Конструкции стальных куполов. Коннекторы купольных домов. Способы соединения рёбер купола. Как сделать коннектор своими руками

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Купольные конструкции

Мировой опыт строительства показывает, что одной из эффективных форм пространственных конструкций являются купола. Наиболее рациональными они оказываются при перекрытии больших пролетов. Так, если плоскостные конструкции пролетом до 40 м по металлоемкости еще могут конкурировать с купольными, то с увеличением пролета преимущество купольных очевидно. Эффективность этих конструкций возрастает с увеличением пролета и не случайно, что большинство покрытий более 200 м являются купольными. Велики и композиционные возможности таких конструкций. Они позволяют перекрывать здания универсального назначения, создавать прекрасные образцы архитектурного творчества.

Купольные конструкции известны с древних времен. Их применяли в Месопотамии, Сирии, Иране, Древнем Риме. Основным материалом при этом был камень. Первые металлические купола появились в конце 19 века. Основная заслуга в развитии этих конструкций принадлежит Феппелю и Шведлеру. В 20 веке значительный вклад в развитие купольных конструкций внесли Ледерер, Маковский, Отто, Райт, Фуллер, Туполев М.С., Липницкий М.Е., Савельев В.А.

Купола - распорные системы, имеющие в своем составе, как правило, три основных конструктивных элемента: нижний опорный контур, оболочку, верхний опорный контур.

Рассмотрим основные типологии металлических куполов:

· а) по конструкции: ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые со связями, сетчатые, пластинчатые;

· б) по форме): сферические, эллиптические, стрельчатые, зонтичные и другой формы;

Конструктивная схема купола: 1 - верхний опорный контур; 2 - оболочка; 3 - нижний опорный контур

Формы куполов: а - план сферического купола; б - поперечный разрез сферического купола; в-план эллиптического купола; г - поперечный разрез эллиптического купола; д - стрельчатый купол; е - план зонтичного купола; ж - вид зонтичного купола

· в) по стреле подъема: подъемистые (высокие) купола, при стреле подъема 1/2…1/5 диаметра и пологие, при высоте подъема 1/5 диаметра.

Ребристые купола состоят из отдельных плоских ребер, поставленных в радиальном направлении. При прямолинейных ребрах образуются пирамидальные или конические купола. Верхние пояса ребер составляют поверхность купола, в его вершине они примыкают к верхнему кольцу. Иногда при частом расположении ребер или устройстве на вершине купола фонаря кольцо получается значительных размеров; тогда в целях повышения жесткости и устойчивости его скрепляют внутренними распорками по крайней мере в двух диаметральных плоскостях.

Геометрические параметры купола: D - диаметр; f - высота подъема

Опорное кольцо проектируют в плане изогнутым по окружности или в виде многогранника с жестким или шарнирным сопряжением в углах. При достаточно частом расположении ребер возможно устройство круглого кольца. При редко поставленных ребрах опорное кольцо лучше проектировать многоугольным во избежание его работы на изгиб и кручение. Наиболее распространено жесткое многоугольное кольцо с опорами в углах, имеющими подвижность в радиальном направлении. Между ребрами обычно укладывают специальные настилы или создают мембранное покрытие. Мембранные или панельные покрытия обеспечивают общую устойчивость ребер в плоскости покрытия, уменьшая расчетную длину ребер. Возможно устройство кровли по кольцевым прогонам между ребрами.

Ребристо-кольцевые купола . Устройство и включение в работу конструкции кольцевых прогонов приводит к созданию ребристо-кольцевой схемы. Последние могут быть использованы как затяжки купола. В этом случае кольца не только работают на местный изгиб от нагрузок кровли, но и воспринимают нормальные усилия от ребер купола, а в случае жесткого сопряжения колец с ребрами - и изгибающие моменты. Однако вследствие малой жесткости колец и ребер в плоскостях, касательных к поверхности купола, влиянием жесткости узлов можно пренебречь и считать, что кольца примыкают к ребрам шарнирно.

Ребристо-кольцевые купола со связями представляют собой дальнейшее увеличение связности системы, пространственности работы, путем введения в конструкцию раскосов между ребрами.

Сетчатые купола образуются, если в ребристо-кольцевом куполе со связями увеличивать связность системы вплоть до образования крестовых связей в каждой ячейке купола, именно такую конструкцию представляет купол Шведлера, являющийся одним из первых сетчатых куполов.

Возможно и другое определение сетчатого купола, как многогранника, вписанного в сферическую или другую поверхность вращения и состоящего из одного или двух слоев конструктивных элементов, образующих треугольную, ромбовидную, трапецевидную, пяти- и шестиугольную сетку. Такие купола в ряде литературных источников называют также геодезическими или кристаллическими. Сетчатые купола обычно имеют только нижнее опорное кольцо.

Родоначальниками геодезических и кристаллических систем являются проф. М.С. Туполев (Россия) и Р.Б. Фуллер (США). Сетчатые купола являются наиболее экономичными по расходу материала вследствие пространственной работы каркаса и равномерности распределения материала по поверхности оболочки.

Пластинчатые купола собирают из металлических пластин (панелей), которые имеют выштампованные ребра жесткости, связанные между собой по контуру сваркой или узловыми соединениями.

