Чертеж металлических конструкций купола. Купольные конструкции. Соединение купола из металлических труб
Купол - оболочка, образованная поверхностью вращения. При равных толщинах конструкции им можно перекрыть в несколько раз большие пролеты, чем плоскими плитами. Структура - пространственная стержневая система, образуемая на основе многократно повторяющихся элементов. Трубчатые стержневые элементы структур работают на растяжение или сжатие.
Предлагаемое авторами конструктивное решение купола выполнено на примере архитектурного эскиза центра фристайла, строительство которого планируется осуществить в Минске. Исходные параметры: диаметр - 100 м, высота - 24 м, материал - металл, полезная нагрузка - кровля, снеговая, технологическая и др. - 5 кПа. конструкции. М.: Стройиздат, 1969.
Типы соединения каркаса купольных конструкций
Перед Иденом, Гримшоу разработал аналогичную структуру для Международной станции Ватерлоо в Лондоне. Геодезическая концепция обеспечивала наименьший вес и максимальную площадь поверхности на кривой - с прочностью. В тот момент, когда мы это увидели, нам это понравилось, потому что это казалось естественным - биологическим ответом на наши потребности, но выкованным в материалах, которые позволили бы нам исследовать культивирование растений так, как никогда раньше.
Яма глины все еще добывалась, когда были созданы Биомы. Перед лицом этого постоянно меняющегося ландшафта Гримшоу поразила идею мыльных пузырей. Помните пузырьки в детстве? Они приспосабливаются к любой поверхности, на которой они оседают. И, когда соединяются два или более пузырьков, линия соединения всегда точно перпендикулярна. Основываясь на «плотных» структурах Биома на мыльных пузырях, это был прекрасный способ построить неравномерные и смещающиеся пески ямы.
Купола как строительные конструкции, перекрывающие пролеты 40 и более метров, строят на земле уже почти две тысячи лет. Трудно удержаться, чтобы не привести технические параметры наиболее интересных конструкций, возведенных в течение прошедших тысячелетий. История проектирования и строительства некоторых весьма поучительна и захватывающе интересна.
Каждый купол имеет так называемый шестигранный квадрат с двумя слоями. Внешний слой выполнен из шестиугольников плюс нечетный пятиугольник. Внутренний слой содержит шестиугольники и треугольники, соединенные болтами. Структуры, скорее всего, сдуваются, чем вниз, поэтому привязаны к основанию наземными якорями, немного похожими на штыри для палаток. Прозрачные «окна» в каждом шестиугольнике и пятиугольнике состоят из сополимера этилентетрафторэтилена или «цепляют пленку с отношением», как мы ее называем.
Каждое окно имеет три слоя этого невероятного материала, раздутого, чтобы создать подушку в два метра. Слово «биомимика» описывает процесс, когда люди заимствуют конструкции и системы от природы, чтобы создать свою собственную технологию. Он использовал противоположные спирали математически на основе последовательности Фибоначчи, где каждое число является суммой двух предыдущих. В кратком изложении он попросил архитектора о том, чтобы здание соответствовало целям, надежным будущим, изготовленным из ответственно источников, энергоэффективных и построенных с минимальными затратами.
125 г. н.э. D = 43,4 м. Рим. Бетонный (!) кессонированный купол (opus caementium) Римского пантеона - самый прославленный, самый величественный, самый совершенный, лучше всех сохранившийся, чаще всех копируемый, грандиознее всех перекрытый - обилие превосходных степеней характерно для всех его описаний. Построен 1880 лет назад и до сих пор стоит - лучшего примера надежности не найти (!). Пролет купола в 43,4 м был превзойден только через 1800 лет. Бетон заливался вокруг деревянных кессонных форм, в основании слой бетона достигает 6 м, а наверху его толщина всего 1,5 м. Общая масса купола около 5 тыс. т. Полусферический купол имеет в центре круглое, обрамленное бронзовым бордюром отверстие диаметром 9 м - единственный источник освещения. Купол поднимается над ротондой на 22 м. Архитектор этого грандиозного сооружения неизвестен.
Конструкция выполнена из двустворчатых брусчатых балок. Эта необычная инициатива привела к гораздо большей работе в цепочке поставок полезных ископаемых. В другом месте в ядре вы найдете переработанную древесину, заводские полы и бетон из фарфорового песка.
