретных нагрузок проведем на примере сферического купола. Геометрически он наиболее прост, а основные выводы качественного порядка, сделанные для сферы, могут быть распространены на купола других форм.

Для сферы R1 = R2 = R формулы (9.4) и (9.5) приобретают вид:

12_0.jpg

Формулы расчета сферических куполов на действие нагрузок от собственного веса g (кН/м2 поверхности купола) и снега s (кН/м2 перекрываемой куполом площади) приведены в [5], [6], [17]. Распределение меридиональных и кольцевых усилий в полусферическом куполе от вертикальных нагрузок показано на рис. 9.4.

Угол φ, при котором кольцевые усилия в куполе меняют знак, превращаясь из сжимающих в растягивающие, равен ~ 52° при действии собственного веса и 45° — при полной снеговой нагрузке. Для того, чтобы избежать растягивающих кольцевых усилий, стрела подъема купола f не должна превышать 1/52). Более подъемистые купола нуждаются в специальных кольцевых затяжках в нижних приконтурных зонах. Аналогичные вычисления усилий и критических величин углов могут быть выполнены для куполов вращения других очертаний.

13_0.jpg

При действии горизонтальных сил (ветер, сейсмика) и несимметричных нагрузок (одностороннее расположение снега) напряженное состояние купола характеризуется, кроме нормальных усилий N1 и N2, также касательными (сдвигающими) усилиями S. Расчет существенно усложняется и его выполняют по специальной методике.

Усилия N1 и N2 в гладкой оболочке купола, как правило, невелики, поэтому ее толщина определяется, главным образом, конструктивными или технологическими соображениями.

Особое внимание уделяют устойчивости купола. Формулы ее проверки, характерные для каждого материала, даются при рассмотрении особенностей куполов из различных материалов.

Волнистые и складчатые купола составляют особую группу. С архитектурной точки зрения они весьма эффектны, обладают богатой пластикой и немалыми конструктивными достоинствами, связанными с жесткостью формы. Будучи сплошностенчатыми (гладкими) или решетчатыми, они могут быть отнесены, соответственно, к тонкостенным или ребристым куполам. В железобетоне выполняют волнистые и складчатые купола, а из клееной древесины — чаще складчатые.



Железобетонные купола

Для железобетонных тонкостенных куполов характерны гладкие или волнистые (складчатые) формы, описываемые, в целом, поверхностью вращения. Область эффективных пролетов таких покрытий — от 25 до 120 м. Однако известны уникальные сооружения, имеющие более крупные пролеты, например D = 132 м (г. Урбана, США).

В зависимости от отношения стрелы подъема/к диаметру D опорного контура различают купола пологие — f/D = 1/5...1/10 и подъемистые — f/D>1/5. Наибольший экономический эффект получается при f/D = 1/3...1/5, однако в целях уменьшения поверхности покрытия рекомендуется принимать f/D - 1/6...1/7.

Основными конструктивными элементами купола являются оболочка и нижнее опорное (растянутое) кольцо, воспринимаюшее распор (см. рис. 9.2 а). При наличии центрального проема устраивают верхнее (сжатое) кольцо (си. рис. 9.2 б). Если по периметру купола D < 30 м имеется плоское кольцевое перекрытие, распор воспринимается последним (см. рис. 9.2 в). Железобетонные купола могут быть монолитными, сборными и сборно-монолитными.

Оболочки монолитных куполов выполняют, преимущественно, гладкими, а сборных — ребристыми из цилиндрических или плоских панелей.

На стадии предварительного проектирования толщину t гладкой оболочки принимают равной 1/600... 1/800 радиуса кривизны купола в вершине, но не менее 50 мм по технологическим условиям, с постепенным увеличением ее к опорному и фонарному кольцу. В последующем расчете толщину оболочки уточняют проверкой условия устойчивости. В том случае, когда гладкая оболочка не проходит по устойчивости или на нее действуют сосредоточенные нагрузки, поверхность купола усиливается меридиональными, а при необходимости и кольцевыми ребрами, высота h которых принимается равной (1/100...1/150)D.

Конические купола имеют толщину оболочки t = (1/100...1/150)1), а следовательно, значительно уступают сферическим по технико-экономическим показателям.

Купол конструируют в соответствии с усилиями, полученными расчетом. Оболочка купола, за исключением приопорной зоны, сжата. Сжимающие усилия воспринимаются полностью бетонным сечением оболочки, поэтому ее армируют конструктивно в количестве не менее 0,2 % площади сечения бетона.