Принципы формообразования куполов

Формообразование ребристых, ребристо-кольцевых и ребристо-кольцевых со связями куполов сводится к определению формы и координат плоской арки, образованной из двух диаметральных ребер. Форму арки определяют на этапе архитектурного проектирования, расчет координат ведут по известным формулам аналитической геометрии.

Формообразование сетчатых и пластинчатых куполов является более сложным процессом. Поэтому остановимся на этом вопросе подробнее.

Выбор и расчет геометрической схемы купола является первой и очень ответственной стадией проектирования, так как именно от этого зависит число типоразмеров элементов, конструкция узлов сопряжений, способы изготовления и монтажа элементов и в конечном итоге эффективность конструкции.

В процессе формообразования поверхности купола можно выделить три этапа: 1) выбор поверхности; 2) выбор способа разрезки (под термином «разрезка» понимается способ нанесения на выбранную поверхность сети геометрических линий каркаса купола); 3) расчет координат узлов.

Поверхности сетчатых оболочек, в основном, ограничиваются двумя классами: поверхности параллельного переноса (эллиптический параболоид, круговая поверхность переноса, гиперболический параболоид) и поверхности вращения (сфера и др.).

Преобладающее количество сетчатых куполов построено на сфере, поэтому дальнейшее рассмотрение вопросов формообразования сетчатых куполов будем проводить, исходя из построений на сфере.

Для оболочек вращения очень часто за основу принимают меридионально-кольцевую систему разрезки. Суть этой системы заключается в членении поверхности вращения меридиональными и параллельными плоскостями на треугольные (у полюса) и трапециевидные элементы.

Число типоразмеров треугольных и трапециевидных элементов при этой системе разрезки определяется числом ярусов между параллельными сечениями и не зависит от числа меридиональных сечений, а также от формы меридиональной образующей кривой. При формообразовании сферических сетчатых оболочек на плане, близком прямоугольному, используют также сеть меридианов, образованную пересечением со сферой двух пучков плоскостей с взаимно-перпендикулярными осями. Как видно из схемы, число типоразмеров элементов при такой разрезке значительно больше, чем при меридионально-кольцевой системе.

Наибольшее распространение из сетчатых оболочек вращения получили сетчатые сферические купола на круглом и многоугольном (вписанном в круг) плане. Системы разрезок таких куполов многообразны. Можно различить два основных этапа построения этих систем. Вначале производят первичную разбивку шарового сегмента на определенное число одинаковых участков, а затем выполняют окончательную разрезку каждого полученного участка на более мелкие. Первичную разбивку в основном осуществляют по меридиональной схеме или по схемам правильных и полуправильных многогранников.

Звездчатая система . Первичная разбивка такой системы - меридиональная. На сферический сегмент наносят сеть меридианов. Каждый полученный участок делят четырехугольными ячейками таким образом, чтобы два противоположных узла ячейки располагались на одном меридиане, а два других - на одной параллели.

купол сфера конструкция геометрический

Формирование сетки купола по способу разрезки сферы: а - меридионально-кольцевая разрезка; б - разрезка сферы двумя пучками меридиональных плоскостей с взаимно перпендикулярными осями

Может быть построено две разновидности сетей, применяемых для этой системы разрезки, - правильная сеть Чебышева и сеть локсодромий.

Применение правильной сети Чебышева приводит к сгущению сетки по мере приближения к полюсу купола. Использование сети локсодролий (линий, имеющих постоянный угол наклона к меридиану) частично устраняет этот недостаток, однако значительное уменьшение длины боковых сторон треугольников также вызывает сгущение сетки.

Звездчатая система: а - на основе сети Чебышева; б - на основе сети локсодромий

В звездчатой системе с применением сети Чебышева длина стержней вдоль линий сети постоянна, хотя изменение углов между стержнями приводит к тому, что число узловых элементов равно числу ярусов. При локсодромной разрезке, наоборот, узловые элементы могут быть одного типоразмера, а число типоразмеров стержней, расположенных вдоль линий сети, может быть равно числу ярусов.

Система Кайвитта. Эта система устраняет основной недостаток звездчатой системы - сгущение сетки. Первичная разбивка - меридиональная. Основание каждого полученного сектора делят на определенное количество равных участков, а затем проводят кольцевые сечения, число которых равно числу членений основания. Каждое кольцевое сечение делят на равные части, число которых в каждом последующем сечении, считая от основания сектора, уменьшают на единицу. Полученные точки соединяют и таким образом получают сеть треугольников, основание которых вдоль каждого яруса, как и в звездчатой системе, равны. Однако образованные таким способом треугольники в отличие от звездчатой схемы неравнобедренные, поэтому число их типоразмеров соответствует квадрату числа членений (ярусов).

Система « Р омб - 1 » . Сущность этой системы заключается в первичном меридиональном делении купола на сектора с последующим членением каждого сектора на ромбовидные ячейки путем нанесения правильной сети Чебышева. Если в звездчатой схеме противоположные узлы ячейки сети расположены на меридианах или соответственно на параллелях, то в данной системе линии сети Чебышева различных направлений располагаются вдоль боковых сторон сектора.

В результате такой разбивки получается достаточно равномерная сеть из равнобедренных треугольников, число типоразмеров которых приблизительно в два раза меньше, чем в системе Кайвитта. Система «Ромб-1» применена, в частности, при проектировании купола диаметром 65 м в Душанбе.

