Классификация тонкостенных покрытий

СОЖЕДРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………………..3

Классификация тонкостенных покрытий……………………………………………....4

Тонкостенные пространственные конструкции………………………………………..6

Особенности архитектурной композиции общественных зданий

с большепролетными зальными помещениями………………………………………....9

Стадионы XXI века……………………………………………………………………....13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Большепролетные конструкции покрытий появились еще в древние времена. Это были каменные купола и своды, деревянные стропила. Так, например, каменное купольное покрытие Пантеона в Риме (1125 г.) имело диаметр около 44 м, купол мечети Айя – София в Стамбуле (537 г.) – 32 м, купол Флорентийского собора (1436 г.) – 42 м, купол Верхнего Совета в Кремле (1787 г.) – 22,5 м.

 Строительная техника  того времени не позволяла  строить в камне легкие сооружения. Поэтому большепролетные каменные  сооружения отличались большой  массивностью, а сами сооружения возводились в течение многих десятилетий. Деревянные строительные конструкции были дешевле и проще в возведении, чем каменные, давали возможность перекрывать также большие пролеты. Примером могут служить деревянные конструкции покрытия здания бывшего Манежа в Москве (1812 г.), пролетом 30 м. Развитие черной металлургии в XVIII – XIX вв. дало строителям материалы более прочные, чем камень, дерево – чугун и сталь. Во второй половине XIX в. большепролетные металлические конструкции получают широкое применение. В конце XVIII в. появился новый материал для большепролетных зданий – железобетон. Совершенствование железобетонных конструкций в XX в. привело к появлению тонкостенных пространственных конструкций: оболочек, складок, куполов. Появилась теория расчета и конструирования тонкостенных покрытий, в которой приняли участие и отечественные ученые. Во второй половине XX в. широко применяются висячие покрытия, а также пневматические и стержневые системы. Применение большепролетных конструкций дает возможность максимально использовать несущие качества материала и получить за счет этого легкие и экономичные покрытия. Уменьшение массы конструкций и сооружений является одной из основных тенденций в строительстве. Уменьшение массы означает уменьшение объема материала, его добычи, переработки, транспортировки и монтажа. Поэтому вполне естественен интерес, который возникает у строителей и архитекторов к новым формам конструкций, что дает особенно большой эффект в покрытиях.

В современной архитектуре формообразование плана является результатом развития двух тенденций: свободного плана, ведущего к конструктивной каркасной системе, и произвольного плана, требующего конструктивной системы, позволяющей организовать весь объем здания, а не только планировочную структуру. Зал – основное композиционное ядро большинства общественных зданий. Наиболее часто встре- чающаяся конфигурация плана – прямоугольник, круг, квадрат, эллипсовидные и подковообразные планы, реже трапециевидные. При выборе конструкций покрытия зала решающее значение имеет необходимость связать зал с внешним миром посредством открытых остекленных поверхностей или наоборот полностью изолировать его. Пространство, освобожденное от опор, перекрытое большепролетной конструкцией, придает зданию эмоциональную и пластическую выразительность.

При проектировании и строительстве зданий с зальными помещениями возникает комплекс сложных архитектурных и инженерных задач. Для создания комфортных условий в зале, обеспечения требований технологии, акустики, изоляции его от других помещений и окружающей среды определяющее значение приобретает конструкция покрытия зала. Знание математических законов формообразования позволило делать сложные геометрические построения (парабол, гипербол, и т.д.), с использованием принципа произвольного плана.

 

 

 

 

 

 

 

Классификация тонкостенных покрытий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Примеры тонкостенных пространственных покрытий

а. б — настилы (сводчатый, гиперболический); в, г — складки (трапециевидная, треугольная); д— Длинная цилиндрическая оболочка; е — то же. шедовая; ж — короткая цилиндрическая оболочка; З — коноидальная оболочка; и —  волнистый свод; к — оболочка положительной кривизны; л — то же, отрицательной кривизны; М — купол гладкий; И — купол волнистый; о — Оболочка-воронка; п — Шатровое покрытие;

р — висячая оболочка.

Тонкостенные пространственные покрытия могут выполняться из железобетона, армоцемента, древесины, металла и пластмасс, в частности, стеклопластика. Применяют также комбинированные конструкции, например, железобетонные оболочки в сочетании со стальными диафрагмами и др.

Железобетонные покрытия могут быть монолитными и сборными. За рубежом их возводят, главным образом, в виде монолитных конструкций с применением опалубки. В нашей стране такие покрытия осуществляют преимущественно сборными. Экономия материалов (бетона и стали) составляет, примерно, 20...30 % по сравнению с плоскими конструкциями — фермами, арками, рамами. При больших пролетах экономический эффект достигает 50 %. Максимальный эффект снижения материалоемкости получается при проектировании монолитных конструкций покрытия, возводимых на эксплуатационной отметке в специальной опалубке. Железобетонные покрытия долговечны и огнестойки.

