Конструктивные особенности тонкостенных пространственных покрытий

По способу изготовления и возведения железобетонные тонкостенные пространственные конструкции покрытий подразделяются на монолитные, сборные и сборно-монолитные (когда сборные элементы служат несущей опалубкой или, например, бортовые элементы сборные, а плита оболочка-монолитная). За рубежом применяются главным образом монолитные, в России - сборные оболочки.

Конструкция должна удовлетворять требованиям прочности, устойчивости, трещиностойкости и перемещениям под нагрузкой. В областях двухосного сжатия оболочки необходима проверка ее устойчивости. Элементы сборных оболочек должны быть проверены на прочность от усилий, возникающих в них при изготовлении и перевозки. Для повышения прочности и устойчивости элементы изготовляют ребристыми. Толщина плит должна быть не менее 30 мм, у монолитных гладких оболочек минимальная толщина 50 мм.

Максимальное значение главных сжимающих напряжений должно быть не более R_b. Класс тяжелого бетона для монолитных оболочек не ниже В-15, легкого не ниже В 12,5. Сборные оболочки изготавливают из бетона не ниже В20. Армируют оболочки сварными сетками из арматуры класса Вр-I или А-III. В зонах, где главные растягивающие напряжения больше R_bt ставится рабочая арматура; если более 3R_bt , оболочку в этих местах рекомендуется утолстить. Конструктивная арматура диаметром 5-8мм, с площадью сечения не менее 0,2% сечение бетона, ставится с шагом 200-250 мм; при толщине оболочки более 70-80 мм применяют двойные арматурные сетки. Примыкания плиты к бортовым элементам и диафрагмам следует делать плавным и армировать двойными сетками из стержней диаметром 6-10 мм с шагом не менее 200 мм.

Большие пространственные конструкции целесообразно подвергать предварительному напряжению. Напрягаемую арматуру располагают в растянутых зонах оболочек и в растянутых контурных элементах (опорные кольца куполов, бортовые элементы длинных цилиндрических оболочек, затяжки диафрагм и т.п.).

Покрытия с пологими оболочками положительной гауссовой кривизны, прямоугольные в плане

Такие оболочки являются экономичными по расходу материалов. Их размеры в плане составляют 18-36 м для промышленных зданий и достигают 100 м для общественных зданий.

В отечественной практике сборные покрытия с пологими оболочками положительной гауссовой кривизны выполнялись по трем конструктивным схемам (рис.60).

Рис.60. Конструктивные схемы сборных покрытий с пологими оболочками положительной гауссовой кривизны, образованными по поверхностям переноса (из плоских элементов 3х3м) (а); шара (из цилиндрических элементов 3х12м) (б); вращения (из цилиндрических элементов 3х6м) (в):

1 - поверхность переноса; 2 - вертикальная диафрагма; 3 - схема сборного элемента оболочки; 4 - сферическая поверхность; 5 - наклонная контурная конструкция; 6 - схема сборного элемента оболочки; 7 - поверхность вращения с горизонтальной осью вращения; 8 - сегментная ферма с треугольной решеткой; 9 - схема типового сборного элемента крайнего пояса оболочки; 10 - доборные приконтурные элементы; 11 - ось вращения

Оболочки переноса из плоских плит 3х3 м; из цилиндрических элементов 3x12 м и 3х6 м (последние типовые конструкции серии 1.466-1).

При расчете оболочки рассматривают срединную поверхность эллиптического параболоида, для которого получают более простые выражения. Многие контурные конструкции (железобетонные стены, балки и фермы) обладают весьма высокой жесткостью в своей плоскости и могут считаться практически недеформируемыми вдоль сторон контура оболочки; но они обладают малой жесткостью из своей плоскости. Поэтому в оболочке на недеформированном контуре нормальные усилия N_x=N_y=0, а сдвигающие усилия N_xy ¹0. В угловых зонах оболочки возникают значительные главные сжимающие N_гл.II и растягивающие N_гл.I усилия, действующие, перпендикулярно диагональным сечениям (рис.61). Пример расчета оболочки положительной гауссовой кривизны см. в [29].

Рис. 61. Эпюры внутренних сил и моментов в оболочке с квадратным планом:

a - усилие N_x для сечений x=0 и y=0; b – усилие N_xy для сечения x=a; в - главные усилия для сечения x=y ; г - изгибающие моменты M_x в зоне местного изгиба около стороны контура x=-a

При конструировании для восприятия растягивающих усилий в угловых зонах необходимо разместить по направлению их действия рабочую арматуру тип 1 на N_гл.I (рис.62) . По наибольшим значениям сжимающих усилий в угловых областях следует проверить прочность оболочки на сжатие и при необходимости увеличить ее толщину. В области двухосного сжатия конструктивное армирование тип – III. В этой области и в четвертях оболочки возможна потеря устойчивости оболочки [31], что должно быть учтено при конструировании. В приопорных зонах оболочек возникают изгибающие моменты, поэтому там ставятся арматурные стержни тип П, перпендикулярные контуру и предназначенные для восприятия местных изгибающих моментов M_x и M_y.

Рис. 62. Схема армирования пологой оболочки положительной гауссовой кривизны, прямоугольной в плане

Диафрагмы воспринимают с оболочки касательные усилия N_xy . На эти усилия и нагрузку от собственной массы рассчитывают конструкции диафрагмы.

Пример расчета многоволновой пологой оболочки на прямоугольном плане с соотношением сторон a/b=2 приведен в [26].

Покрытия с оболочками отрицательной гауссовой кривизны, прямоугольные в плане

Покрытия на прямоугольном плане с оболочками отрицательной гауссовой кривизны называют гипарами или гиперболическими параболоидами. Применяются две разновидности таких оболочек. В оболочках первой разновидности линии главных кривизн срединной поверхности параллельны сторонам контура основания (рис. 63,а), во второй - направлены вдаль диагоналей основания (рис. 63,б).

Рис.63. Оболочки отрицательной гауссовой кривизны, прямоугольные в плане:

а - линии главных кривизн параллельны сторонам основания; б - линии главных кривизн направлены вдоль диагоналей основания; 1 - линия главной отрицательной кривизны; 2 - то же, положительной кривизны; 3 - прямолинейная образующая; 4 - прямые линии в поверхности; 5 - вариант армирования криволинейными стержнями; 6 - то же, прямолинейными стержнями

В оболочках первой разновидности кривизна поверхности в направлении оси ox отрицательная, усилия N_x - растягивающие, должны полностью восприниматься рабочей предварительно напряженной арматурой. В направлении положительной кривизны усилия N_y- сжимающие.

Касательные усилия с оболочки передаются на контурные конструкции. Необходимо обеспечить их устойчивость, под действием усилий N_xy путем устройства специальных упоров против горизонтальных смещений (рис. 64, б) или диагональной затяжки, заменяющей эти упоры. Если оболочка опирается по контуру на жесткие стены, то они сами могут воспринять касательные усилия (рис. 64, а).

Рис. 64. Опирание оболочек отрицательной гауссовой кривизны на контурные конструкции:

а - на стены; б - на фермы; в - ферма под воздействием касательных сил с оболочки; 1 - криволинейная рабочая арматура; 2 - прямолинейная арматура; 3 - горизонтальные упоры ферм; 4 - затяжка, заменяющая горизонтальные упоры

Членение оболочки на сборные элементы аналогично оболочкам положительной гауссовой кривизны.