В отличие от звездчатой системы и системы Кайвитта основания секторов купола не совпадают с кольцевыми сечениями и образуют пространственную (неплоскую) кривую. Поэтому формообразование круглых в плане покрытий по данной системе затруднено.

Системы, основанные на применении многогранников, вписанных в сферу. Купола на основе этой системы выкраивают из сферы, первичную разбивку которой производят по геодезическим линиям, проведенным через вершины вписанных многогранников.

В качестве таких многогранников обычно используют додекаэдр (12 пятиугольных граней) и икосаэдр (20 треугольных граней).

Для сферических куполов большой высоты рационально использование симметрии правильных многогранников икосаэдра и додекаэдра. Они имеют десять тройных осей вращения и шесть зеркально-поворотных осей десятого порядка. Предложено большое количество вариантов построения сферических сетей с использованием симметрии правильных многогранников. В практике проектирования наибольшее, распространение получили два способа: геодезическая сеть на основе додекаэдра; построение 720-гранника на основе усеченного икосаэдра.

Узловые соединения элементов куполов

Экономическая эффективность конструкции купола в значительной степени определяется конструкцией узлового соединения, которое должно обеспечивать достаточную несущую способность, низкую трудоемкость изготовления и сборки, малую материалоемкость. Конструкция узлового соединения зависит от геометрической схемы каркаса купола. В процессе конструирования узлов важно обеспечить осевую передачу усилий на элементы купола.

Наиболее ответственным и сложным узлом конструкции куполов всех типов является узел присоединения ребер или стержней к нижнему кольцу и опирание кольца на нижележащие конструкции. Нижнее растянутое кольцо конструируют обычно в виде сварного двутавра. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах для увеличения изгибной жесткости кольца в горизонтальной плоскости двутавр располагают лежа.

Сетчатые купола сами по себе имеют большую пространственную жесткость в горизонтальном направлении, поэтому при их проектировании опорное кольцо стремятся развивать по вертикали. Вертикальное расположение двутавра обеспечивает также максимальную жесткость на восприятие равномерно распределенных по кольцу радиальных крутящих моментов.

Узел должен быть правильно центрирован - оси стержней купола, примыкающих к кольцу, и ось вертикальной опорной реакции должны пересекаться в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести кольца. При этом осевая линия кольца не обязательно должна проходить через центр узла - фактический диаметр кольца может быть несколько уменьшен или увеличен.

Кольцо обычно шарнирно опирают на фундамент или вертикальные колонны. В большепролетных куполах желательно обеспечить свободу перемещений кольца в радиальном направлении. Это достигается использованием Катковых опор или коротких качающихся стоек.

Опорное кольцо может иметь в плане очертание окружности, но чаще всего это правильный плоский многоугольник с жесткими или шарнирными сопряжениями стержней в углах. Опорное кольцо с осью в виде окружности внецентренно растянуто.

Ниже приведены некоторые возможные типы опорных колец. Во всех случаях кольцо должно опираться на нижележащее основание и быть неизменяемым.

С целью исключить скольжение вдоль образующей катки устраивают с ребордами, а при качающихся стержнях устанавливают связи по нормали к плоскости подвижки опор. Ориентацию осей катков выполняют таким образом, чтобы кольцо было неизменяемым. Для этого достаточно любое хаотическое расположение катков, но предпочтительны упорядоченные системы.

В анализе кинематической схемы и при определении усилий в элементах кольца для ряда приведенных выше схем в узлах предполагается устройство идеальных шарниров. В действительности узловые соединения конструируют жесткими и шарниры отсутствуют. Это приводит к тому, что в плоскости кольца возникают изгибающие моменты вследствие изменения углов между стержнями опорного кольца.

Перемещение узлов опорного кольца под влиянием внешних нагрузок и температурных изменений сопровождается преодолением сил трения качения, а иногда и сил трения скольжения, что зависит от схемы движения и конструкции подвижных опор. В результате этого к кольцу в каждом узле оказываются дополнительно приложенными сила и пара в плоскости кольца.

У растянутого значительными силами опорного кольца дополнительная нормальная сила от действия усилий трения (растягивающая - при понижении температуры, сжимающая - при повышении) не вызовет существенного изменения основного напряженного состояния. Что касается изгибающих моментов, то их воздействие оказывается более существенным, поскольку стержни кольца являются маложесткими в работе на изгиб в горизонтальной плоскости.

При подборе сечений кольца эти усилия должны быть учтены. Нужно стремиться к такому расположению катков, при котором не происходило бы изменения углов между стержнями кольца при полярно-симметричных воздействиях и, по возможности, не возникали бы изгибающие моменты от сил трения скольжения.

На основании анализа рассмотренных систем устройства опорного кольца можно прийти к выводу, что с точки зрения неизменяемости лучшим вариантом расположения опор является «лучевая» система. Ее неизменяемость становится более надежной, чем в центрально-симметричных системах с увеличением числа сторон кольца, что соответствует куполам больших диаметров.