Значительный интерес представляют армоцементные конструкции (на мелком заполнителе с армированием тканевыми сетками). Такие покрытия имеют толщину плиты в пределах 10...30 мм, что позволяет снизить собственный вес покрытия.

 

 

 

Рис. 2. Типы поверхностей с изображением криволинейных координат:

 А — двоякой  положительной кривизны (кривизны  одного знака); Б — двоякой  отрицательной кривизны (кривизны  разных знаков); В — одинарной  кривизны (кривизна в направлении  а — нулевая); 1 — выпуклая парабола; 2 — вогнутая парабола; 3 —- прямая  линия

Сводом называется пространственная конструкция с постоянным криволинейным профилем и прямолинейными образующими. Две из них (как правило, краевые) служат его опорами. Свод может быть очерчен любой выпуклой кривой —- дутой окружности, параболой, цепной линией и др. Своды призматического (полигонального) очертания состоят из прямолинейных участков, вписанных в соответствующую кривую. По продольным краям (вдоль образующей) своды могут опираться на стены, колонны, рамы или фундаменты. Характер ста» тической работы свода аналогичен арке. Распор должен быть воспринят либо опорами (стенами, ленточными фундаментами и т. п.), либо затяжками.

 

 

Рис. 3. Основные типы сводов: А — гладкий; Б Волнистый; В, Г — складчатый.     Рис. 4. Поперечные сечения сводов:  б — складчатые; в — шедовые: г, д, е — криволинейные

 

 

 

 

 

 

 

Тонкостенные пространственные конструкции

Тонкостенными пространственными конструкциями называют такие конструкции, пространственная форма которых обеспечивает их жесткость и устойчивость, что позволяет их толщину доводить до минимальных размеров. К ним относят оболочки и складки. Оболочками называются геометрические тела, ограниченные криволинейными поверхностями, расстояния между которыми малы по сравнению с другими их размерами. Складки в отличие от оболочек состоят из плоских тонкостенных плит, жестко соединенных между собой под некоторым углом. Формы разных видов оболочек различаются гауссовой кривизной, которая представляет собой произведение двух взаимно нормальных кривизн pi и р2 рассматриваемой оболоч-ки. Кривизной р называется, как известно, величина, обратная радиусу кривизны R:p = l/R 
Интерес при этом представляет знак произведения: npb отрицательном знаке оболочки двоякой кривизны имеют прогибы в разные стороны; при положительном — в одну. 
Помимо гауссовой кривизны различаются оболочки и по способу их геометрического формообразования: способ переноса и способ вращения.

Способ переноса заключается в переносе образующей линии, прямолинейной или криволинейной, вдоль направляющей линии, лежащей в плоскости, перпендикулярной плоскости образующей. Другой способ состоит из вращения образующей вокруг некоторой оси, лежащей в ее плоскости. При этом некоторые поверхности, как, например, цилиндрическая круговая поверхность и поверхность гиперболического параболоида (гипара), могут формироваться как по способу переноса, так и по способу вращения  
Цилиндрическая круговая поверхность оболочки может быть получена переносом прямолинейной образующей по круговой направляющей или круговой образующей по прямолинейной направляющей. Все другие виды цилиндрических оболочек — параболические, эллиптические и т. д. — могут быть получены только по способу переноса.

Коническая оболочка формируется вращением прямой-образующей вокруг вертикальной оси, при этом один конец образующей закреплен в некоторой точке на оси вращения, а другой движется по замкнутой кривой, находящейся в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Если эту кривую считать направляющей, а прямую— образующей, то формирование конуса происходит по способу вращения. 
Поверхность коноидалъной оболочки образуется переносом прямой, у которой один конец движется по криволинейной направляющей, а другой—по прямолинейной. Все перечисленные выше поверхности оболочек имеют нулевую гауссову кривизну: так как в сечениях, совпадающих с прямолинейной образующей, один из радиусов кривизны равен бесконечности, сама кривизна равна нулю; следовательно, и произведение обеих кривизн будет равно нулю.

