Жесткие железобетонные оболочки
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ
«Жесткие железобетонные оболочки»
ХАРЬКОВ 2012
Введение
Бурное развитие науки и техники, характерное для наших дней, наглядно свидетельствует о прогрессе во всех областях производительных сил, в том числе и в вопросах строительства зданий самого различного назначения.
Огромные объемы гражданского и жилищного строительства, осуществляемого в нашей стране, предъявляют высокие требования к выразительности архитектурных решений зданий и сооружений, к эффективности применяемых строительных конструкций.
Для многих архитекторов и инженеров, занимающихся проектированием объектов гражданского строительства, становиться очевидным, что сегодня нельзя возводить современное большепролетное здание, не применяя пространственных конструкций, сочетающих в себе архитектурную выразительность и функциональную целесообразность с конструктивно-технологическим рационализмом и технико-экономической эффективностью.
История
Вся история архитектуры - это история поиска гармоничного единства функции, конструкции и формы. Человек, занимаясь поиском оптимальной взаимосвязи функции и формы, стал обращать внимание на природные элементы и постепенно осознал их эффективность.
Стараясь соединить рациональность и экономичность решения, надежность и изящество конструкции, гармоничность и выразительность формы, архитекторы пришли к применению пространственных конструкций типа оболочек.
Использование человечеством оболочек началось еще до нашей эры. В пример можно привести, служившие легким переносным укрытием. Дальнейшее развитие оболочки получили в виде куполов и сводов дворцов, храмов, соборов. Архитекторы тех времен шли на риск, проектируя оболочки основываясь лишь на интуиции, опыте и логике.
Даже после создания теории расчета до середины XX века оболочки использовались редко ввиду сложности расчёта, повышенных требований к качеству материалов и соблюдению технологий монтажа.
Полное признание и широкое распространение в прогрессивной архитектуре оболочки получили в течение последних двух десятилетий благодаря внедрению компьютеров в практику расчёта конструкций и появлению новых строительных материалов и технологий.
Определения и классификация жестких оболочек
свод строительный конструкция железобетонный
Особое место среди разнообразия форм пространственных конструкций занимают жесткие оболочки.
Под жесткими оболочками понимают конструкции, в которых материал под нагрузкой испытывает равномерные двухосные напряжения, преимущественно сжатие. Жесткие оболочки могут возводиться над зданиями любой конфигурации в плане (прямоугольной, квадратной, круглой, овальной и т. п.). Они выполняются из железобетона, армоцемента, металла, дерева, пластмасс и других материалов, хорошо воспринимающих сжимающие усилия.
Конструкции жестких оболочек чрезвычайно разнообразны. За основу классификации этих конструкций приняты особенности их статической работы: безраспорной или распорной. К безраспорным относятся оболочки нулевой гауссовой кривизны и складки, к распорным - своды, купола, пологие оболочки положительной и отрицательной кривизны, зонтичные оболочки, комбинированные системы из элементарных оболочек с различной формой поверхности.
Свободы представляют собой несущую железобетонную пространственную конструкцию покрытия в виде изогнутой вдоль оси гладкой или волнистой плиты, обладающей распором и работающей на сжатие с изгибом.
Сводчатые покрытия чаще всего проектируются из сборных железобетонных элементов. По продольным краям (вдоль образующей) своды могут опираться на колонны, стены или непосредственно на фундаменты.
Расчет сводов ведут как расчет двухшарнирной или трехшарнирной тонкостенной арки (при наличии шарнирного стыка в ключе свода).
Оболочки положительной гауссовой кривизны.
Оболочки положительной кривизны - одно из самых выразительных в архитектурном отношении решений. Под оболочками с таким названием принято понимать оболочки, срединная поверхность которых описывается вращением вокруг оси дуги круга (параболы, эллипса) или параллельным перемещением кривой образующей по кривой направляющей.
Оболочки двоякой кривизны могут выполняться как вспарушенными, так и с пологими контурами. При этом меняется не только геометическая характеристика конструкции, но и схема распределения в ней усилий.
В зависимости от количества ячеек здания оболочки могут проектироваться отдельно стоящими (одноволновыми) и многоволновыми в одном и двух направлениях. Многоволновые могут быть также разрезными и неразрезными. К разрезным многоволновым оболочкам относятся такие, в которых с помощью специальных конструктивных мер обеспечивается возможность горизонтальной податливости контура не только крайних, но и средних волн оболочек. В неразрезных оболочках приконтурные зоны соседних конструкций жестко соединяются между собой и диафрагмами.