Узлы ребристых, ребристо-кольцевых, ребристо-кольцевых со связями куполов преимущественно построечного изготовления отличаются массивностью в основном на болтах, сварке или комбинированные. Для этих узлов трудно обеспечить центрацию усилий.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Обзор истории использования деревянных конструкций в строительстве. Изучение особенностей и конструкции ребристых, кружально-сетчатых и тонкостенных куполов. Узлы и элементы деревянного купола. Современные средства защиты древесины от гниения, возгорания.

реферат , добавлен 13.01.2015

Конструкторские особенности и напряженно-деформированное состояние деревянного ребристо-кольцевого купола. Разработка рекомендаций по расчету, конструированию и изготовлению деревянных ребристо-кольцевых куполов с блоками и сборно-разборными узлами.

Фасад как наружная, лицевая сторона здания, его структура и основные элементы, типы: задний, главный, боковой и дворовый. Понятие и разновидности куполов: поясной, луковица, овальный, полигональный, парусный, блюдце, зонтик. Сущность и назначение арок.

презентация , добавлен 20.02.2014

Объемно-планировочная и конструктивная схемы главного корпуса АЭС. Выбор плана строительства и монтажной схемы. Определение объемов работ по монтажу сборных конструкций реакторного отделения, технология его возведения. Монтаж купола внутренней зоны.

курсовая работа , добавлен 05.11.2011

Изучение видов и эффективности применяемых современных строительных конструкций. Определение и классификация жестких оболочек. Своды и купола, как разновидности изогнутых железобетонных оболочек. Оболочки положительной и отрицательной гауссовой кривизны.

реферат , добавлен 31.05.2013

Применение в архитектуре цилиндрических и сферических поверхностей, так как они служат основой сводчатых покрытий зданий. Своды и купола сферической формы являются распространенным видом покрытий в архитектуре. Сложные не регулярного вида поверхности.

доклад , добавлен 05.04.2009

Понятие архитектуры. Феномены энергоинформационного обмена в архитектуре. Явления и их взаимодействия. Эниология архитектурных форм: пирамиды и шатры, складки и ребра, своды и купола, арки, круглые формы, производные формы. Применение эниологии форм.

курсовая работа , добавлен 12.11.2010

Классификация и конструкции куполов. Применение купольных сооружений в современном строительстве и примеры их выполнения. Расчетные схемы возведения и типы нагрузок. Классические схемы расположения несущих и второстепенных балок и их особенности.

презентация , добавлен 24.11.2013

Климатическая характеристика района строительства. Монтаж резервуара полистовым способом. Расчет толщины стенки поясов, резервуара на опрокидывание и ребристо кольцевого купола резервуара. Установление габаритных размеров сферического покрытия.

курсовая работа , добавлен 09.06.2015

Монументальность и масштаб первых каменных храмов. Анализ соборов Святой Софии, истории существования, технологии построения их архитектуры. Внутреннее убранство Софийского собора в Киеве, Новгороде и Полоцке. Наружные галереи, фасады, арки и купола.

Наибольшее распространение как в нашей стране, так и за рубежом получили купола, выполненные в стальных конструкциях, реже - из алюминиевых сплавов. И те и другие могут перекрывать значительные площади; выбор материалов их конструкций диктуется техническими и технико-экономическими соображениями. Многообразие конструктивных решений позволяет в ряде случаев использовать наружные штампованные и предварительно напряженные обшивки куполов как несущие и ограждающие элементы, что приводит к значительной экономии материала при их возведении. Ниже приводятся основные типы конструктивных решений куполов.

По своей конструкции купола могут быть различных типов: ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые со связями, сетчатые и пластинчатые. Конструкция ребристых куполов состоит из трех основных элементов: нижнего опорного кольца, радиально расположенных плоских ребер и верхнего опорного кольца. Плоские радиальные ребра соединяются между собой в вершине с помощью верхнего кольца, а внизу обычно опираются на нижнее опорное кольцо. В этом случае составляющие опорного давления от ребер на фундаменты будут только вертикальными. Горизонтальная составляющая воспринимается опорным кольцом. Верхние пояса ребер образуют наружную поверхность купола, представляющую собой поверхность вращения. Верхнее кольцо при несимметричных нагрузках, кроме сжатия, подвергается кручению, поэтому его сечение следует выполнять жестким.

Степень жесткости присоединения ребер у вершины купола зависит от конструкции этого узла. Если для присоединения ребер применяется сварка, то сопряжение в вершине ребер с кольцом можно принимать жестким. Нижнее опорное кольцо выполняется в виде многоугольника, число сторон которого соответствует числу ребер.

В случае устройства круглой формы нижнего кольца должен учитываться местный изгиб от кривизны кольца. Опирающиеся на ребра промежуточные кольцевые прогоны обладают малой жесткостью либо недостаточно жестко присоединены к ребрам, и поэтому они не оказывают существенного влияния, на деформацию ребер.

Ребра купола могут быть сквозными (в виде легких ферм) или сплошного сечения. Сплошные ребра тяжелее, проще в изготовлении, особенно при использовании прокатных балок. Для обеспечения общей жесткости купола необходимо в плоскости ребер по крайней мере в двух секторах устанавливать связевые панели, идущие от вершины купола до его опор.