Иден показывает, что вы можете достичь того, на что наложили свое сердце. Использование куполов в горном деле отвечает различным потребностям, таким как уход за окружающей средой и окружающей средой. Существуют также купола, построенные на основе сетчатых стальных конструкций и металлических крыш, которые используются для инкапсулирования коллекций руды любого типа, формы и размера, что непосредственно влияет на процессы добычи в соответствии с аспектами окончательного контроля взвешенной пыли и минимизация в глобальных процессах обслуживания горных предприятий, среди других преимуществ.
В 30-е годы ХХ века Бакминстер Фуллер разработал знаменитую пространственную конструкцию геодезического купола - полусферы, собранной из тетраэдров, которая стала одной из крупнейших конструктивных новаций минувшего столетия.
1960 г. D = 53 м. Сент-Луис, США. Геодезический купол “Климатрон” высотой 21 м, используемый как оранжерея ботанического сада, выполнен в алюминиевых конструкциях.
Купола для складского использования позволяют выполнять конструкции, особенно подходящие для разрешения больших огней и мощных горизонтальных нагрузок, что вместе с его герметичностью делает их альтернативой для строительства крупных складов. Журналистское строительство.
Имея различные размеры, материалы и уникальную форму, купола использовались в горнодобывающем секторе для выполнения ряда функций, начиная от ухода за окружающей средой и заканчивая задачами хранения и лагерями. И дело в том, что, в зависимости от случая, его формы и структуры, приносят различные выгоды как в эффективности задачи, так и в процессе строительства. Выбор типа и метода построения будет зависеть от нескольких элементов, включая конкретные потребности клиента и функции, для которой требуются эти структуры, и другие.
1960 г. D = 59,2 м. Рим. Купол спортзала Паллаццето. Железобетонный накат по сборным армоцементным элементам. Инженеры Вителоцци и Нерви.
1965 г. D = 196 м. Хьюстон, США. Один из крупнейших крытых стадионов “Астродом”, расположен рядом с космическим штабом НАСА. Высота купола 26,4 м.
1975 г. D = 212 м. Новый Орлеан, США. Купол стадиона на 95 тыс. зрителей. Его высота 32 м, площадь 3,54 га.
Внутри и на мембране предполагается, что полиуретановая пена будет выполнять совместный процесс постепенного размещения стальных арматур и бетонной проекции до полной конструкции железобетонной конструкции. В случае этой компании через свой веб-сайт указано, что внешняя мембрана сама по себе является водонепроницаемой, что усиливает гидроизоляционную способность полиуретана. В процессе строительства бетон проектируется в последовательных слоях от 3 до 4 см, что уменьшает ретракции и улучшает непроницаемость.
Кроме того, благодаря характеру системы он позволяет принимать решения с различными геометриями и оптимальное использование доступной площади пола вместе с уменьшением объема конструкции с максимальной настройкой на требуемую емкость. Он имеет боковое отверстие, расположенное приблизительно 18 метров в высоту, где входит трубчатый ремень, который подает укладчик медного концентрата.
1997 г. D = 188 м. Nagoya, Япония. Купол спортивно-концертного комплекса на 40 тыс. зрителей. Высота 67 м, площадь поверхности 48 тыс. м2. Самый большой в мире купол, выполненный в виде однослойной структуры по схеме lattice. Стержни из стальных труб диаметром 65 см и длиной 10 м. Совместная разработка Takenaka Corporation и Mitsubishi.
1999 г. D = 320 м. Гринвич, Англия. Купол тысячелетия Миллениум. Архитектор Ричард Роджерс. Гигантская полусфера имеет высоту 50 м, 12 мачт высотой 100 м поддерживают скорлупу, представляющую собой двойное покрытие из панелей в форме секторов. Если убрать тросы, то купол не упадет, а лишь деформируется. Человеку удалось создать только два объекта, которые можно разглядеть из космоса, - Великую Китайскую стену и Миллениум.
Купол оптимальной формы
Для его конструкции использовалась надувная мембрана, которая была прикреплена к фундаментному кольцу, ограничивающему размер купола. Наконец, бетон был спроектирован вручную. На внешней поверхности мембрана осталась в поле зрения, так как это было бы, по мнению ее поставщика, непроницаемым и устойчивым к окружающей среде.
