Бетонные купола и цилиндрические оболочки

 

бетонные купола и цилиндрические оболочки

Хотя авиационные ангары в Орли и Зал Столетия в Бреслау были объектами, где в конструкциях действовали громадные изгибающие усилия, для их строительства требовалось материала в несколько раз меньше, чем для зданий с классическими куполами и сводами. Масса конструкций может быть еще более уменьшена при использовании мембранных оболочек.

Уже, по крайней мере, в течение двух веков было известно, что гибкий материал, такой, как кожа или тонкий лист металла, может как мембрана выдерживать определенное давление жидкости. Задача была решена двумя французскими инженерами Ж. Ляме и Е. Клапейроном, бывшими в то время профессорами в институте инженеров путей сообщения в Санкт-Петербурге. Их решение задачи о работе мембраны под давлением, содержащееся в «записке» из 100 страниц, в которой дается общая теория упругости, было подано во французскую Академию. Решение этой проблемы было рассмотрено Навье в 1828 г. и опубликовано.в «Воспоминаниях различных ученых» в 1833 г. Оно также было освещено в Англии Тодхантером и Пирсоном.

Мембрана, воспринимающая усилия только в своей плоскости, может служить конструктивным элементом. Поскольку она не требует толщины для восприятия изгибающих и крутящих моментов или поперечных сдвигающих усилий, она может быть настолько тонкой, насколькопозволяют конструктивные требования и необходимость водозащиты. Поэтому мембранные конструкции очень легки.

В действительности тонкая оболочка не может быть построена при наличии заметных изгибающих напряжений, так как внутренний момент сопротивления требует наличия плеча пары сил а и оболочка должна быть достаточно толстой для его восприятия. Альтернативным решением, примененным Фрейссине в ангарах в Орли, является использование складок, в которых растягивающие и сжимающие усилия действуют в противоположных волнах складок, и за счет высоты, цилиндрический свод спортивного стадиона для шоколадной фабрики близ Филадельфии и крытый стадион для Олимпийских игр 1936 г. в Берлине.

По теории расчета мембран оболочки являются статически определимыми конструкциями. Решение может быть получено с определением усилий, действующих в направлениях х, у и г, а затем и изгибающих моментов. Хотя эта теория дает весьма сложные уравнения, они относятся к области дифференциальной геометрии. В связи с этим требуется описать поверхность оболочки зависимостями, удобными для составления уравнений равновесия. Дишингер и Бауэрсфельд получили решения для сферических, параболических и эллиптических куполов, конических и цилиндрических оболочек. Позднее Ф. Аймонд получил решения для мембранных напряжений в гиперболическом параболоиде, а М. Соар — для коноида.

Положения теории полностью отвечают условиям плавающей в пространстве полной сферы. Они также подходят для небольших полусферических оболочек типа Йенского планетария и других планетариев, построенных позже в виде полусферических бетонных оболочек. В полусфере оболочка удерживается работающим на растяжение кольцом и нет необходимости в восприятии горизонтальных реакций, которые возникают в полуциркульных арках. Реакции полусферических оболочек теоретически чисто вертикальные и легко воспринимаются стеной или тонким кольцом, опертым на колонны. Так как напряжения в кольце основания купола растягивающие, оболочка слегка расширяется, но если только оболочка не закреплена жестко к поддерживающей ее конструкции, изгибающие напряжения в кольце очень невелики.

Проблемы возникают, например, в случае полого сферического купола,, дуга которого соответствует 60° круга. Такой тип купола применялся в Византии й мусульманских странах, а также в современной архитектуре. В -здаздиях XX в. использование плоских куполов объясняется главным образом. Функциональными факторами. Купол в классической архитектуре и архитектуре эпохи Возрождения нес эстетические - функции создания монументальности здания, его высота должна была усиливать впечатление от здания. Здание не отапливалось. Планетарий был специализированным зданием,- где полусфера, изображавшая небесный свод, была нужна для: проектирования на нее движения звезд. Для других современных зданий, однако, отношение -высоты к. диаметру 1 : 2 излишне большое. Оно увеличивает объем воздуха в помещении, который нужно нагревать; кроме того, возрастает стоимость опалубочных работ и материалов, затрачиваемых на строительство свода. Особые трудности пред-ставляет бетонирование крутой части полусферы.         