Ребристо-кольцевые купола. Если в ребристом куполе включить в работу кольцевые прогоны, то получим пространственную конструкцию, состоящую из плоских ребер, установленных в радиальном направлении и соединенных между собой рядом колец, образующих совместно жесткую пространственную систему. Кольца, помимо нормальных усилий, возникающих при работе купола, в целом могут работать так же на местный изгиб как прогоны. В очерченную кривую купола вписывается многоугольник, и в конечном счете получается многогранник.

Ребристо-кольцевой купол рациональнее и легче ребристого купола, поскольку в работу включаются все элементы конструкции. Если присоединение колец к ребрам осуществляется жестко, то такая конструкция является неизменяемой. При шарнирном присоединении колец к ребрам обязательно следует устраивать жесткие связевые панели, обеспечивающие устойчивость купола.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями. Купола с решетчатыми связями решаются в виде многогранников, вписанных в поверхность вращения и состоящих из меридиональных ребер и колец, между которыми располагаются раскосы.. Усилия, возникающие от внешних нагрузок, частично воспринимаются связями, уменьшая при этом усилия в ребрах и кольцах, что способствует появлению многочисленных слабоработающих элементов решетки со сложными узлами сопряжений в местах перелома грани купола.

Снизу купола завершаются нижним растянутым опорным кольцом, воспринимающим распор купола; сверху купол обычно срезается горизонтальной плоскостью и имеет верхнее кольцо, к которому присоединяются все ребра.

Все ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями могут выполняться по двум схемам:

1) ребра соединяются между собой попарно решеткой так, что через один сектор проходят только кольца без связей;

2) решетчатые связи устраиваются непрерывными во всех секторах; в этом случае конструкция купола приближается к сетчатой.

Сетчатые купола. Если в ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением в узлах. В сетчатых куполах усилия распределяются по всем элементам поверхности купола, и при шарнирном присоединении все стержни работают только на осевое усилие.

В настоящее время сетчатые купола получили широкое распространение ввиду их легкости и красивого рисунка. Системы сетчатых куполов весьма разнообразны. Они, как правило, компонуются из трубчатых и уголковых стержней, образующих непрерывную решетку. Основным недостатком сетчатых куполов является большое количество различных элементов, узлов и соединений, в связи с чем увеличивается трудоемкость их изготовления и монтажа.

В последние годы развитие сетчатых куполов идет в направлении компоновки их из одинаковых серийно изготавливаемых элементов. Осуществлены звездчатые купола, все грани которых являются треугольниками, а также геодезические системы куполов, несущие элементы которых являются ребрами многоугольника, вписанного в сферу. Стержни сетчатых куполов большей частью выполняются из труб, узлы осуществляются на штампованных фасонках, шаровых сердечниках или патрубках.

В несущую систему куполов часто включаются ограждающие конструкции, состоящие из штампованных алюминиевых или стальных листов. Сетчатые купола являются распорной системой. Для восприятия распора обычно устраивается нижнее опорное кольцо, которое служит основным элементом несущей конструкции купола. За рубежом широко используются сетчатые купола, предложенные Б. Фуллером. Они состоят из стальных трубчатых треугольников или шестиугольников, монтируемых на сферической поверхности. Покрытие куполов выполнено из алюминиевых или стальных штампованных листов либо светопрозрачных материалов.

Основное преимущество этих конструкций состоит в применении однотипных элементов и заполнении сетки легкими материалами, включая светопрозрачные. Монтаж куполов может осуществляться без лесов, путем подращивания при помощи домкратов или пневматических устройств.

Пластинчатые купола. На основе членения куполов, принятых для различных конструктивных решений, были разработаны пластинчатые купола, которые собираются из штампованных пластин. Применяя различные типы разрезки, можно - создать ряд плоскостных пластинчатых элементов в виде четырехугольников, треугольников, ромбов или шестигранников, из которых могут быть собраны купола.

Невысокая стоимость, быстрота монтажа, малый вес и надежность позволяют применять эти конструкции для больших диаметров куполов. Пластинчатые купола получили широкое распространение в США.

Следует особо отметить, что все перечисленные стальные купола являются распорными системами, и для восприятия распора, как правило, устраивается нижнее опорное кольцо, которое является основным несущим элементом конструкции. В отдельных случаях, при наличии скальных или им подобных грунтов, распор может быть передан непосредственно на конструкцию фундаментов.

Усилия в ребристых и ребристо-кольцевых куполах со связями или без связей можно определять на электронно-вычислительных машинах по различным программам. Ниже приведен пример расчета ребристо-кольцевого купола на ЭВМ.

Сетчатые купола можно рассчитывать, как оболочку по безмоментной мембранной теории, по формулам, приведенным в табл. 3. Безмоментная теория может быть применена даже для оболочки, обладающей значительной прочностью на изгиб, а изменение кривизны, вызываемое большей частью нагрузок, настолько мало, что не имеет практического значения. Безмоментная теория имеет еще и то преимущество, что она пригодна для любой формы срединной поверхности купола положительной кривизны и почти для всех сплошных встречающихся в практике нагрузок. Значительным преимуществом безмоментной теории является статическая определимость усилий.

Для определения усилий в стержнях купола всегда можно выделить стержень, на который усилия собираются с определенной «силовой» площади. Кроме осевых усилий стержни могут испытывать, в зависимости от конструкции покрытия изгиб от местных нагрузок, который должен быть учтен при подборе сечения.

