Конструкции стальных куполов

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 9Следующая ⇒

Наибольшее распространение как в нашей стране, так и за рубежом получили купола, выполненные в стальных конструкциях, реже — из алюминиевых сплавов. И те и другие могут перекрывать значительные площади; выбор материалов их конструкций диктуется техническими и технико-экономическими соображениями. Многообразие конструктивных решений позволяет в ряде случаев использовать наружные штампованные и предварительно напряженные обшивки куполов как несущие и ограждающие элементы, что приводит к значительной экономии материала при их возведении. Ниже приводятся основные типы конструктивных решений куполов.

По своей конструкции купола могут быть различных типов: ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые со связями, сетчатые и пластинчатые. Конструкция ребристых куполов состоит из трех основных элементов: нижнего опорного кольца, радиально расположенных плоских ребер и верхнего опорного кольца. Плоские радиальные ребра соединяются между собой в вершине с помощью верхнего кольца, а внизу обычно опираются на нижнее опорное кольцо. В этом случае составляющие опорного давления от ребер на фундаменты будут только вертикальными. Горизонтальная составляющая воспринимается опорным кольцом. Верхние пояса ребер образуют наружную поверхность купола, представляющую собой поверхность вращения. Верхнее кольцо при несимметричных нагрузках, кроме сжатия, подвергается кручению, поэтому его сечение следует выполнять жестким.

Степень жесткости присоединения ребер у вершины купола зависит от конструкции этого узла. Если для присоединения ребер применяется сварка, то сопряжение в вершине ребер с кольцом можно принимать жестким. Нижнее опорное кольцо выполняется в виде многоугольника, число сторон которого соответствует числу ребер.

В случае устройства круглой формы нижнего кольца должен учитываться местный изгиб от кривизны кольца. Опирающиеся на ребра промежуточные кольцевые прогоны обладают малой жесткостью либо недостаточно жестко присоединены к ребрам, и поэтому они не оказывают существенного влияния, на деформацию ребер.

Ребра купола могут быть сквозными (в виде легких ферм) или сплошного сечения. Сплошные ребра тяжелее, проще в изготовлении, особенно при использовании прокатных балок. Для обеспечения общей жесткости купола необходимо в плоскости ребер по крайней мере в двух секторах устанавливать связевые панели, идущие от вершины купола до его опор.

Ребристо-кольцевые купола. Если в ребристом куполе включить в работу кольцевые прогоны, то получим пространственную конструкцию, состоящую из плоских ребер, установленных в радиальном направлении и соединенных между собой рядом колец, образующих совместно жесткую пространственную систему. Кольца, помимо нормальных усилий, возникающих при работе купола, в целом могут работать так же на местный изгиб как прогоны. В очерченную кривую купола вписывается многоугольник, и в конечном счете получается многогранник.

Ребристо-кольцевой купол рациональнее и легче ребристого купола, поскольку в работу включаются все элементы конструкции. Если присоединение колец к ребрам осуществляется жестко, то такая конструкция является неизменяемой. При шарнирном присоединении колец к ребрам обязательно следует устраивать жесткие связевые панели, обеспечивающие устойчивость купола.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями. Купола с решетчатыми связями решаются в виде многогранников, вписанных в поверхность вращения и состоящих из меридиональных ребер и колец, между которыми располагаются раскосы.. Усилия, возникающие от внешних нагрузок, частично воспринимаются связями, уменьшая при этом усилия в ребрах и кольцах, что способствует появлению многочисленных слабоработающих элементов решетки со сложными узлами сопряжений в местах перелома грани купола.

Снизу купола завершаются нижним растянутым опорным кольцом, воспринимающим распор купола; сверху купол обычно срезается горизонтальной плоскостью и имеет верхнее кольцо, к которому присоединяются все ребра.

Все ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями могут выполняться по двум схемам:

1) ребра соединяются между собой попарно решеткой так, что через один сектор проходят только кольца без связей;

2) решетчатые связи устраиваются непрерывными во всех секторах; в этом случае конструкция купола приближается к сетчатой.

Сетчатые купола. Если в ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением в узлах. В сетчатых куполах усилия распределяются по всем элементам поверхности купола, и при шарнирном присоединении все стержни работают только на осевое усилие.

В настоящее время сетчатые купола получили широкое распространение ввиду их легкости и красивого рисунка. Системы сетчатых куполов весьма разнообразны. Они, как правило, компонуются из трубчатых и уголковых стержней, образующих непрерывную решетку. Основным недостатком сетчатых куполов является большое количество различных элементов, узлов и соединений, в связи с чем увеличивается трудоемкость их изготовления и монтажа.

В последние годы развитие сетчатых куполов идет в направлении компоновки их из одинаковых серийно изготавливаемых элементов. Осуществлены звездчатые купола, все грани которых являются треугольниками, а также геодезические системы куполов, несущие элементы которых являются ребрами многоугольника, вписанного в сферу. Стержни сетчатых куполов большей частью выполняются из труб, узлы осуществляются на штампованных фасонках, шаровых сердечниках или патрубках.