Это подразумевало серию испытаний дозировки и состава смеси до выполнения требуемых требований. Купол не учитывает сейсмические изоляторы; однако он был спроектирован в соответствии с требуемыми критериями проектирования и представлен на утверждение сейсмических обозревателей для проверки полного соблюдения существующих правил.
2000 г. D = 110 м. Стокгольм, Швеция. Globen - спортивно-концертный комплекс. Крупнейшее сферическое сооружение в мире высотой 85 м.
2002 г. D = 125 м. Корнуэлл, Англия. Архитектор Николас Гримшоу. Гряда куполов ботанического сада “Эдем”. Cтруктура фирмы “Mero”, расход стали 24 кг/м2.
2002 г. D = 220 м. Сеул, Корея. Купол концертно-спортивного комплекса на 50 тыс. зрителей. Архитектор Николас Гримшоу.
Купола с сетчатой стальной конструкцией и металлическим покрытием. Купола позволяют выполнять конструкции, особенно подходящие для разрешения больших огней и мощных горизонтальных и вертикальных нагрузок, что вместе с их герметичностью делает их альтернативой для построения крупной инкапсуляции. Кроме того, ответ на требования, предъявляемые этими структурами, эффективен, поскольку из-за параболической формы распределение нагрузок позволяет работать с профилями меньших размеров, чем в случае структур с жесткими рамами для достижения объемов хранения желательно.
2006 г. D = 230 м. Пекин, Китай. Купол Национального театра оперы.
Раздвижные купола
1963 г. D = 127 м. Питсбург, США. Купол стадиона - патриарх современных сооружений с раздвижными покрытиями. Он состоит из 8 лепестков, 6 из которых подвижны и накатываются на 2 неподвижных. Секторные элементы оболочки изготовлены из алюминиевых сплавов.
Структура спроектирована таким образом, чтобы выдерживать нагрузки и требования окружающей среды, поэтому она представляется в качестве жизнеспособного решения проблемы инкапсуляции больших объемов массы. Вклад в горнодобывающую промышленность включает в себя проектирование и поставку структурной системы, которая позволяет инкапсулировать минеральные отложения любого типа, формы и размера, которые непосредственно влияют на процессы добычи в соответствии с аспектами окончательного контроля взвешенной пыли.
Существует также минимизация глобальных процессов обслуживания горных предприятий, поскольку нет пыли для декантации; прямой выгоды для здоровья работников и местных сообществ и контроля за потерей полезных ископаемых, - объясняет Хуан Пабло Джийена, представитель в Чили Геометрики, североамериканской компании, специализирующейся на таких решениях. Еще одна характеристика этой системы заключается в том, что она является самонесущей на этапе ее строительства, что позволяет собирать купол без остановки или изменения добычи.
1970 г. D = 35 м. Камакуленд, Япония. Купольный раздвижной театр. 6 крайних сегментов-лепестков неподвижны, а 4 средних разъезжаются в разные стороны от оси симметрии, подкатываясь под крайние.
1989 г. D = 180 м. Торонто, Канада, Sky Dome. Максимальное расстояние между опорами 209 м, высота 86 м. Состоит из трех подвижных и одной стационарной стальных групп. Несмотря на свой огромный вес - 11 тыс. т и площадь - 3,2 га, купол раскрывается в течение двадцати минут.
Эта операция по выщелачиванию медного выщелачивания, расположенная в регионе Антофагаста, использует обычные методы добычи открытым способом: чистый медный катод производится на трех этапах измельчения и укладки руды, а затем выщелачивание и бактериальная активность чтобы получить медь из руды в раствор. Затем экстракция растворителем и процесс электроосаждения отделяет медь от раствора, получающего медный катод высокой чистоты. Кроме того, флотационная установка восстанавливает медь, содержащуюся в тонкой фракции измельченной руды.
1993 г. D = 213 м. Фукуоке, Япония. Купол бейсбольного стадиона на 52 тыс. зрителей. Трехслойная структурированная конструкция общей площадью 69 тыс. м2. Два подвижных сегмента раздвигаются на 120 градусов, открывая 60% площади. Покрытие из титановых листов.
2003 г. 360х210 м. Бранде (бывшая советская военная база), Германия. Огромный раздвижной ангар для двух дирижаблей. Шесть арочных подвижных сегментов высотой 107 м, открываясь, обеспечивают проем шириной 90 м. Элементы стальных конструкций изготовлены в Польше.