Пологий свод имеет, однако, наклонную реакцию. В Византийской архитектуре она воспринималась контрфорсами или дополнительными полусферами, что также возможно в железобетонных куполах, а в нескольких случаях так и делалось.

Это был дорогостоящий способ восприятия наклонных реакций. Значительно проще и дешевле было предусмотреть железобетонное кольцо, выполненное монолитно с куполом. Поскольку кольцо воспринимает горизонтальные усилия, оно расширяется, когда купол нагружен. Это происходит, когда опалубка. снимается и купол начинает нести, свою массу.. Усилия в сечениях пологого купола только сжимающие; нижний край  оболочки сжимается и, следовательно, кольцо создает в оболочке изгибающие усилия.

Подобное явление характерно и для всех цилиндрических оболочек, так как в них необходима постановка связей или краевых рам, препятствующих распрямлению цилиндрического свода в плоский лист. Взаимодействие оболочки и связёй создает в крайних участках свода напряжения изгиба, кручения и сдвига, из которых чаще всего наибольшим является изгиб.

В небольших оболочках достаточно увеличить толщину у опор и предусмотреть стержни арматуры или сварные сетки у обеих поверхностей, чтобы обеспечить восприятие изгиба арматурой.

В оболочках с большими пролетами изгибающие моменты следует обязательно учитывать расчетом.

Общие формулы теории изгиба толстых оболочек были опубликованы в виде дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных Э. И. X. Лявом, профессором натурфилософии в Оксфорде в 1888 г. Решение для сферического купола было получено X. Рейсснером в 1912 г., но оно оказалось слишком сложным для практического применения при проектировании. Бауерсфельд пригласил Дж. У. Гекелера для разработки более простого решения куполов. Это решение было опубликовано в «Инженерных исследованиях». Они включали теорию устойчивости оболочек, которая была впоследствии проверена испытаниями на моделях, выполненных из металлических листов.

С 30-х годов советские инженеры проявили особый интерес к теории расчета оболочек, и «Общая теория оболочек» В. 3. Власова, опубликованная в Москве в 1949 г., стала основой для большинства последующих трудов по теории упругости.

Квадратная и прямоугольная форма помещения наиболее удовлетворяет функциональным требованиям большинства торговых и промышленных зданий. Купола возводились на квадратных планах, прямоугольные помещения легко перекрывались цилиндрическими оболочками. Большая популярность оболочек в конце 40-х и начале 50-х годов XX в. в Восточной и Западной Европе, в Северной и Южной Америке частично объясняется нехваткой стали после второй мировой войны. Повреждения, причиненные незащищенным стальным конструкциям вследствие воздушных бомбардировок, могли повлиять на решение проектировщиков, выбиравших железобетонные конструкции для гаражей и промышленных зданий. В 60-х годах повышение стоимости рабочей силы оказалось сдерживающим фактором для дальнейшего распространения криволинейных бетонных конструкций в Западной Европе и Северной Америке, а совершенствование сварки и соединений на высокопрочных болтах привело к тому, что стальные каркасы оказались более экономичными.

Имеется два основных типа цилиндрических оболочек. Одни называются «короткими оболочками», так как прямолинейные образующие идут в коротком направлении. В этом типе оболочек усилия распора воспринимаются горизонтальными связями или жесткими арками, являющимися основными элементами конструкции. Теория расчета мембран дает хорошее решение для оболочек с небольшим пролетом. Такие оболочки служат также конструкцией покрытий, что создает четко выраженную кривизну, аналогичную сводам Древнего Рима и эпохи Возрождения.

