МК_Справочник_том_2

Примерами ребристых куполов являются, например, крытый стадион в СанПаулу (Бразилия, 1958 г.) диаметром 80 м со сквозными полуарками; раздвижной купол общественного центра в Питтсбурге (США, 1961 г.) диаметром 125 м и др. Купол павильона машиностроения ВДНХ диаметром 42 м и высотой 32 м имеет стрельчатую форму и состоит из 24 сквозных ребер-полуарок с высотой сечения 890 мм. Пояса полуарок выполнены из прокатных швеллеров, а решетка – из спаренных уголков. Вся поверхность купола светопрозрачна. Трапециевидные панели остекления крепятся к кольцевым прогонам, которые с шагом 1,45 м опираются на узлы наружного пояса.

Прогоны ребристых куполов работают только на изгиб, как вспомогательные балки, воспринимающие нагрузку от кровли и передающие ее на ребра. Если прогоны объединить в кольца и включить в пространственную схему каркаса, заставив воспринимать не только изгибающие, но и продольные усилия, то получим схему ребристо-кольцевого купола (рис.12.22á).

Ребристо-кольцевые купола являются более рациональной конструктивной схемой. Кольца существенно уменьшают изгибающие моменты в меридиональных ребрах, особенно при осесимметричных нагрузках, обеспечивают большую пространственную жесткость. Вместе с тем усложняется узел соединения кольцевых и меридиональных элементов, поскольку для центрации усилий элементы должны быть расположены в одном уровне. При проектировании ребристо-кольцевых куполов необходимо учитывать последовательность выполнения монтажных работ и соответствующее изменение расчетных схем. Способ монтажа может оказать существенное влияние и на конструктивное решение ребер. Если предполагается осуществлять сборку конструкции пространственными блоками полной строительной готовности, ребра необходимо проектировать спаренными.

Примерами ребристо-кольцевых куполов являются: Колизей в г. Шарлотта (США, 1956 г.) диаметром 100 м и высотой 16,4 м, с 48 ребрами и восемью кольцами; дворец спорта в Болонье (Италия, 1957 г.), имеющий в плане форму эллипса 69×62 ì.

Несколько ребристо-кольцевых куполов было построено в СССР. Среди них: купол над зданием склада сушеного концентрата Лисаковского горно-обогатитель- ного комбината диаметром 23,7 м и высотой 4,3 м с 12 ребрами из прокатного двутавра ¹30; купольное покрытие корпуса сгущения Карагайлинского горнообогатительного комбината диаметром 56,6 м и высотой 10 м. 28 ребер, верхнее и нижнее кольца запроектированы из сварных двутавров [2].

Ребристые и ребристо-кольцевые купола, по существу, являются пространственными рамами. Наряду с продольными усилиями в их элементах возникают зна- чительные изгибающие моменты.

Купольные системы, каркас которых образует пространственную стержневую систему с треугольными ячейками, называются сетчатыми куполами.

Для относительно пологих покрытий используются схемы, обладающие осевой симметрией. Все они состоят из определенного числа одинаковых зеркально симметричных секторов. Форма поверхности вращения может быть любой, однако наиболее часто используется сферическая.

Основными схемами построения являются: ребристо-кольцевая со связями в каждой ячейке (купол Шведлера); звездчатая (купол Ф¸ппля); схема Чивитта; схема «ромб».

Звездчатая схема (рис.12.22) может быть получена из схемы Шведлера поворотом каждого горизонтального кольца на угол π/n, ãäå n – число граней купола. Обычно в звездчатой схеме, длину всех некольцевых стержней принимают одина-

271

ковой. Образующая сеть пространственных ромбических ячеек представляет собой правильную сеть Чебышева.

Недостатком схем Шведлера и Ф¸ппля является значительное сгущение элементов в центральной части. Углы между стержнями становятся очень острыми, что усложняет конструирование узлов и приводит к необходимости устройства центрального кольца большого диаметра.