В монолитном куполе арматура располагается по меридианам и концентрическим окружностям (параллелям). Гладкую оболочку толщиной до 70 мм армируют одиночной сеткой из проволоки или стержней (классы стали Bp-I, A-II, А-III диаметром 4...6 мм и шагом 150...200 мм, располагаемой в середине сечения оболочки. При большей толщине устанавливают две сетки. В месте примыкания оболочки к нижнему опорному кольцу ставят дополнительную меридиональную арматуру для восприятия краевого изгибающего момента, по которому расчетом определяют количество стержней и заводят их в опорное кольцо. В этой же зоне размещают кольцевую арматуру для восприятия местных растягивающих кольцевых усилий (рис. 9.5).

Способ возведения монолитных куполов любого очертания на сплошных лесах и подмостях, повторяющих геометрию купола, сложен, требует больших затрат и поэтому применяется редко. Такие покрытия предпочтительно сооружать индустриальными методами с использованием сборно-разборной или пневматической опалубки.

Наиболее распространены купола из сборных железобетонных элементов (рис. 9.6). При их возведении стрелу подъема целесообразно выбирать такой, чтобы в оболочке возникали только усилия сжатия.

14_0.jpg
15_0.jpg

В сборном или сборно-монолитном варианте купол состоит из криволинейных или плоских трапециевидных плит (панелей) толщиной не менее 30 мм, усиленных по краям продольными ребрами, размеры и армирование которых назначают в соответствии с требованиями транспортирования и монтажа. Высота сечения h ребер плиты принимается равной 1/20...1/30 их длины l, а ширина b = (0,25...0.5)h, но не менее 40 мм. В кольцевом направлении в плите устраиваются ребра через 2...3 м. Поле плиты армируют сварной сеткой из проволоки класса Вр-I или стержней классов А-II, А-III с шагом 100...200 мм. Ребра плиты армируют сварными каркасами с рабочими стержнями из стали классов А-II, А-III. В приопорной зоне плиту утолщают. Для замоноличивания купола но линиям сопряжения сборных элементов оставляют зазоры шириной 40... 100 мм. Соединение элементов выполняют на сварке стальных закладных деталей из пластин, уголков и т.п. Прочность закладных деталей и соединительных накладок проверяют расчетом. Бетон оболочки и швов замоноличивания должен быть не ниже класса В-20.

Нижнее опорное кольцо может быть монолитным или сборным. Его рабочую арматуру рассчитывают на центральное растяжение без учета работы бетона. При небольшом диаметре купола (до 30 м) опорное кольцо может выполняться без предварительного напряжения и армироваться кольцевыми стержнями из стали классов А-II, А-III, Ат-III, диаметром 20...30 мм, стыкуемыми по длине на сварке. В куполах большего диаметра для повышения трещиностойкости опорного кольца и уменьшения размеров его сечения используют предварительное напряжение высокопрочной стержневой арматурой классов A-IV, A-V или проволочной арматурой классов В-II, Вр-II в виде пучков, прядей и др. Рабочую арматуру размещают либо в массиве опорного кольца (в каналах, впоследствии инъецируемых раствором), либо в криволинейных пазах на его поверхности. Напрягаемую арматуру закрывают торкрет-бетоном толщиной 20 мм.

Купола могут опираться на различные конструкции — стены, колонны, фундаменты. В оболочке купола допускается устройство отверстий и проемов для освещения и аэрации в пределах расстояния между ребрами. Отверстия могут быть круглыми, овальными или многоугольными.

Примеры конструирования монолитных и сборных куполов даны на рис, 9.5 и 9.6, а также в [5], [17] и др.

Сжимающие напряжения в оболочке купола σc не должны превышать Rb, a растягивающие напряжения σt - 0,3 Rb. Приопорные участки, где σt > Rbt, армируют, исходя из условия полного восприятия арматурой растягивающих усилий. При σt > 3Rbt толщину оболочки увеличивают.

При безмоментном решении сопряжение оболочки купола с нижним кольцом компонуют так, чтобы меридиональное усилие от нагрузки проходило через центр тяжести поперечного сечения кольца, вызывая в нем лишь осевое растяжение без изгиба (рис, 9.7 а, б), В реальной конструкции оболочка упруго закреплена в опорном кольце. Поэтому безмоментное напряженное состояние ее в этой зоне нарушается, а вдоль меридиана возникают местные изгибающие моменты М0 («краевой эффект»), которые быстро уменьшаются по мере удаления от края оболочки (рис, 9,7 в). Определяют их различными методами, изложенными в [6], [17] и др.

Устойчивость гладких куполов считается обеспеченной при условии, что интенсивность полной расчетной нагрузки:

16.jpg

где Eb,def— модуль деформации бетона, принимаемый равным (0,319...0,212)Eb в зависимости от его относительной влажности; Eb— модуль упругости бетона; t — толщина оболочки; R — наибольший из двух радиусов главных кривизн поверхности.
17.jpg
18.jpg

Устойчивость сборных ребристых куполов проверяют по этой же формуле, используя условные (фиктивные) значения t и Eb:

19.jpg

где а — расстояние между ребрами: A. J— площадь и момент инерции таврового сечения, состоящего из ребра и полки шириной а (рис. 9.8).