По этой причине они нуждались в решении, которое давало требуемые гарантии работоспособности и быстро, главным образом потому, что стандарты производства горнодобывающей компании не позволяли выбросам твердых частиц в окружающую среду без надлежащего контроля. Спецификации структуры для покрытия вторичного склада руды, которая была собрана из оцинкованной стали с алюминиевыми соединителями, указали, что площадь покрытия составляет 155 м², площадь пола составляет 088 м² и диаметр 95 метров. Сварка не требуется, потому что соединение между трубами и разъемами является механическим, - говорит Джийена.
Структура большепролетного купола
Предпосылки. Металлоконструкции куполов больших пролетов (до 125 м), созданных в последнее время, выполнены, как правило, однослойными сетчатыми или в неких пространственных структурированных конструкциях. Например, типовые металлоконструкции элементов куполов, выпускаемые заводами США (Temcor) и Европы (Mero), изготовлены по сетчатой или структурной схеме. Лишь один купол - спортцентра “Динамо”, построенный в 2005 г. в Москве (разработчик - ЦНИИПСК им. Мельникова), выполнен с массивными сплошностенчатыми двутавровыми арками, кольцами и связями. Довольно подробная информация о нем опубликована в журнале “Промышленное и гражданское строительство” (№ 5, 2005 г.). Правда, авторы скромно умолчали о расходе металла. Судя по фотографиям, можно предположить, что удельный расход стали составил более 150 кг/м2. Сооружение получилось неоправданно металлоемким. Что интересно, купола из легких алюминиевых сплавов, построенные по чертежам этого же института даже под большую нагрузку, имеют расход металла всего лишь 12…20 кг/м2. Большая масса конструкции, на наш взгляд, иллюзия надежности.
Трубки скользят в разъемы, а затем детали закрепляются стальными шайбами, ввинченными в резьбовой стальной стержень, который проходит через центр соединителя. Со своей стороны, салазки были предварительно изготовлены для конструкции купола, обеспечивая равномерную поверхность для покрытия покрытия, которая, в свою очередь, состояла из оцинкованных стальных гофрированных листовых панелей плюс полупрозрачные листовые панели, позволяющие вводить естественный свет внутри.
Другие компоненты включали формовки, выступы и желоба. Из компании они указали, что одной из основных проблем во время установки было то, что рудная свая использовалась, и операции были чрезвычайно пыльными. «Рабочие использовали пылезащитные маски, а операторы перевозчика сотрудничали, откладывая его, когда ветер вызвал особенно неблагоприятные условия», - говорит Джиенена. 
Самый большой - 145 м в диаметре и 94 м в высоту, а другой - 52 метра в диаметре. Эта система использует форму в качестве структурного элемента и позволяет создавать купола и своды без промежуточных колонн, устраняя ненужные пробелы и максимизируя администрирование без препятствий для инвентаря, оборудования и персонала.
Идея. Из возможных конструктивных схем - ребристо-кольцевой, сетчатой однослойной, структурной, выбрана схема трубчатой пространственно-стержневой сферической структуры. Для пролетов до 100 м строят обычно однослойный сетчатый купол. Но в однослойных оболочках существует проблема устойчивости. Для больших пролетов уже необходима некая пространственная структурированная конструкция. Представленная ниже принципиальная схема (рис. 1-3) сферической структуры предназначена для большепролетных куполов. Эта конструкция подходит и для небольших (менее 100 м) купольных сооружений, где нужна высокая степень надежности для исключения экстремальных ситуаций. В данном случае для обеспечения высокой надежности сооружения принята двухслойная с раскосами сетчатая сферическая структура.
В международных делах выделяется проект в горнодобывающей промышленности Сан-Кристобаль в Боливии; Открытая шахта, производство которой состоит из серебра, цинка и свинца. Здесь она была направлена на предотвращение выброса пыли из накопительной сваи путем защиты материала, ожидающего транспортировки на завод по переработке минеральных удобрений. Для этого была построена конструкция диаметром 140 м и высотой 59 м, закрепленная в бетоне. Кроме того, структура состоит из более чем 1000 оцинкованных стальных труб, организованных и вставленных в алюминиевые соединители.