Схема Чивитта лишена этого недостатка. Она состоит из нескольких секторов, каждый из которых равномерно разбит на треугольные ячейки. Число секторов может приниматься любым, в пределах от 6 до 12 (рис.12.22ä). В этой схеме, также как и в звездчатой, все узлы яруса лежат в одной горизонтальной плоскости, однако их число увеличивается от центра к краю в арифметической прогрессии. Число различных стержней и узлов в этой схеме значительно превышает аналогичные показатели звездчатой схемы, архитектурно она менее выразительна, но позволяет отказаться от центрального кольца, упростить и унифицировать узловые соединения. По схеме Чивитта с двенадцатью секторами построены самые большие в мире купольные покрытия в Хьюстоне (США, 1964 г.) пролетом 195,6 м и высотой 28,4 м [9] и в Новом Орлеане (США, 1974 г.) диаметром 207,3 м и высотой 32,0 м [10].

Для подъемистых куполов часто используют комбинацию двух сеток – звездча- той и Чивитта.

Ромбическая сеть (рис.12.23) – схема построения сетчатого купола на основе правильной сети Чебышева. Число циклически повторяющихся гра- ней-секторов может быть различ- но. Отличительной особенностью является равенство длин стержней, расположенных в направлении меридиана. Стержни, расположенные в кольцевом направлении, имеют разные длины.

Эта схема построения образует наиболее равномерную сеть. Все линии стержней плавно переходят друг в друга, следуя кривизне кон-

струкции, что позволяет рекомендовать ее для покрытий общественных зданий, требующих наиболее выразительного архитектурного оформления интерьера.

Эффективным методом построения сетчатых поверхностей вращения является метод наклонных образующих [6]. Наклонной образующей может быть любая кривая на заданной поверхности вращения, не лежащая в одной плоскости с осью вращения. Важным частным случа- ем является плоская кривая. Если две такие кривые на поверхности вращения, наклоненные в разные стороны, вращать с постоянным угловым шагом, то точки пересечения кривых образуют узлы искомой сети (рис.12.24). Этим методом можно формировать покрытия из отдель-

272

ных участков поверхностей вращения, например, многоволновые купола (рис.12.25). Наклонными образующими являются меридианы купола, а оси вращения либо лежат в плоскости симметрии сектора, либо ей перпендикулярны.

Рис.12.25. Многоволновые купола, построенные методом наклонных образующих 1 – ось симметрии купола; 2 – ось вращения образующей

Для сферических куполов большой высоты рационально использование симметрии правильных многогранников-икосаэдра и додекаэдра. Они имеют десять тройных осей вращения и шесть зеркально-поворотных осей десятого порядка. Предложено большое количество вариантов построения сферических сетей с использованием симметрии правильных многогранников. В практике проектирования наибольшее распространение получили два способа: геодезическая сеть на основе додекаэдра (рис.12.26); построение 720-гранника на основе усеченного икосаэдра (рис.12.27).

A B

B A

B

A

Рис.12.26. Построение сферической сети на основе додекаэдра

273

ного треугольника представляют собой дуги большого круга, т.е. являются геодези- ческими линиями на сфере. Поэтому эта схема носит название геодезической. Степень членения может быть любой. В табл.12.4 приведены длины сторон плоских граней для первых шести членений исходной сети при радиусе сферы, равном единице. Обозначение длин указано на рис.12.27. С увеличением степени членения число типоразмеров элементов увеличивается линейно. Общее число граней равно 60 m2; число типоразмеров панелей, стержней и узлов равны соответственно 2m−1 , 2m , 2m ( m – число членений граней додекаэдра).

Таблица 12.4. Длины стержней геодезической схемы купола

Этот способ разбивки разработан Р.Б. Фуллером.

Во втором способе основой построения является полуправильный многогранник – усеченный икосаэдр, состоящий из двенадцати правильных пятиугольников и двенадцати правильных шестиугольников. Вершины и центральные точки всех

274

стики. Общее число граней равно 180 n2; число типоразмеров панелей, стержней и

исходного 180-гранника). Этот способ предложен М.С. Туполевым [7].