В оболочках второго типа, называемых «длинные», прямолинейные образующие идут вдоль длинной стороны конструкции. Усилие распора определяется теорией изгиба, а теория расчета мембран не может быть использована для проектирования этого типа конструкций. Хорошее приближение к точному решению теории изгиба оболочек достигается, если рассматривать оболочку как прямую балку с криволинейным поперечным сечением.

Различие между длинными и короткими оболочками определяется направлением их образующих независимо от размеров оболочек. Таким образом, покрытие из длинных оболочек воспринимается как плоское, образованное из элементов, имеющих кривизну. В то же время короткая оболочка из-за кривизны в длинном направлении выглядит как сводчатое покрытие.

Проектирование цилиндрических оболочек было значительно упрощено в 50-х годах после опубликования двух руководств по проектированию, включающих детальные таблицы. В конце 60-х годов трудности расчета оболочек всех типов были в большинстве своем решены благодаря разработке соответствующих программ для ЭВМ с использованием сначала метода конечных разностей, а затем МКЭ расчетплавно искривленных оболочек почти любой геометрической формы стал практически реализуем.

Мембранные усилия в куполах весьма малы, особенно у их вершин. Поэтому в этой части купола могут быть прорезаны достаточно большие отверстия для доступа дневного света. В большей части оболочки армирование может быть только конструктивным. Однако, если купол опирается на точечные опоры, большая концентрация усилий требует повышенного армирования. Оба положения нашли отражение в решении здания рыночного зала в Алжесирасе в Испании, построенного по проекту Эдуардо Торройи в 1933 г., — одного из первых купольных зданий с плоской формой купола, малой толщиной бетонной оболочки без ребер и с большим отверстием для верхнего света.

Другим интересным купольным сооружением с точечными опорами является здание аэровокзала в Сент-Луисе, конструкции которого фактически представляют собой готический пересекающийся свод из тонкостенных оболочек.

Выставочный павильон Национального Центра индустрии и техники в Париже перекрыт своеобразным крестовым сводом, хотя и построенным на треугольном плане. Эта сводчатая конструкция имеет громадный пролет — 219 м, что вызвало трудности обеспечения устойчивости. Поскольку свод покоится только на трех опорах, появились изгибающие Моменты. Поэтому конструкция свода была решена в виде двух оболочек с промежуточными диафрагмами жесткости, идущими через 9 м, что, в известном смысле, представляет собой возвращение к концепции Брунеллески, выраженной им в решении купола Флорентийского собора. В этой конструкции толщина оболочки была 60 мм и поэтому общая толщина двух оболочек составляла только 120 мм. Пространство между оболочками 3,75 м было достаточным для обслуживания и обеспечивало достаточное плечо для восприятия изгибающего момента. Горизонтальные реакции воспринимались предварительно напряженными тросами в конструкциях пола.

Когда это сооружение было построено на Рон-Поэн ля Дефанс — важной магистрали, идущей от Парижа на Сен Жермен, его окружали только небольшие здания, которые оно подавляло своими размерами. Вершину его свода можно было увидеть только с самолета или с Эйфелевой башни. Спорным был вопрос о необходимости такого большого свободного пролета для выставочного павильона. Здание выглядело слишком большим как для своего назначения, так и для окружающей застройки. Впоследствии недалеко от выставочного павильона была построена группа наиболее высоких в Европе зданий, что создало визуальный баланс.

Источник материала: grensi.com

Категория: Архитектура
 
 
Нравится  
 
 
 
 
 
 
 
Комментариев нет
 
 
Оставьте комментарий
Имя*:      
Ваш e-mail*:     (не отображается)
Адрес веб-сайта:      
 
 
Имя:  
Цитата:  
    Закрыть
 
 
 
 
* - обязательные поля
 
 
Сайт продается, присылайте
свои предложения на
cloudinfo@ya.ru