Деревянные купола

Деревянные тонкостенные купола проектируют диаметром основания D = 12...36 м. Они, как правило, имеют сферическое очертание. Купол состоит из кольцевого и косого дощатых настилов, подкрепленных легкими меридиональными ребрами (арочками), верхнего и нижнего опорного кольца (рис. 9.9).

Меридиональные ребра воспринимают сжимающие усилия в оболочке по направлению меридиана и передают их на верхнее и нижнее кольца. Ребра состоят из нескольких слоев склееных или сшитых гвоздями досок общей высотой поперечного сечения не менее 1/250D, принимаемой из условия жесткости. Шаг ребер по нижнему опорному кольцу назначают равным 0,75...1,5 м для обеспечения устойчивости купола.

20.jpg

Кольцевой настил воспринимает усилия, действующие в кольцевом направлении оболочки. Толщину досок этого настила принимают равной 19...25 мм. В нижней части купола, где могут возникать растягивающие кольцевые усилия (при f/D> 1/5), настил выполняют из двух слоев досок. Оба слоя прибивают гвоздями. В верхней части купола, где действуют сжимающие кольцевые усилия, настил выполняют из одного слоя досок толщиной, равной двойному нижнему кольцевому настилу.

Косой настил воспринимает сдвигающие усилия, которые возникают при несимметричной нагрузке на купол. Он состоит из одного слоя досок толщиной 16...25 мм, укладываемого сверху кольцевого настила под углом 45° к меридиональным ребрам (в виде «елочки»).

Нижнее опорное кольцо воспринимает распор меридиональных ребер и работает на растяжение. Оно может быть железобетонным, деревянным или 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 деревянным. Деревянные кольца могут быть клееными или кружальными на гвоздях.

Тонкостенные купола могут быть выполнены из крупнопанельных клеефанерных элементов, что значительно снижает трудоемкость возведения покрытия. Купола собирают с помощью лесов.

Статический расчет тонкостенной оболочки купола производят по безмоментной теории. Ребра рассчитывают на меридиональное усилие FM = aNl, где а — длина дуги между ребрами на рассматриваемой широте, определяемой угловой координатой (φ: Nl — меридиональное усилие, определяемое по формуле (9.9). Кольцевой настил рассчитывают на усилие N2, приходящееся на единицу длины меридионального ребра по формуле (9.10). Расчет нижнего и верхнего колец на прочность ведется по формулам, приведенным в ([5], раздел 6).

Устойчивость тонкостенного сферического купола проверяют по формуле критического напряжения:

21.jpg

где Σσc — суммарное сжимающее напряжение от всех видов нагрузки; Е — модуль упругости материала; t — толщина оболочки; R — радиус кривизны купола.


Купола из пластмасс

В качестве материала для тонкостенных гладких куполов могут использоваться пластмассы, обладающие свето- и радиопрозрачностью. Область применения — фонари из светопрозрачного органического стекла («плексигласа»), цельные небольших размеров или составные диаметром до 10 м при толщине оболочки до 20 мм; купола обтекателей радиолокационных антенн диаметром до 60 м и высотой до 40 м. Легкость, прочность, удобоформуемость стеклопластиков позволяют использовать их для изготовления панелей сборных куполов.

Купола-оболочки бывают однослойными, двух- и трехслойными. Однослойные купола изготавливают из оргстекла, полиэфирного светопрозрачного стеклопластика и пенопласта (пенополистирола и др.). Двухслойная оболочка состоит из наружного стеклопластикового слоя и внутреннего пенопластового. Трехслойные купола общей толщиной от 15 до 50 мм имеют стеклопластиковые обшивки толщиной до 3 мм и средний слой из пенополистирола, пенополиуретана, сотопласта и просто воздушной прослойки.

22.jpg

Диаметр и толщина однослойных куполов из органического стекла достигают, соответственно, 10 м и 20 мм; из стеклопластика — 9 м и 6 мм; из пенопласта — 24 м и 200 мм. Параметры двухслойных куполов аналогичны однослойным стеклопластиковым, так как внутренний пенопластовый слой, в основном, выполняет функцию утеплителя. Трехслойные купола возводят диаметром до 25 м и общей толщиной оболочки до 50 мм.

Однослойные панели сборных куполов могут быть лотковой, треугольной или трапециевидной формы (плоской или выпуклой). Они имеют отбортовки (фальцы), удобные для болтовых соединений. При необходимости в швах прокладывают металлические полосы жесткости или кромки панелей усиливают уголками. Таким панелям можно придавать любые формы [5]. Детали трехслойной панели типа «сэндвич» показаны на рис. 9.10.