Сравнение двух геодезических схем членения с точки зрения минимума типоразмеров стержней и панелей показывает, что в порядке увеличения степени членения наиболее рациональны схемы Д-1, И-1, Д-2, Д-З, Д-4 и т.д. (Д – додекаэдр, И – икосаэдр, цифра обозначает число членений исходной сети), 270-гранник по системе «Икосаэдр» не имеет преимуществ по сравнению с системой «Додекаэдр».

Расчет геометрических параметров всех рассмотренных схем построения куполов (декартовы и цилиндрические системы координат узлов, длины стержней, углы между стержнями, площади граней и др.) может быть выполнен на ЭВМ по программе GECON, разработанной в институте ЦНИИпроектстальконструкция.

Одной из разновидностей сетчатых куполов являются пластинчато-стержневые купола. Они собираются из отдельных панелей, полученных изгибом алюминиевых листов толщиной от 2 до 4 мм. Панели соединяют между собой на болтах с помощью специальных узловых деталей. Несущий каркас образуют ребра изогнутых панелей и дополнительные стержневые элементы, а плоские грани панелей выполняют функции ограждающих конструкций.

Идея совмещения функций была использована при разработке купольных конструкций зданий вагоноремонтных депо в городах Батон-Руж (США, 1958) и ВудРивер (США, 1964). Оба купола имеют одинаковые размеры: диаметр – 117 м и высоту – 36,6 ì [11].

В США пластинчато-стержневые сферические купола пролетом от 25 до 70 м и высотой от 3,5 до 20 м серийно изготавливает фирма Temcor. Средний расход алюминиевых сплавов составляет около 14,3 кг на 1 м2 поверхности.

Оригинальная конструкция пластинчато-стержневого купола разработана в ЛенЗНИИЭП [4], отличительной особенностью которой является отсутствие специальных узловых соединительных элементов. Она состоит из несущих листовых металлических панелей (пластинчатых элементов), и дополнительных стержневых элементов. Несущие панели выполняют также и ограждающие функции. Пластин-

275

чатые элементы изготавливаются в заводских условиях из алюминиевых листов толщиной 2 и 3 мм, размером 4,0×1,2 м. Изготовление сводится к отбортовке кромок и перегибанию листов. Соединения – болтовые вдоль отбортовок. Сборные элементы легко перевозятся компактными пакетами.

12.4.3.2. Узлы и детали. Наиболее ответственным и сложным узлом конструкции куполов всех типов является узел присоединения ребер к нижнему кольцу и опирания кольца на нижележащие конструкции. На рисунке 12.29 приведены примеры решения этого узла для ребристо-кольцевого купола диаметром 42 м и двухсетчатого купола диаметром 196 м. Нижнее растянутое кольцо конструируется обычно в виде сварного двутавра. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах для увеличения изгибной жесткости кольца в горизонтальной плоскости двутавр располагается лежа. Сетчатые купола сами по себе имеют большую пространственную

Рис.12.29. Примеры решения опорного узла

жесткость в горизонтальном направлении, поэтому при их проектировании опорное кольцо стремятся развить по вертикали. Вертикальное расположение двутавра обеспечивает также максимальную жесткость на восприятие равномерно распределенных по кольцу радиальных крутящих моментов, которые вызывают в кольце изгиб относительно горизонтальной оси. Прежде всего, необходимо правильно центрировать узел – оси стержней, примыкающих к кольцу, и ось вертикальной опорной реакции должны пересекаться в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести кольца. При этом осевая линия кольца не обязательно должна проходить через центр узла – фактический диаметр кольца может быть несколько уменьшен или увеличен. Кольцо обычно шарнирно опирают на фундамент или вертикальные колонны. В большепролетных куполах желательно обеспечить свободу перемещений кольца в радиальном направлении. Это достигается использованием катковых опор или коротких качающихся стоек.

276

Широко распространено узловое соединение стержней сетчатых куполов с использованием плоских или конических фасонок большого диаметра.

Для перекрытия пролетов от 20 до 60 м может быть рекомендовано конструктивное решение сетчатого купола из алюминиевых прессованных профилей.

