Цилиндрические оболочки

Лекция 21

Современные пространственные деревянные конструкции: примеры конструктивных решений и особенности расчета. Пологие оболочки на прямоугольном плане, купола, структурные конструкции, висячие конструкции, гипары и др.

21.1. Пологие оболочки на прямоугольном плане. В отличие от пластин оболочка на прямоугольном плане положительной кривизны испытывает преимущественно усилия от сжатия. Усилия от растяжения и сдвиги в плоскости покрытия концентрируются в угловых зонах оболочки. Усилия от действия изгибающих моментов и поперечной силы в оболочках малы по сравнению с пластинами. Конструктивно оболочки обычно состоят из контурных арок, арок продольных, арок поперечных (прерывистых), элементов ограждающих конструкций (панели, настил), заполнения швов между панелями (вклеенные арматурные стержни). В основе конструктивного решения - узловые соединения арок, способы включения в работу ограждающих конструкций. Наиболее известный пример пологой оболочки - цех паркета на Волоколамском заводе клееных конструкций (рис. 21.1)[1]. Расчет оболочек представляет собой серьезную задачу, особенно при учете всех конструктивных особенностей. Грубо приближенно расчет оболочки можно свести к расчету отдельной арки.

Рис. 21.2. Цилиндрические оболочки: длинная (а), короткая (б); конструктивное решение

Цилиндрические оболочки

Цилиндрические оболочки различают длинные и короткие. Длинные цилиндрические оболочки имеют контурные диафрагмы и бортовые элементы, систему криволинейных и прямолинейных ребер, элементы ограждения. В угловых зонах необходимо предусмотреть элементы, воспринимающие сдвиг в плоскости оболочки (рис. 21.2).

Короткие цилиндрические оболочки представляют собой часто поставленные криволинейные ребра-арки и настил, включающийся в работу всей системы посредством работы связей. Пример такой оболочки - покрытие стадиона «Локомотив» пролетом 42 м в г. Москве [2].

Другой пример коротких цилиндрических оболочек малого пролета – это своды из криволинейных панелей совмещенного типа, предназначенные для покрытий галерей производственных зданий. Размеры таких панелей (1,2-1,5)х(9-15) м.

Приближенный расчет криволинейных панелей и аналогичных по конструкции полигональных сводов можно свести к расчету двух или трехшарнирных арок с учетом частичного включения обшивки в работу свода[3].

Купола

Деревянные купола часто встречаются в строительной практике, так как имеют достаточно простое и эффективное конструктивное решение. Основные элементы, куполов (ребра или гурты), работают в основном на сжатие и внецентренное сжатие.

Среди ребристых куполов различают радиальные и радиально-кольцевые системы, состоящие из меридиональных ребер, кольцевых прогонов, связей жесткости, внутреннего и наружного опорных контуров, а также элементов ограждения (рис. 21.5). Ограждающие конструкции могут быть включены в общую работу пространственной конструкции. Внутренне кольцо сжато, а наружное растянуто. Расчет ребристого купола (приближенно) можно свести к расчету отдельно взятой арки, нагрузка на которую собирается с треугольного сектора.

Сетчатые сферические купола [4] могут быть созданы двумя основными способами.

Первый способ предполагает деление сферической поверхности на равновеликие сектора, в границах которых тем или иным образом строится треугольная сеть.

С помощью этого приема были разработаны купола Шведлера, Фёппля, Чивитта, Чебышева и др.

Второй способ построения конструктивной сети основан на использовании геометрии правильных многогранников (додекаэдра и икосаэдра), вершины которых служат исходными узловыми точками будущей сети.

Во всех случаях сетчатые купола образованы отдельными короткими стержнями, образующими пространственную систему из выпуклых многогранников, вписанных в сферическую поверхность. Специально разработанные узловые элементы стержней позволяют получать конструкции пролетом свыше 100 м из сравнительно коротких элементов.

Рис. 21.5. Конструкции ребристых куполов

21.4. Структурные конструкции и системы перекрестных балок [5]. Структурные конструкции могут быть стержневыми и пластинчато-стержневыми. Во многих случаях растянутые элементы выполняются из металла. Главное преимущество структурных конструкций – это возможность перекрытия больших пролетов, используя однотипные элементы и узловые соединения. Системы перекрестных балок (дощатоклееные и клеефанерные, - СПБ) по сравнению со структурными конструкциями более материалоёмки, но и более просты в устройстве. Расчет структурных конструкций и СПБ следует выполнять с учетом особенностей их конструктивного исполнения. В простых случаях приближенно можно определить усилия в этих системах на основе технической теории пластин (по таблицам Справочников). Однако для этого необходимо владеть методикой перехода от стержневых плит регулярной структуры к эквивалентным сплошным плитам.

21.5. Оболочки отрицательной Гауссовой кривизны (гипары) [6]. Преимуществом гипаров является то, что они относятся к так называемым линейчатым, развертывающимся поверхностям. Другими словами сложная пространственная форма может быть образована из прямолинейных элементов. Имеется два основных способа конструирования гипаров (рис. 21.10). Способ 1: оболочка гипара образована системой перекрестных дощатых настилов, расположенных параллельно главным диагоналям опорного контура. Замкнутый опорный контур выполняется из клееных балок. Способ 2: оболочка формируется из слегка скрученных фанерных панелей-полос. Гипары пролетами 6-18 м достаточно просты в устройстве и в ряде регионов имеют популярность (Кишинев, Одесса, Таллинн). Башни в форме гиперболического параболоида стержневой системы, в том числе деревянные, впервые были предложены выдающимся инженером В.Г. Шуховым.

Рис. 21.10. Конструктивное решение гипара

21.6. Висячие конструкции с использованием в качестве основного несущего элемента деревянных вант из высококачественной клееной древесины не только необычны и выразительны по форме, но и достаточно экономичны, поскольку прочность отборной древесины на растяжение очень высока. В зависимости от соотношения усилий от изгиба и сжатия, а также соответствующих жесткостей различают гибкие и жесткие (например, «обратные» арки) ванты. Для гибких вантовых конструкций важнейшей задачей является стабилизация формы покрытия.

21.7. Кружально-сетчатые конструкции -это отдельный совершенно специфический способ образования разнообразных по форме деревянных пространственных конструкций. В период 1930-1950 гг. кружально-сетчатые пространственные конструкции применялись в большом количестве (купола, своды). Свою актуальность эти системы не потеряли и в настоящее время. Основой кружально-сетчатых конструкций является деревянный короткий элемент - «косяк». Косяки, располагаясь в перекрестных направлениях по винтовой линии, образуют необходимую форму покрытия. Своды с сопряжением косяков в «шип-паз» называли сводами С. Песельника. Своды с сопряжением косяков на болтах называли сводами Цольбау.

 

 

[1] Исследования оболочек на прямоугольном плане выполняли: К.П.Пятикрестовский, С.Б.Турковский, А.В.Тюрин

[2] См. работы К.П. Пятикрестовского

[3] Исследования криволинейных фанерных панелей выполняли: В.П.Герасимов, Пискунов, Д.В.Мартинец

[4] Исследования многогранных куполов выполняли: А.А. Журавлев, Б.В.Миряев

[5] Исследования структурных металлодеревянных систем и систем перекрестных балок выполняли Г.В. Кривцова, В.В. Лабудин, В.Кабанов, Рузиев, Галушко

[6] Исследования деревянных гипаров выполняли В.В.Стоянов, К.Ыйгер