Пространственные решетчатые конструкции

 

пространственные решетчатые конструкции

Треугольные фермы проектировались в XIX в. из растянутых и сжатых элементов, воспринимающих изгибающие моменты. В XX в. фермы с параллельными поясами иногда рассматривались как сплошные балки с отверстиями, вырезанными там, где материал не требуется. В них верхний пояс воспринимает сжимающую составляющую изгибающего момента, нижний пояс воспринимает его растягивающую составляющую, а соединительные элементы воспринимают перерезывающие силы, возникающие под действием нагрузки.

Таким же образом и пространственный каркас можно рассматривать как пространственную систему из линейных элементов или как оболочку с отверстиями, прорезанными в ней. Такое рассуждение может быть распространено и на металлические купола. Усилия в элементах определяются из уравнений равновесия горизонтальных и меридиональных составляющих усилий в кольце и меридиональных усилий, необходимых для устойчивости оболочки купола. С появлением машинных программ для пространственного каркаса этот метод перестал быть простейшим способом расчета, но он отражает связь между работой бетонных и металлических куполов.

Простейшая плоская или пространственная рама, образованная из прямолинейных элементов, состоит из системы треугольников. Эта конструкция может быть рассчитана только статическими методами, если элементы соединены на шарнирах, т. е. не жестко. Принцип построения купола, состоящего из треугольников, был впервые предложен И. В. А. Шведлером, который в 1863 г. построил первый металлический купол пролетом 30 м над газовым резервуаром в Берлине. Купола Шведлера имели вертикальные ребра, подобно меридианам земного шара, горизонтальные кольца и диагональные элементы, которые образовывали треугольники.

Для симметричной нагрузки могут быть применены простые способы расчета с использованием метода вырезания узлов, принятого Шведлером и последующими проектировщиками. Однако это утомительный метод, если число треугольников, составляющих конструкцию купола, значительно, но в противном случае купол имеет угловую форму и покрытие становится сложным.

Графический метод Карла Кульмана был также трудоемким, так как требовалось построение трехразмерных диаграмм сил с проектированием их на две плоскости — вертикальную и горизонтальную. Первый получивший признание метод был разработан Ричардом Саусвеллом в 1920 г. для расчета самолетных рам.

Метод коэффициентов растяжения Саусвелла был модификацией метода Журавского. В последнем использовались тригонометрические функции, поэтому он был неудобен для использования при трехмерном пространстве. Саусвелл выразил тригонометрические функции как отношение координат к длине элемента и, таким образом, получил уравнения в декартовых координатах. Их было легче решать в трехмерном пространстве. Кроме того, эти уравнения могли быть выражены в матричной форме, что позднее сделало их подходящими для машинных вычислений. Шведлер сам построил купол с диаметром 63 м в Вене. В 1954 г. купол такого же типа диаметром 91 м был построен для Колизея в г. Шарлотт, штат Северная Каролина. До сих пор он является самым большим куполом такого рода. Сетчатый купол, в котором треугольники разделяются на более мелкие, представляет собой модификацию купола Шведлера. Когда схема купола образуется из развитых в плане элементов с раскосами, можно перекрывать большие пролеты. Наиболее крупные сооружения с куполами этого типа — стадион Харрис Конти, более известный как «Астрономический купол» в Хьюстоне, который был спроектирован компанией «Руф Стракчес» из Сент-Луиса и построен в 60-х годах, и Луизианский суперкупол в Нью-Орлеане, спроектированный Сведерупом и Парселом из Сент-Луиса и построенный в 1973 г. Диаметр этого купола — 207 м, что, однако, все же меньше диаметра крупнейшего железобетонного купола. Эти большие купола имеют жесткие узлы и поэтому являются статически неопределимыми конструкциями. Для их расчета требуются высчислительные машины большой мощности.

Третий принципиально отличный тип купола образуется пересечением регулярно размещенных окружностей. Этот тип отличается от куполов Шведлера и сетчатых куполов, состоящих из больших и малых колец. Наиболее известным из ранних куполов такого типа был «Купол открытий», представляющий собой алюминиевую конструкцию со стальным кольцом, работающим на растяжение. Купол был построен для лондонской Всемирной выставки 1951 г. и позднее разобран.