Несущий каркас состоит из стержней и узловых деталей, соединяемых между собой на высокопрочных болтах. Каркас образует сетчатую поверхность с треугольными ячейками. Стержни изготавливаются из прессованного профиля с П-образным поперечным сечением. Открытый профиль позволяет производить закручивание стержня вокруг его продольной оси до совмещения плоскостей симметрии торцевых сечений с осями узловых деталей, что необходимо для всех сетча- тых оболочек, имеющих форму, отличную от сферической. Узловая деталь также изготавливается из прессованного алюминиевого профиля, имеющего поперечное сечение в виде звезды с шестью лучами. Каждый луч узловой детали имеет в основании утонченный участок – шейку, обеспечивающую возможность пластического отгиба в плоскости, перпендикулярной оси узловой детали на определенный угол (рис.12.32).

1-1

2 1

.

2 1

2-2

Рис.12.32. Узел соединения стержней каркаса алюминиевых односетчатых оболочек

Стержни крепятся к лучам узловой детали двумя высокопрочными болтами, причем для одного из болтов – внутреннего – сверление отверстий в узловой детали и стержне производится по номинальному диаметру, а для другого болта отвер-

278

стие выполняют с бóльшим диаметром. Люфт в 2–3 мм обеспечивает возможность поворота стержня по лучу узловой детали на требуемый угол. При монтаже до завершения сборки всего каркаса болты не затягивают, и только после того, как все элементы установлены и конструкция приняла заданную геометрическую форму, производится контролируемое натяжение болтов.

Поверх стержней каркаса укладываются треугольные алюминиевые листы толщиной 1,0–1,2 мм, являющиеся кровельным покрытием. Листы соединяются внахлест и крепятся к стержням каркаса с помощью прижимных реек таврового профиля. Водонепроницаемость покрытия обеспечивается размещением между листами по линиям нахлеста тонкого слоя нетвердеющего герметика.

К внутренней поверхности каркаса крепятся декоративные панели подвесного акустического потолка, выполняющие также функции теплоизоляции и огнезащиты.

С использованием данного конструктивного решения построены: выставочный павильон ВДНХ СССР диаметром 21 м, здание водно-оздоровительного корпуса пансионата «Березки» Госстроя СССР пролетом 40 м, покрытие лаборатории «Искусственный небосвод» Научно-исследовательского института строительной физики диаметром 27,8 и высотой 15,35 м и другие.

12.4.3.3. Особенности изготовления и монтажа. В процессе проектирования металлических куполов особое внимание должно быть уделено обеспечению точ- ности изготовления и монтажа конструкций, которая определяет трудоемкость возведения и влияет на надежность и металлоемкость. Низкая точность изготовления конструкций приводит к необходимости выполнения при монтаже большого объема дополнительных подгоночных работ и снижает несущую способность сооружения, в то же время необоснованно повышенные требования к точности приводят к усложнению технологии изготовления и увеличению стоимости конструкции.

Для установления оптимальных требований к точности необходим анализ возможных погрешностей возведения сооружений.

Монтаж ребристых и ребристо-кольцевых куполов осуществляют, как правило, с использованием стационарных или передвижных опор в виде башен или мачт. В большинстве случаев используется только одна центральная опора, на которой размещается верхнее кольцо. Предварительно собранные на земле полуарки устанавливают попарно друг против друга, опирая на верхнее и нижнее кольцо. В процессе монтажа полуарки воспринимают нагрузку от собственного веса по балоч- ной, безраспорной схеме. Башня убирается после завершения монтажа каркаса.