Оболочки, поверхности которых получены перемещением криволинейной образующей по другой криволинейной образующей, будут также оболочками переноса. Так, например, получена поверхность бочарного - свода, криволинейная образующая которого перемещается по криволинейной оси, лежащей в плоскости, перпендикулярной плоскости образующей. Если та же образующая получит еще и вращательное движение вокруг оси у—у, лежащей в ее плоскости, то полученная криволинейная поверхность будет представлять собой поверхность тора. Сферическая оболочка может быть получена вращением части окружности вокруг оси. Если же у сферической оболочки срезаны стороны вертикальными плоскостями, выходящими из квадрата, вписанного в круг основания, то такая оболочка носит название парусной оболочки. 
Работая в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, оболочки должны проектироваться с учетом особенностей работы в каждой из этих плоскостей. Так цилиндрическая оболочка в продольном направлении работает как балка с пролетом L, у которой! в нижнем поясе возникают растягивающие усилия, а в верхней части оболочки эти усилия сжимающие. Поэтому конструктивная высота такой оболочки должна быть не менее 1/10 пролета L. В поперечном направлении цилиндрическая оболочка работает как распорная конструкция типа тонкостенной арки с пролетом 1(1<=1/2 L). Для погашения распора в этом направлении предусматриваются диафрагмы жесткости, устанавливаемые по длине оболочки с шагом, равным (1...1,5)1.

Диафрагмы жесткости цилиндрической оболочки выполняются как сплошные стены жесткости, как фермы, вделанные в оболочку как арки с затяжками. В то, же время распор, который действует между диафрагмами жесткости, должен быть воспринят так называемым бортовым элементом, который работает как балка в горизонтальной плоскости и переносит распорные усилия на диафрагмы жесткости. 
Бочарные и тороидальные оболочки в отличие от цилиндрических работают как распорные конструкции и в продольном, и в поперечном направлениях. В поперечном распор, так же как и у цилиндрических оболочек, воспринимается диафрагмами жесткости. Для восприятия же распора в продольном направлении предусматриваются затяжки. Эти затяжки заделываются по концам бортовых элементов, а в пролете подвешиваются к ним для предупреждения провисания. Если покрытие состоит из рядом расположенных нескольких оболочек, бортовые элементы, развитые в ширину, предусматриваются только в крайних пролетах. У бочарных и тороидальных оболочек диафрагмы жесткости можно предусмотреть только по торцам или же торцы решать переходом в коноиды.

Распор купольных оболочек воспринимается опорным кольцом, которое можно установить на колонны как внешне безраспорную конструкцию. Распор купола может быть воспринят также наклонными стойками и перенесен ими и на замкнутый кольцевой фундамент. Распор парусных, сводов воспринимается арматурой в парусах и бортовым элементом опорной арки с затяжкой, связывающей ее концы. Эту-арку часто заменяют сегментной арочной фермой, непосредственно опирающейся она опоры сооружения. Распор оболочки, имеющей форму гипара на квадратном плане, передается от покрытия на бортовые элементы, которые работают как балка или опираются, непомредственно на несущие стены.

По форме сечений оболочки можно разделить на гладкие, ребристые и сетчатые; по методу возведения — на монолитные, сборные и сборно-монолитные. Гладкие оболочки выполняются, как правило, монолитными. По расходу железобетона они наиболее, экономичные. 
Сборные оболочки монтируются из тонкостенных железобетонных плит, окаймленных ребрами. Ребра служат для соединения оболочки между собой, причем между ребрами оставляются швы, куда закладывается арматура, после чего швы заполняются цементным раствором. При этом получаются ребристые оболочки. 
Сетчатые оболочки могут быть выполнены по тому же принципу, что и сборные ребристые, с той лишь разницей, что их тонкостенная часть между ребрами заменена каким-либо другим неконструктивным материалом, например стеклом. Такие конструкции могут собираться и из отдельных железобетонных или металлических стержней. Особое место среди купольных оболочек занимают так называемые кристаллические собираемые из стержней или из треугольных панелей, имеющие минимальное количество типоразмеров. Такие конструкции были в 40-х годах почти одновременно предложены в Советском Союзе проф. М. С. Туполевым и в США известным конструктором Фуллером.

В покрытиях, составленных из нескольких оболочек, последние не обязательно должны сопрягаться друг с другом. Они могут быть соединены и жесткими линейными элементами — стержнями, металлическими фермами, которые могут быть использованы для организации верхнего света.

В тех случаях, когда оболочка опирается на отдельные фундаменты, расположенные в углах правильного многоугольника, распор может быть воспринят затяжками, соединяющими попарно эти фундаменты. В этих случаях фундаменты работают как безраспорная конструкция. Складки в отличие от оболочек формируются из тонкостенных плоских элементов, жестко скрепленных между собой под различными углами. 
Если сечение складки от опоры до опоры постоянно и не меняется в пролете, то такую складку называют призматической. Призматические складки в основном применяются углового и трапециевидного сечения.