В несущую систему куполов часто включаются ограждающие конструкции, состоящие из штампованных алюминиевых или стальных листов. Сетчатые купола являются распорной системой. Для восприятия распора обычно устраивается нижнее опорное кольцо, которое служит основным элементом несущей конструкции купола. За рубежом широко используются сетчатые купола, предложенные Б. Фуллером. Они состоят из стальных трубчатых треугольников или шестиугольников, монтируемых на сферической поверхности. Покрытие куполов выполнено из алюминиевых или стальных штампованных листов либо светопрозрачных материалов.

Основное преимущество этих конструкций состоит в применении однотипных элементов и заполнении сетки легкими материалами, включая светопрозрачные. Монтаж куполов может осуществляться без лесов, путем подращивания при помощи домкратов или пневматических устройств.

Пластинчатые купола. На основе членения куполов, принятых для различных конструктивных решений, были разработаны пластинчатые купола, которые собираются из штампованных пластин. Применяя различные типы разрезки, можно - создать ряд плоскостных пластинчатых элементов в виде четырехугольников, треугольников, ромбов или шестигранников, из которых могут быть собраны купола.

Невысокая стоимость, быстрота монтажа, малый вес и надежность позволяют применять эти конструкции для больших диаметров куполов. Пластинчатые купола получили широкое распространение в США.

Следует особо отметить, что все перечисленные стальные купола являются распорными системами, и для восприятия распора, как правило, устраивается нижнее опорное кольцо, которое является основным несущим элементом конструкции. В отдельных случаях, при наличии скальных или им подобных грунтов, распор может быть передан непосредственно на конструкцию фундаментов.

Усилия в ребристых и ребристо-кольцевых куполах со связями или без связей можно определять на электронно-вычислительных машинах по различным программам. Ниже приведен пример расчета ребристо-кольцевого купола на ЭВМ.

Схема металлических купольных покрытий а —ребристый купол; б —ребристо-кольцевой; в — ребристо-кольцевой купол со связями через сектор; г —то же, со связями в каждом секторе

Сетчатые купола можно рассчитывать, как оболочку по безмоментной мембранной теории, по формулам, приведенным в табл. 3. Безмоментная теория может быть применена даже для оболочки, обладающей значительной прочностью на изгиб, а изменение кривизны, вызываемое большей частью нагрузок, настолько мало, что не имеет практического значения. Безмоментная теория имеет еще и то преимущество, что она пригодна для любой формы срединной поверхности купола положительной кривизны и почти для всех сплошных встречающихся в практике нагрузок. Значительным преимуществом безмоментной теории является статическая определимость усилий.

Для определения усилий в стержнях купола всегда можно выделить стержень, на который усилия собираются с определенной «силовой» площади. Кроме осевых усилий стержни могут испытывать, в зависимости от конструкции покрытия изгиб от местных нагрузок, который должен быть учтен при подборе сечения.

Опирание нижних колец на фундаменты должно выполняться таким образом, чтобы обеспечить свободное перемещение в радиальном направлении. Для этого при больших диаметрах куполов (более 30 м) следует либо устраивать катковые опоры, либо обеспечить подвижность кольца путем устройства под ним графитовой смазки или прокладок из материала, имеющего низкий коэффициент трения, например из нафтлена, имеющего высокие прочностные показатели и коэффициент трения, равный 0, 02.

На верхнем рисунке а, б, в показаны различные схемы ребристых и ребристо-кольцевых купольных покрытий, а на нижнем рисунке — покрытий сетчатой конструкции:

1) простейшая схема сетчатой конструкции покрытия состоящая из меридиональных ребер, колец и крестовых связей между ними во всех трапециевидных секциях (нижний рис.).

2) сетчатая конструкция, использованная при возведении купола диаметром 196 м над крытым стадионом в г Хьюстоне и диаметром 207 м над крытым стадионом в г. Новый Орлеан (США). В обоих случаях купол состоит из 12 главных меридиональных арочных ребер, объединенных поверху центральным кольцом и упертых нижними концами в опорное кольцо пяти промежуточных кольцевых ребер и перекрестных второстепенных ребер, параллельных главным, и таким образом образуются треугольные ячейки; сечения ребер и колец имеют одинаковую высоту (нижний рис., б);

3) сетчатая конструкция, разработанная ЦНИИПроект-стальконструкцией для покрытия над испытательным центром, представляет собой, эллипсоид вращения диаметром по экватору 234 и по низу 224 м, высотой- 112 м. Купол собирается из ребристых панелей треугольной формы с размерами сторон 9 м без лесов. Наружная сторона панелей представляет собой предварительно напряженную мембрану толщиной 1, 5 мм, которая служит кровлей здания (нижний рис., в).

Схемы металлических куполов сетчатой конструкции а—ребристо-кольцевая со связями во всех секторах; б — американская схема сетчатого купола; в —сетчатый купол, разработанный ЦНИИ Проектстальконструкцией

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 789 Следующая ⇒