Способы монтажа сетчатых куполов более разнообразны. Сетчатые купола могут монтироваться на сплошных лесах поэлементно или блоками, а также с использованием отдельных опор, на которые опираются предварительно укрепленные части конструкции. Купола из легких сплавов часто монтируют подращиванием от центра к контуру с постепенным подъемом уже собранной части конструкции. Для подъема используются центральные мачты, домкраты, надувные баллоны и другие средства. Этот способ очень эффективен, т.к. обеспечивает безопасное выполнение всех монтажных работ широким фронтом на уровне земли. При массовом строительстве применяемое специализированное оборудование быстро окупается. Сложность осуществления этого способа возрастает с увеличением размеров и массы конструкций. Для возведения сетчатых куполов пролетом 150–200 и более метров наиболее рационален навесной способ монтажа крупными блоками полной строительной готовности. Он позволяет полностью избежать использования каких-либо вспомогательных конструкций, обеспечивает безопасность работ. Вместе с тем, навесной монтаж требует точного учета деформаций от монтажных нагрузок при назначении размеров конструктивных элементов и повышенного внимания к контролю точности сборки.

279

Конструктивное решение алюминиевых односетчатых оболочек ориентировано в основном на поэлементную сборку несущих и ограждающих конструкций. Поскольку масса отдельных элементов не превышает 10 кг, монтаж может производиться с легких передвижных площадок или автомобильных вышек, обслуживаемых простейшими грузоподъемными устройствами. Для покрытий пролетом до 60 метров, обычных для массового строительства гражданских зданий, поэлементная сборка оправдана возможностью создания различных архитектурных форм при использовании унифицированных сборных элементов.

Проблема снижения трудоемкости монтажных работ имеет особо важное значе- ние для покрытий пролетом 100 и более метров. При таких пролетах из условия обеспечения устойчивости требуется значительное развитие сечений стержней в направлении нормали к поверхности и переход к двухсетчатым (двухслойным) системам.

В настоящее время основным принципом скоростного монтажа является сборка конструкций в крупные блоки на земле с последующим подъемом их в проектное положение. Для того, чтобы свести к минимуму работы наверху, блоки должны иметь полную строительную готовность, т.е. включать как несущие, так и ограждающие конструкции, технологические коммуникации, лестницы и площадки с выполнением внизу всего комплекса работ по антикоррозионной и противопожарной защите; все монтажные соединения должны осуществляться на высокопрочных болтах. Наиболее рациональной схемой монтажа большепролетных сетчатых куполов является навесная поярусная сборка от фундаментов к вершине без использования каких-либо вспомогательных опор.

При использовании навесного метода монтажа минимальное расстояние между поясами определяется из условия обеспечения безопасной и высокопроизводительной работы монтажников в межферменном пространстве и составляет примерно 2,5 м (в свету). Такая высота сечения достаточна для создания куполов пролетом до 500 м. Современное крановое оборудование позволяет производить подъем монтажных блоков массой до 20 т и площадью до 100 м2 на высоту более 120 м. В каждом конкретном случае размеры монтажных блоков должны назна- чаться с учетом климатических условий места строительства, высоты подъема и наклона блоков к горизонтали.

12.4.3.4. Методы расчета. Статический расчет металлических куполов всех типов на стадии рабочего проектирования выполняют Â настоящее время по пространственным расчетным схемам с обязательной проверкой степени геометрической нелинейности конструкции. Для этой цели используют универсальные программы, такие как PACK, ЛИРА, СПРИНТ, ПАРСЕК [8]. Последняя программа наиболее эффективна, т.к. она разработана специально для симметричных пространственных систем. Расчет выполняют Â соответствии со СНиП 2.01.07-85, СНиП II-23-81*, СНиП 2.03.06-85 для всех типов нагрузок – постоянной, технологической, снеговой, ветровой, сейсмической. Обязательным является расчет на температурные воздействия. При статическом расчете необходимо учитывать изменения расчетной схемы сооружения в процессе монтажа.

При проектировании большепролетных купольных покрытий используются, как правило, сквозные конструкции – каждый несущий элемент представляет собой ферму с параллельными поясами, соединенными решеткой. Расчет по полной расч¸тной схеме, т.е. с учетом всех стержневых элементов поясов и решетки, представляет значительные трудности. В большинстве случаев поступают следующим образом: каждый сквозной стержень в пространственной расчетной схеме заменяют эквивалентным сплошным, приведенные геометрические характеристики которого определяют предварительным расчетом. Для этого плоский сквозной элемент каждого типоразмера закрепляют с одного конца и прикладывают последовательно

280