Неразрезные оболочки являются более жесткими, чем другие типы конструктивных решений, но требуют большего расхода стали для обеспечения неразрезности.
Оболочки положительной гауссовой кривизны могут проектироваться сборными и монолитными.
Оболочки по контуру опираются на диафрагмы, которые выполняются в виде арок, ферм или балок, а также криволинейных брусьев, уложенных на стены. Плиту в приконтурных и угловых зонах оболочки рекомендуется утолщать с целью размещения дополнительной арматуры и восприятия действующих усилий, увеличенных по сравнению с центральной зоной.
Купола
Разновидностями оболочек двоякой кривизны на круглом или овальном планах являются купола.
Купол - одна из самых изученных пространственных конструкций, применяемых в общественных сооружениях с древнейших времен. Купол представляет собой пространственную железобетонную конструкцию в виде выпуклой оболочки круглого, эллиптического или многоугольного очертания в плане. Элементами куполов служат осесимметричная оболочка вращения и растянутое опорное кольцо. Опорное кольцо может лежать на сплошном основании, образованном стенами, или на отдельных колоннах.
Купола проектируются в виде пологих или подъемистых тонкостенных оболочек.
Исходя из архитектурных и эстетических соображений, покрытия и перекрытия зданий могут также проектироваться в виде складчатого купола, из сопряженных купольных оболочек, а также в виде неполного купола.
Оболочки отрицательной кривизны
Типичным представителем оболочки отрицательной гауссовой кривизны является поверхность гиперболического параболоида (гипара).
В покрытиях могут быть использованы однолепестковые и многолепестковые гипары. В большинстве случаев гипары являются распорными конструкциями. Особое внимание при расчете и конструировании оболочек отрицательной кривизны необходимо уделять несимметричным нагрузкам, они вызывают в большинстве случаев большие напряжения и деформации, чем симметричные. Гипары могут воспринимать значительные сосредоточенные нагрузки, приложенные к ребрам.
Гипары могут выполняться сборными и монолитными. Монолитные оболочки конструируются гладкими, без ребер. В сборном варианте разрезка на плиты осуществляется по направлению прямолинейных образующих и направляющих. Плиты по краям окаймляются ребрами. Совпадение геометрии двух поверхностей - исходной и получаемой в результате сборки плит - достигается за счет переменной толщины монолитных швов. Гипары могут изготовляться из тяжелого и легкого бетонов.
Область применения и достоинства
Сооружение оболочек дает возможность перекрывать большие площади без промежуточных опор; это не только намного снижает расход материалов, но и создает значительные преимущества при проектировании промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Следует учитывать и такой фактор в пользу применения оболочек, как возможность быстрого переустройства внутреннего пространства без реконструкции самого здания.
Расчет
Несмотря на достоинства оболочек, их применение осложняется трудоемкостью расчета данных конструкций, что обусловлено нелинейностью их формы. Однако современные компьютерные программы существенно облегчают задачу и расширяют границы использования оболочек.
Расчет производиться по двум предельным состояниям: предельные состояния первой группы (по полной непригодности к эксплуатации вследствие потери несущей способности); предельные состояния второй группы (по непригодности к нормальной эксплуатации вследствие образования или чрезмерного раскрытия трещин, появления недопустимых деформаций и др.).
Расчеты по предельным состояниям первой группы включают расчет по прочности, с учетом в необходимых случаях деформированного состояния конструкции перед разрушением, и устойчивости.
Для непосредственного определения несущей способности конструкций успешно используется метод предельного равновесия. Метод предельного равновесия рассматривает равновесие конструкции в момент исчерпания несущей способности и перехода в изменяемую систему
При проектировании тонкостенных конструкций оболочек, особенно большепролетных, следует учитывать опасность потери устойчивости и их деформированного состояния.
При испытании конструкции оболочки на устойчивость обычно наблюдается значительный разброс значений критических нагрузок. Это вызвано, как правило, неоднородностью напряженного состояния, начальными несовершенствами формы и граничных условий.
Как правило, значение верхней критической нагрузки, найденное с учетом начальных несовершенств, более точно оценивает действительную величину нагрузки, при которой происходит потеря устойчивости оболочки, чем расчет по формулам, основанным на понятии нижней критической нагрузки.