Опирание нижних колец на фундаменты должно выполняться таким образом, чтобы обеспечить свободное перемещение в радиальном направлении. Для этого при больших диаметрах куполов (более 30 м) следует либо устраивать катковые опоры, либо обеспечить подвижность кольца путем устройства под ним графитовой смазки или прокладок из материала, имеющего низкий коэффициент трения, например из нафтлена, имеющего высокие прочностные показатели и коэффициент трения, равный 0,02.

На верхнем рисунке а, б, в показаны различные схемы ребристых и ребристо-кольцевых купольных покрытий, а на нижнем рисунке - покрытий сетчатой конструкции:

1) простейшая схема сетчатой конструкции покрытия состоящая из меридиональных ребер, колец и крестовых связей между ними во всех трапециевидных секциях (нижний рис.).

2) сетчатая конструкция, использованная при возведении купола диаметром 196 м над крытым стадионом в г Хьюстоне и диаметром 207 м над крытым стадионом в г. Новый Орлеан (США). В обоих случаях купол состоит из 12 главных меридиональных арочных ребер, объединенных поверху центральным кольцом и упертых нижними концами в опорное кольцо пяти промежуточных кольцевых ребер и перекрестных второстепенных ребер, параллельных главным, и таким образом образуются треугольные ячейки; сечения ребер и колец имеют одинаковую высоту (нижний рис., б) ;

3) сетчатая конструкция, разработанная ЦНИИПроект-стальконструкцией для покрытия над испытательным центром, представляет собой, эллипсоид вращения диаметром по экватору 234 и по низу 224 м, высотой- 112 м. Купол собирается из ребристых панелей треугольной формы с размерами сторон 9 м без лесов. Наружная сторона панелей представляет собой предварительно напряженную мембрану толщиной 1,5 мм, которая служит кровлей здания (нижний рис., в).

Глава 6
КУПОЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

6.1. Общие сведения

Купола - распорные системы, имеющие в своем составе, как правило, три основных конструктивных элемента: нижний опорный контур, оболочку, верхний опорный контур (рис. 6.1).

Рассмотрим основные типологии металлических куполов:

а) по конструкции: ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые со связями, сетчатые, пластинчатые;
б) по форме (рис. 6.2): сферические, эллиптические, стрельчатые, зонтичные и другой формы;

Рис. 6.1. Конструктивная схема купола:
1 - верхний опорный контур; 2 - оболочка; 3 - нижний опорный контур

Рис. 6.2. Формы куполов:
а - план сферического купола; б - поперечный разрез сферического купола; в - план эллиптического купола; г - поперечный разрез эллиптического купола; д - стрельчатый купол; е - план зонтичного купола; ж - вид зонтичного купола

в) по стреле подъема (рис. 6.3): подъемистые (высокие) купола, при стреле подъема 1/2 ... 1/5 диаметра и пологие, при высоте подъема 1/5 диаметра.

Ребристые купола (рис. 6.4) состоят из отдельных плоских ребер, поставленных в радиальном направлении. При прямолинейных ребрах образуются пирамидальные или конические купола. Верхние пояса ребер составляют поверхность купола, в его вершине они примыкают к верхнему кольцу. Иногда при частом расположении ребер или устройстве на вершине купола фонаря кольцо получается значительных размеров; тогда в целях повышения жесткости и устойчивости его скрепляют внутренними распорками по крайней мере в двух диаметральных плоскостях.

Ребристые купола являются распорной системой. Распор

Рис. 6.3. Геометрические параметры купола:
D - диаметр; f - высота подъема

может быть воспринят конструкцией фундаментов, стен или специальным опорным кольцом. Опорное кольцо проектируют в плане изогнутым по окружности или в виде многогранника с жестким или шарнирным сопряжением в углах. При достаточно частом расположении ребер возможно устройство круглого кольца. При редко поставленных ребрах опорное кольцо лучше проектировать многоугольным во избежание его работы на изгиб и кручение. Наиболее распространено жесткое многоугольное кольцо с опорами в углах, имеющими подвижность в радиальном направлении. Между ребрами обычно укладывают специальные настилы или создают мембранное покрытие. Мембранные или панельные покрытия обеспечивают общую устойчивость ребер в плоскости покрытия, уменьшая расчетную длину ребер. Возможно устройство кровли по кольцевым прогонам между ребрами.

Ребристо-кольцевые купола (рис. 6.5). Устройство и включение в работу конструкции кольцевых прогонов приводит к созданию ребристо-кольцевой схемы. Последние могут быть использованы как затяжки купола. В этом случае кольца не только работают на местный изгиб от нагрузок кровли, но и воспринимают нормальные усилия от ребер купола, а в случае жесткого сопряжения колец с ребрами - и изгибающие моменты. Однако вследствие малой жесткости колец и ребер в плоскостях, касательных к поверхности купола, влиянием жесткости узлов можно пренебречь и считать, что кольца примыкают к ребрам шарнирно.

Ребристо-кольцевые купола со связями (рис. 6.6) представляют собой дальнейшее увеличение связности системы, пространственности работы, путем введения в конструкцию раскосов между ребрами.