В 1954 г. Ричард Бакминстер Фуллер запатентовал конструкцию из системы равномерно пересекающихся ребер под названием геодезический купол. Большинство конструкций существующих геодезических куполов разработаны на принципах, заложенных в патентах Фуллера. Эти купола различны по размерам — от маленьких игрушечных каркасов до огромных промышленных сооружений, таких, например, как завод Юньон Танк Кар Компани в Батон Руж, штат Луизиана, с диаметром купола 117 м.

Для малых куполов принимается однослойная конструкция из труб. Для больших пролетов требуется соединение между собой двух слоев для восприятия изгибающих моментов от ветровой нагрузки, а также для снижения опасности потери устойчивости отдельных трубчатых элементов.

Принцип составления оболочки из линейных элементов может быть логически распространен на рамы любой формы. Прямолинейные стальные элементы могут быть собраны в пространственные решетки в форме купола, гипара, но могут образовывать также и решетчатую пространственную плиту.

Хотя пространственные решетчатые системы имеют «машинную эстетику», которая делает их подходящими для технической выставки или промышленного здания, их главным преимуществом является легкость. Плоские фермы более экономичны, чем. балки перекрытий, так как они имеют большую высоту и, следовательно, требуют меньшего расхода материала. В свою очередь, пространственные решетчатые системы требуют меньше материала, чем плоские фермы, поскольку они могут быть выполнены более развитыми по высоте и не возникает опасность- потери устойчивости.

Это преимущество, однако, часто уравновешивается повышенной стоимостью соединения элементов. Сборка узлов на месте строительства тоже слишком дорога для большинства типов, пространственных решетчатых систем.

Если бы механизация производства в масштабах, обычных для автомобильной или авиационной промышленности, могла быть внедрена в строительную индустрию, то пространственные решетчатые системы немедленно стали бы= оптимальным вариантом конструкций. Многие сторонники новой школы архитектуры в 20-х годах нашего века полагали, что пришло время для строительства зданий, изготовляемых в заводских условиях, что было особенно заметно в Германии, где были изобретены первые пространственные системы.

В 1937 г. в Германии был разработан узел MERO, который используется и в наши дни. Он представляет собой стальную отливку с гранями под 45° одна к другой, которая может служить для соединения 18 стержневых элементов. Узел имеет 18 плоских сторон с резьбовыми отверстиями для соединения с резьбой; соединительных наконечников, которые приварены к концам стержневых элементов.  

Узел имеет компактную аккуратную форму, но его изготовление дорого. Используя его, можно быстро собрать конструкцию из стальных труб любой длины: и любой - геометрической формы с учетом соединения элементов под углом 45°.

В 50-х годах в Мичиганском университете в Энн Арбор было проведено научное исследование, финансированное Чарльзом. У. Аттвудом. Узлы этой системы состояли из пластины, штампованной так, чтобы к ней можно было осуществить болтовое соединение девяти элементов под углом 45 и 90°. Этот узел был более дешевым, но недостаточно универсальным в использовании, чтобы найти широкое применение.

В то же время А. И. Фенитмен в Канаде разработал узел, выполненный из алюминия штамповкой с отверстиями, в которые впрессовывались сплющенные алюминиевые трубы. Эти узлы могли служить для соединения девяти элементов. Изгибая трубы под нужным углом, можно было производить соединения под любыми углами. Позднее в связи с высокой стоимостью алюминия стали применять стальные трубы, но соединительные элементы продолжали выполняться из алюминия, поскольку для их сложной формы более экономично было штампование. Соединительный узел был особенно удобен для небольших геодезических куполов и других относительно небольших сооружений, в которых возможны большие прогибы в результате заводских допусков на изготовление: элементов.

С середины 60-х годов интерес к пространственным решетчатым конструкциям возобновился. Было получено несколько новых патентов на соединительные узлы. Узел — типичный представитель узлов нового положения, сложных по конструкции, высокопрочных и дорогих, но легких в сборке.

Вновь возвращенная популярность пространственных конструкций отчасти обязана дальнейшим исследованиям и отчасти развитию вычислительной техники, которая сделала возможным поиск наиболее экономичных решений благодаря точному расчету конструкций. Кроме того, сейчас чаще возникает потребность в перекрытии больших пролетов с плоскими крышами.

Источник материала: grensi.com

Категория: Архитектура
 
Предыдущая статья
Оболочки из плоских элементов
  Следующая статья
Пневматические конструкции
 
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