При проектировании рациональной пространственной конструкции решаются две самые сложные задачи: 1) геометрия стержневой системы и генерация цифровой модели; 2) узловое соединение стержней. От этого зависит экономичность конструкции, а главное - возможность изготовления несложного узлового соединения стержней. Для предлагаемой конструктивной схемы подходят (как ни странно) с минимальными доработками стержневые элементы и узловые соединения, разработанные для плоской структурной плиты и доказавшие свою надежность на реальных объектах. Концепция представленной нелинейной структурной конструкции разработана не с нуля, а путем адаптации и доработки уже существующих плоских структур.
Узел соединения стержней (рис. 4). Безусловно, наиболее ответственная, сложная и самая главная деталь в структурной конструкции, а тем более в сферической - узловое соединение стержней. Узел - это момент истины всей структуры. Собственно структура и состоит из двух деталей - узлов и стержней. Со стержнем все ясно, его исполнение диктуется конструктивом узла. А вот придумать простой в изготовлении, а главное, надежный узел - задача непростая. Конструкция узлового соединения зависит от пространственного расположения стержней и возможностей завода-изготовителя. Для западных конструкторов задача упрощается - любой самый экзотический узел с машиностроительной точностью и высоким качеством изготовят на заводе. Цена там не является главным критерием. Например, этот интересный узел (рис. 5, 6), серийно изготавливаемый для небольших куполов, больше похож на карданный шарнир трансмиссии вездехода, чем на элемент строительной конструкции.
Время от времени одним из авторов (А. Качуровским) предпринимались попытки применить узел плоской структуры, обладающий высокой несущей способностью и достаточной технологичностью, для сферической структуры, но были безуспешными. Хотя потребность в нелинейных структурах у архитекторов есть. Но адаптировать апробированный узел никак не удавалось.
И вот только нарушив стереотипы и вращая в пространстве в немыслимых ракурсах и позициях узловой элемент, в какой-то момент стало ясно, что узел плоской структуры, способный соединить в одной точке 12 стержней, практически один к одному может быть применен и для стыковки 9 стержней сферической структуры. Необходимо лишь его должным образом сориентировать в пространстве и совсем немного доработать. Схема узла показана на рис. 4.
Учитывая опыт Брунеллески, построившего кирпичный купол Санта-Мария дель Фьоре, но так и не раскрывшего секрет его возведения без кружал, конструктивные тонкости не приводим, поскольку узел еще не запатентован. Для его изготовления не требуются специализированные заводы-производители. Аналогичный узел применен в трехслойных структурах зданий спорткомплекса игровых видов спорта и магазина беспошлинной торговли в Бресте. Получилось удачно совместить апробированный узловой элемент с рациональной в работе геометрией.
Геометрия. Узлы и соединительные стержни формируют пространство, заключенное межу ними, - зону. Зоны могут быть в виде тетраэдра, гекосаэдра (куба), октаэдра, додекаэдра, икосаэдра (треугольника) и т.д. Их форма может обеспечивать или не обеспечивать жесткость стержневой системы, например, тетраэдр, октаэдр, икосаэдр являются жесткими. Хотя сферическая сеть куполов “Эдема” (D = 125 м) построена на основе додекаэдров (шестиугольники, соты). От геометрии пространственно-стержневой системы зависит также ее рациональность. Геометрия, а точнее стереометрия, стержневой системы рассматриваемого концепт-купола основана на жестком восьмигранном модуле, многократно повторенном для формообразования оболочки купола (рис. 7).
На фрагменте макета (рис. 8) модуль выделен цветом. Интересно, что кристаллы синтетических алмазов, получаемые из углерода, имеют восьмигранную форму. Геометрия компоновочной схемы купола выполнена по мотивам систем структурных куполов, предложенных профессором Вроцлавской Политехники Я. Рембелякем (Janusz Rкbielak).
Геометрия оболочки купола определяет эффективность конструкции. В свое время Фуллер для геодезической сети производил сложнейшие вычисления длин стержней с точностью до шестого знака после запятой. Сейчас компьютер предоставляет для этого более широкие возможности. Есть даже программы построения сферических сетей по различным схемам. Однако построить цифровую 3D модель сферической структуры - основу расчетной и конструктивной схем - не так-то просто.