Сетчатые купола образуются, если в ребристо-кольцевом куполе со связями увеличивать связность системы вплоть до образования крестовых связей в каждой ячейке купола, именно такую конструкцию представляет купол Шведлера (рис. 6.7), являющийся одним из первых сетчатых куполов.

Возможно и другое определение сетчатого купола, как многогранника, вписанного в сферическую или другую поверхность вращения и состоящего

из одного или двух слоев конструктивных элементов, образующих треугольную, ромбовидную, трапецевидную, пяти- и шестиугольную сетку. Такие купола в ряде литературных источников называют также геодезическими или кристаллическими. Сетчатые купола обычно имеют только нижнее опорное кольцо.

Изобретение применяется в строительстве при возведении и реконструкции куполов из кирпича и камня и позволяет не только в несколько раз снизить расход материальных и трудовых затрат на изготовление опалубки, но и существенно уменьшить трудоемкость и продолжительность ее установки и разборки. Опалубку купола собирают из двух диаметрально расположенных передвижных секторов, опирая их нижними концами на опорное кольцо купола, а верхними на установленную по вертикальной оси купола стойку, снабженную в верхней части двумя опорными дисками и двумя поддерживающими их гайками. Производят укладку кирпича одновременно по обоим предварительно выверенным секторам опалубки до образования диаметрально расположенной кирпичной арки, имеющей в плане X-образную форму, после чего опалубку поворачивают относительно опорной стойки на 90 o и производят кладку второй диаметрально расположенной X-образной кирпичной арки, затем поворачивают опалубку вокруг опорной стойки на 45 o и производят кладку третьей арки, а после очередного поворота опалубки на 90 o производят кладку последней четвертой арки купола и приступают к полной разборке опалубки и поддерживающих ее элементов. 2 и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении, реконструкции ремонте куполов из кирпича и камня.

Наиболее близким техническим решение к предлагаемому изобретению по своей сущности и достигаемому результату является способ возведения купола по классической технологии, включающей установку опалубки, укладку кирпича последовательными рядами по направлению от нижнего опорного кольца к его ключу, разборку опалубки (см. Н. И.Аистов, Б.Д.Васильев, В.Ф.Иванов и др. История строительной техники. -Л.: Госстройиздат, 1962. стр.123).

Известно устройство для осуществления указанного способа, включающее сплошную палубу, кружала и поддерживающие их элементы (см.Н.И.Аистов, Б.Д. Васильев, В.Ф.Иванов и др. История строительной техники. -Л.: Госстройиздат, 1962, стр.123).

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является большой расход материалов и трудовых затрат на изготовление, установку и разборку палубы, кружал и поддерживающих их элементов.

Целью изобретения является снижение расхода материалов и трудовых затрат на изготовление, установку, разборку опалубки.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе возведения купола, включающем установку опалубки, укладку кирпичей последовательными рядами по направлению от опорного кольца купола к его ключу, разборку опалубки, опалубку купола собирают их двух диаметрально расположенных передвижных секторов, опирая их нижними, широкими, концами на опорное кольцо купола, а верхними, узкими, концами на предварительно установленную по вертикальной оси купола опорную стойку, производят укладку кирпичей одновременно по обоим предварительно выверенным секторам опалубки до образования диаметрально расположенной кирпичной арки, имеющей в плане X-образную форму, после чего, переставляя опалубку на следующую позицию, поворачивают оба ее сектора относительно опорной стойки на 90 o , и производят кладку второй диаметрально расположенной X-образной кирпичной арки, вновь поворачивают оба сектора относительно опорной стойки, причем на угол равный по величине 45 o , и производят кладку третьей арки и перевязку ее кладки с краями ранее выложенных смежных арок, после чего поворачивают оба сектора относительно опорной стойки на 90 o и производят кладку последней четвертой арки купола и перевязку ее кладки с краями ранее выложенных смежных арок.

Описываемый способ осуществляется с помощью специального устройства, причем поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, включающем палубу, кружала и поддерживающие их элементы, палуба купола выполнена в виде двух изогнутых по радиусу лепестков, имеющих в плане форму двух диаметрально расположенных круговых секторов и возможность перемещаться по кругу относительно опорной стойки, расположенной по вертикальной оси купола. При этом верхняя часть стойки выполнена с винтовой резьбой и снабжена установленными на нее с возможностью перемещения двумя гайками и двумя горизонтально расположенными дисками, центр которых совпадает с продольной осью стойки.

Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления при возведении купола позволяет за счет уменьшения в четыре раза площади опалубки существенно сократить не только материальные и трудовые ресурсы на ее изготовление, но и, упростив технологию, уменьшить трудоемкость и продолжительность установки и разборки опалубки, а также позволяет повысить оборачиваемость последней, так как после завершения кладки четвертой секторной арки сразу же без технологического перерыва позволяет приступить к раскружаливанию и полной разборке опалубки и поддерживающих ее элементов. Это становится возможным, во-первых, благодаря тому, что к окончанию кладки купола он уже надежно держится за счет первых двух секторных арок, во-вторых, благодаря конструктивной связи, например перевязки между первыми арками и смежными с ними третьей и четвертой арками, которая обеспечивает совместную работу всех секторных арок купола.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид, продольный разрез; на фиг. 2 - вид А на фиг.1; на фиг. 3 изображена очередность перестановки секторов опалубки и возведения секторных арок.

