17.1. Своды-оболочки

Своды-оболочки, или цилиндрические оболочки, опираются на торцовые стены. Они являются рациональным видом покрытия. Форма и характер опирания обеспечивают сводам-оболочкам пространственную работу, что позволяет использовать их для перекрытия больших пролетов при сравнительно небольшой массе. Они просты в изготовлении.

Своды-оболочки выполняют в одно- и многоволновом варианте. У них отсутствует распор (рис. 17.3).

Рис. 17.3. Клеефанерный свод транспортерной галереи:

а – холодное покрытие; б – теплое покрытие; 1 – гнутоклееные ребра; 2 –

поперечные ребра; 3 – фанерная обшивка; 4 – утеплитель

По конструктивному решению своды-оболочки могут быть тонкостенными или трехслойными. В первом варианте сечение покрытия может быть сплошным, из склеенных между собой настилов, или каркасным – из брусков (h≤15 см) и фанерной обшивки. Во втором варианте покрытие выполняют из трехслойных элементов заводского изготовления, по конструкции аналогичных трехслойной панели. Серповидные ребра, обеспечивающие поперечную неизменяемость и жесткость свода-оболочки, располагают через 2 – 6 м одно от другого. К ним прикрепляют продольные поясные настилы и двойной косой настил (рис. 17.4).

Стыки досок продольных и косых настилов выполняют вразбежку с перепуском на 1/2 или 1/3 длины досок.

Жесткость свода-оболочки в продольном направлении определяется моментом инерции поперечного сечения всего свода оболочки, а в поперечном направлении – жесткостью ребер, которые обеспечивают неизменяемость контура поперечного сечения и препятствуют горизонтальному смещению краев.

Условно цилиндрические оболочки разделяют на длинные – при ℓ_х/в>2 и короткие – при ℓ_х/в≤2.

Рис. 17.4. Покрытие короткими оболочками:

а- поперечный разрез; б –продольный стык; в –поперечный стык; 1– арки;

2– цокольная панель; 3– коньковая панель; 4 –плоские листы панели; 5–волнистые листы; 6–пенопласт; 7–обрамляющие профили; 8–пенополиуритан; 9 –мастика; 10 –стеклопластиковая накладка на эпоксидном клее; 11 –слой гернита

Дощато-гвоздевые своды-оболочки в настоящее время не применяют. Однако в г. Химки ими перекрыты 100-метровые пролеты, обладающие значительной деформативностью.

В Москве для стадиона «Локомотив» разработан проект перекрытия здания катка размером 42×76 м короткими цилиндрическими оболочками 42×12 м. Они состоят из сборных панелей, диафрагм в виде безраскосных ферм или арок с затяжкой, бортовых элементов в виде балок прямоугольного сечения и стержней косой арматуры, установленных в углах оболочки.

Пластмассовые и клеефанерные цилиндрические оболочки могут быть замкнутого (галереи – закрытые переходы) и незамкнутого профиля.

В многоволновых оболочках распор, возникающий по длине промежуточных бортовых элементов, взаимно погашается. У крайней оболочки и в одноволновых оболочках распор воспринимается горизонтальной балкой, которую включают в конструкцию бортового края оболочки.

Короткие оболочки в направлении длины рассчитывают как балку кри-волинейного сечения. В направлении пролета усилия в оболочке на 1 м погонной длины бортового элемента определяют приближенно в предположении работы свода как двухшарнирной арки.

Расчет свода-оболочки или призматической складки при ℓ/в≥3 (длинная оболочка) в продольном направлении на симметричную нагрузку можно выполнять как для балки с недеформируемым контуром. Сечение балки принимают корытообразное. Напряжения вычисляют по формулам сопротивления материалов. При этом можно пренебречь изгибающим моментом в продольном направлении М₁. В расчете учитываются продольные усилия в продольном и поперечном направлениях N₁ и N₂, сдвигающие М₂= М и соответствующие им поперечные силы Q₂=Q.

Наибольшие продольные нормальные напряжения σ₁ от равномерно распределенной нагрузки на единицу площади q можно определить как для балки:

(17.1)

где W – момент сопротивления поперечного сечения оболочки относительно нейтральной оси.

При расчете оболочки в поперечном направлении от внешних нагрузок и сдвигающих усилий вычисляют момент инерции и момент сопротивления для продольного сечения единичной ширины с учетом всех особенностей структуры сечения. Расчетный момент инерции ребра при свободно висящих краях должен удовлетворять требованию

(17.2)

где В – ширина свода-оболочки; S_p – расстояние между ребрами.

Цилиндрическую поверхность свода можно рассечь диагональными плоскостями, тогда образуются две пары сводиков: 1 – распалубок, 2 – лоток (рис.).

Свод-оболочку, составленную из распалубок, называют крестовым сводом, а из лотков – сомкнутым. Сомкнутый свод является распорной конструкцией.

В месте пересечения распалубок крестового свода устраивают ребра- гурты. Они работают на внецентренное сжатие. По торцам сводов ставят диафрагмы жесткости, которые обеспечивают устойчивость оболочек. Их выполняют в виде арок с затяжкой, сегментных ферм или криволинейных балок.

По очертанию в плане крестовые своды бывают квадратными, прямоугольными или многоугольными. Пролеты деревянных сводов до 30 м, а из стеклопластиков – 12 – 15 м.

Нагрузкой на диафрагмы является опорное давление оболочки, передается в виде сдвигающих сил, касательных к серединной поверхности оболочек.

Распор воспринимается затяжкой торцовых диафрагм.

Оболочки двоякой положительной гауссовой кривизны на выпуклом контуре с относительно небольшим подъемом (не более 1/5 короткой стороны плана) называются пологими. Пологие оболочки могут быть квадратными и прямоугольными. Опорами пологих оболочек являются контурные диафрагмы в виде арок, сегментных ферм, балок или криволинейных элементов. Пролет может быть до 30 м. Примером ребристой оболочки из клееных деревянных элементов является покрытие цеха щитового паркета на Волоколамском экспериментальном заводе строительных конструкций. Оно состоит из трех пологих оболочек двоякой кривизны 20×20 м. Использовали прямолинейные и криволинейные брусья.

Оболочка имеет клееные ребра трех типов: контурные, арочные с монтажными затяжками и ребра-вставки между арками, которые соединяются с арками врезкой шипа в гнезда.

В ЛИСИ разработаны сборные клеефанерные пологие оболочки положительной кривизны с размерами в плане 42×42 м. Конструкция оболочки представляет собой многогранник из плоских ребристых панелей открытого или коробчатого сечения, вписанный в часть сферической поверхности и ограниченный квадратным или прямоугольным планом. Панели соединены на основе заливочных клеевых композиций, в пересечении швов усилены стержневой арматурой. Опорный контур выполняется в виде балок, ферм или криволинейных брусьев.

Пластмассовые эллиптические оболочки из полиэфирного стеклопластика однослойной конструкции имеют небольшие пролеты до 6 м при толщине оболочки 2 – 2,5 мм. Их выполняют трехслойными и используют в качестве служебных или жилых помещений. Например, в Домбае возведен коттедж горнолыжников диаметром 8 м – замкнутая эллиптическая оболочка.

В общем случае в оболочке двоякой положительной кривизны действуют нормальные усилия N₁ и N₂, поперечные силы Q₁ и Q₂, сдвигающие усилия S₁ и S₂, изгибающие моменты М₁ и М₂ и крутящие М₁₂ и М₂₁ моменты. Расчет можно производить по безмоментной или моментной теориям с применением ЭВМ.