Пространственными называются покрытия, у которых оси всех несущих элементов не лежат в одной плоскости. Поэтому количество схем пространственных конструкций значительно больше, чем плоскостных. Они могут быть разделены на три основных типа: купола, складки и своды (оболочки).
Конструкции Купольных покрытий
По своей конструкции купола могут быт трех типов: ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые.
Ребристые купола состоят из системы радиально расположенных плоских ребер, связанных понизу и поверху кольцами. Верхние пояса робер образуют наружную поверхность купола, представляющую собой поверхность вращения. Такой купол можно рассматривать как распорную систему, в которой распор воспринимается нижним растянутым и верхним сжатым кольцами.
Верхнее кольцо при несимметричных нагрузках, кроме сжатья, подвергается еще и кручению, поэтому диаметр его следует ограничивать. Нижнее опорное кольцо выполняется в виде многоугольника, число сторон которого соответствует числу ребер, в случае круглой формы нижнего кольца должен учитываться месный изгиб от кривизны.
Нижнее кольцо опирается на колонны или стены в местах примыкания радиальных ребер. Поскольку относительное удлинения опорного кольца практически не повышают величин, допустимых для железобетонных конструкций, отпадает необходимость в устройстве катковых опор, которые иногда применяют в практике строительства. Каждое ребро купола как плоская балочная система с учетом усилий от распора, причем связи для устойчивости ребер ставятся так же, как и в плоскостных схемах.
Опирающиеся на ребра промежуточные кольцевые прогоны обладают малой жесткостью либо недостаточно жестко присоединены к ребрам, и поэтому они не оказывают существенного влияния на деформации ребер. Если же кольцевые прогоны купола связать с радиальными ребрами и ввести их в пространственную работу системы, то получится ребристо-кольцевой купол, и в этом случае разгружающее влияние колец значительно снижает усилья в радиальных ребрах и позволяет выполнять их из сплошных профилей.
В случае значительных несимметричных нагрузок радиально-кольцевую систему необходимо дополнить раскосами связей и если такие раскосы расположить во всех панелях, то получится частный случай сетчатого купола. В общем же случае сетчатого купола радиальные стержни заменяются системой наклонных стержней при сохранении колец.
Возможны две системы ребристых куполов в зависимости от сопряжения ребер в верхнем кольце: когда они сопрягаются шарнирно с кольцом, образуя систему трех шарнирных арок и когда они сопрягаются с жестким барабаном, создавая систему двух шарнирных арок, связанных нижним распорным кольцом. В последнем случае необходимо при определении усилий учитывать также усилия от деформации распорного кольца, которая определяется величиной
Ветровые нагрузки на купол принимаются по схеме изображенной не рисунке.
От вертикальной нагрузки р. равномерно распределенной по горизонтальной проекции купола диаметром D и стрелой подъема f усилье в распорном кольце
Величина распора от одного ребра
где n – число ребер в куполе
Усилия в ребре определяются как в плоской трех шарнирной арке от приходящейся на нее нагрузки. В ребристо-кольцевом сетчатом куполе усилия определяются как для оболочки по без моментальной (мембранной) теории. Для любой поверхности справедливо уравнение
T1/R1 + T2/R2 = pn
Где R1 и R2 -главные радиусы кривизны оболочки
T1 и T2 меридиональные и кольцевые усилия на краю оболочки на единицу длины.
рn-нагрузка нормальная поверхности.
В оболочках вращения главные радиусы кривизны для какой-либо точки поверхности будут расположены в меридиональной плоскости (R1) и в перпендикулярной ей плоскости, проходящей через нормаль к поверхности (кольцевой радиус R2 )
При осисемметричных нагрузках меридиональные усилья T1 определяются из уравнения
Подстановкой значений T1 в формулу находится кольцевое усилие в оболочке T2. Переход к усилиям в стержнях купола производится умножением мембранных усилий T1 и T2 на длину панели.
В сетчатых куполах усилия в стержнях определяются разложением мембранных усилий на направления стержней. Для купола с постоянными радиусами кривизны (сферического), нагруженного вертикальной равномерно распределенной на площади проекции нагрузкой p
T1 = pR/2 ; T2 = pR/2*cos2ɑ
(меридиональные усилия одинаковы, а кольцевые меняют свой знак, переходя через нуль при a=45o).
Примеры
Примером ребристого купола диаметром 42м может служить покрытие павильона механизации ВДНХ. Он состоит из 24 радиальных полуарок, объедененных верхним кольцом. По аркам уложены прогоны из прокатных профилей, не включенные в работу ребер, что несколько утяжеляет эти ребра. Распор в нижнем кольце невелик вследствие значительного подъема купола. Здесь точное расположение прогонов по кольцам вызывает необходимость выгиба их в двух плоскостях. Возможно изготовление прогонов с выгибом только в одной плоскости, если располагать их в плоскостях, нормальных к поверхности купола. Тогда кольца будут состоять из обрезков дуг, пересекающихся под незначительными углами.
Примером радиально-кольцевого купола диаметром 60м. может служить покрытие бассейна обогатительной фабрики. Высота купола 14.8 м. Принять 16 радиальных ребер и 5 кольцевых. Покрытие выполнено из крупноразмерных железобетонных плит длиной 6 м. опертых на кольцевые ребра. Радиальные и кольцевые ребра выполнены сварными двутаврового профиля высотой 600 мм. в радиальных ребрах и от 240 – 450 мм – в кольцевых. Все они изготовлены из прямолинейных участков, соединённых под соответствующими углами. Перекрытие оперто на железобетонные колонны посредством катковых опор, допускающих радиальные перемещения, что как указывалось выше, является излишним вследствие незначительности деформации.
Полный вес покрытия 59.5 кг/м2 в том числе радиальных ребер – 28.5 кг/м2 и кольцевых 23.8 кг/м2.
Внизу представлен один из вариантов проекта покрытия стадиона “Динамо” в виде эллиптического в плане купола, образуемого системой радиальных трехгранных ребер, опирающихся на нижнее предварительно напряженное железобетонное распорное кольцо шириной 8 м и упирающихся в верхнее пространственное кольцо эллиптической в плане формы.