Устройство для возведения купола включает опалубку 1, имеющую в плане форму двух диаметрально расположенных круговых секторов, состоящую, например, из изогнутой по радиусу палубы 2, кружальных ферм 3 и имеющую возможность вращения вокруг опорной стойки 4, расположенный по вертикальной оси купола и раскрепленной растяжками 5. Верхняя часть опорной стойки 4 выполнена с винтовой резьбой (не показано) и снабжена установленными на ней с возможность перемещения двумя опорными гайками 6, 7 и двумя горизонтально расположенными дисками 8 и 9, центр которых совпадает с продольной осью стойки 4. При этом верхний диск 8 крепится на период возведения купола неподвижно, например с помощью стопора (не показан), и является временной опорой для ключа, например кирпичной секторной арки, имеющей в плане X-образную форму. Нижний диск 9 установлен с возможностью вращения вокруг продольной оси стойки 4 и является опорой для верхних, узких, концов секторов опалубки 1, которая нижними, широкими, концами опирается через парные горизонтальные клинья 10 на опорной кольцо 11 купола.

Способ возведения купола с применением предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Вначале по вертикальной оси купола устанавливают и раскрепляют растяжками 5 опорную стойку 4 с установленными на ней на требуемой высоте дисками 8 и 9, опирающимися соответственно на гайки 6 и 7. Затем устанавливают с возможностью последующего перемещения два сектора опалубки 1, располагая их диаметрально противоположно относительно опорной стойки 4 и опирая нижним, широким концом на опорное кольцо купола 11, а верхним, узким, концом на нижний диск 9, имеющий возможность поворачиваться вокруг продольной оси опорной стойки 4. После соответствующей выверки положения опалубки приступают к непосредственному возведению купола, укладывая, например, кирпичи последовательными рядами одновременно по обоим секторам опалубки 1, начиная от опорного кольца 11 по направлению к неподвижному диску 8 до образования диаметрально расположенной кирпичной секторной арки, имеющей в плане X-образную форму. После чего пользуясь гайкой 7 и парными горизонтальными клиньями 10 опалубку 1 раскружаливают и переставляют на следующую позицию, поворачивая оба ее сектора относительно вертикальной оси опорной стойки 4 на 90 o . После очередной выверки положения секторов опалубки производят кладку второй диаметрально расположенной X-образной кирпичной арки. Вновь раскружаливают опалубку, поворачивают оба ее сектора вокруг опорной стойки на 45 o , выверяют ее установку на новой позиции и производят кладку третьей диаметрально расположенной арки купола, обеспечивая перевязку ее кладки с краями раннее выложенных смежных арок. После чего, повторяя перечисленные операции, оба сектора поворачивают вокруг опорной стойки 4 на 90 o и, после их выверки, приступают к кладке последней четвертой арки купола, обеспечивая перевязку ее кладки с краями ранее выложенных смежных арок, причем, в случае необходимости, после укладки в четвертую арку купола последнего кирпича сразу же производят раскружаливание и полную разборку его опалубки и поддерживающих ее элементов. Возведение купола предлагаемым способом в случае необходимости при определенных условиях можно осуществлять укладывая кирпичи в большее количество секторных арок.

В случае необходимости для укладки купола используют мелкоблочные камни.

Данный способ позволяет в несколько раз сократить материалоемкость опалубки, уменьшить трудоемкость и продолжительность ее устройства и разборки, а также повысить ее оборачиваемость.

1. Способ возведения купола, включающий установку опалубки, укладку кирпичей последовательными рядами по направлению от опорного кольца купола к его ключу, разработку опалубки, отличающийся тем, что опалубку купола собирают из двух диаметрально расположенных передвижных секторов, опирая из нижними, широкими, концами на опорное кольцо купола, а верхними, узкими, концами на предварительно установленную по вертикальной оси купола опорную стойку, производят укладку кирпичей одновременно по обоим предварительно выверенным секторам опалубки до образования диаметрально расположенной кирпичной арки, имеющей в плане Х-образную форму, после чего, переставляя опалубку на следующую позицию, поворачивают оба ее сектора относительно опорной стойки на 90 o и производят кладку второй диаметрально расположенной Х-образной кирпичной арки, вновь поворачивают оба сектора относительно опорной стойки, причем на угол 45 o , и производят кладку третьей арки и перевязку ее кладки с краями ранее выложенных смежных арок, после чего поворачивают оба сектора относительно опорной стойки на 90 o и производят кладку последней четвертой арки купола и перевязку ее кладки с краями ранее выложенных смежных арок.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после укладки в четвертую арку последнего кирпича сразу же производят раскружаливание и полную разборку опалубки и поддерживающих ее элементов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для кладки купола используют мелкоблочные камни.

4. Устройство для возведения купола, включающее палубу, кружала и поддерживающие их элементы, отличающееся тем, что палуба купола выполнена в виде двух изогнутых по радиусу лепестков, имеющих в плане форму двух диаметрально расположенных круговых секторов и возможность перемещаться по кругу относительно опорной стойки, расположенной по вертикальной оси купола, при этом верхняя часть стойки выполнена с винтовой резьбой и снабжена установленными на нее с возможностью перемещения двумя гайками и двумя горизонтально расположенными дисками, центр которых совпадает с продольной осью стойки.