Конструктивное решение. Материалы
Вариант 1. Сферический купол диаметром 100 м и стрелой подъема 24 м. Структура выполнена, как и большинство мостовых и пространственных конструкций в Европе, из модной трубы. Стержневые элементы - из круглых труб диаметром 60…120 мм, t = 4…8 мм. Наружная сферическая поверхность радиусом 60 м формируется стержнями из круглых или прямоугольных труб, внутренняя поверхность купола и раскосы - из круглых труб. Трубчатые элементы стыкуются с помощью узлового соединения на болтах из нержавеющей стали класса А2. Болты работают как двухсрезные. По принятой схеме в узел приходит максимум 9 стержней, всего же такой узел может состыковать 12 стержней. Диаметры труб соответствуют расчетным усилиям. Еще одно хорошее свойство структур - возможность изменения материала в соответствии с изменением усилий в элементах. Так, для оптимизации всей конструкции нижняя, наиболее нагруженная часть сделана из коррозионно-стойкой стали НС-5Т, хотя для этой цели подходят и обычные - Ст. 20 или 09Г2С. Но по соотношению цена-качество лучший вариант - высокопрочная азотистая сталь НС-5Т, которая имеет высокие прочностные параметры: R = 491 МПа, ударная вязкость KCV = 98 Дж/м2. Верхняя часть структуры выполнена из коррозионно-стойких легких алюминиевых сплавов 1915Т или АДЗЗТ1, узловые элементы - из стали НС-5Т или ЗОХГСА. Большинство стержневых элементов выполнены из труб длиной менее 3,3 м. Стержни под большие сжимающие нагрузки и длиной более 3,3 м - из двух труб с заполнением пространства между ними сотовым заполнителем из номекса или алюминиевой фольги АМГ-2н.
Купол выполнен по беспрогонной схеме. Ограждающая конструкция - обшивка толщиной 1,5 мм из сплава АМГ-6 - крепится саморезами к прямоугольным или круглым трубам верхнего пояса. Крепеж (болты, гайки, шайбы) - из нержавеющей стали класса А2, в узлах с большими усилиями (более 50 т) - из высокопрочных болтов и гаек.
Вариант 2. Для спортивных сооружений, а тем более для фристайл-центра, где тренировки будут проходить в основном летом, конечно, купол должен быть раздвижным (рис. 9). Структура, хорошо работающая на несимметричные нагрузки, как нельзя лучше подходит для такого купола. Даже с механикой проблем не должно возникнуть, фирма Sew eurodrive изготавливает мотор-редукторы для гигантских параболических поворотных антенн и раздвижных куполов. Масса подвижных структурных секторов будет около 2 т.
Конструктивное решение предлагаемой нелинейной структуры подходит и для сферических сооружений - концертных комплексов и 3D кинотеатров IMAX.
Монтаж. Монтаж структуры похож на сборку конструктора для взрослых. Согласно монтажной схеме, стержневые элементы и узлы с помощью крепежа и гаечных ключей собираются в пространственную структуру купола. Стержни нижнего пояса посредством узловых опорных элементов крепятся к анкерным болтам железобетонного кольца. Монтаж производится снизу вверх поярусно.
Сборку структуры можно производить с помощью передвижных самоходных подмостей ПВС-12 (луноход), верхнюю часть купола собирать на отм. 0,00 и, подняв с помощью крана на проектную отметку, домонтировать переходные стержневые элементы с уже собранной частью.
Возможны также другие варианты монтажа.
Вопросы надежности. В последние годы катастрофы, вызванные обрушениями несущих конструкций крыш различных зданий и сооружений, выдвинули на первый план вопросы надежной работы большепролетных конструкций в стадии эксплуатации. Серьезно повышены требования к надежности несущих конструкций.
Структурная оболочка имеет значительно больший ресурс прочности, надежности и живучести, чем однослойная сетчатая оболочка при прочих равных условиях. Надежность работы структуры в основном обусловлена надежностью работы узлового соединения. Конструктивное исполнение узла таково, что болты в обжатом пакете работают как двухсрезные. А это значит, что в отличие от болтового соединения, работающего на растяжение, предлагаемое соединение при одинаковых диаметрах болтов имеет в два раза большие прочностные параметры. К тому же при проектировании реальной конструкции в расчетах не учитываются усилия, воспринимаемые поверхностями трения в обжимаемых элементах. При применении высокопрочных болтов запас прочности может быть более 50%. Надежность всей конструкции обусловлена резервом несущей способности узлового элемента. Натурные испытания узлового соединения показали более чем двукратный запас несущей способности по сравнению с расчетом.
Новые европейские нормы учитывают так называемый progressive collapse prevention - нужно быть уверенным, что, например, разрушение части несущей конструкции не приведет к обрушению всего здания. У нас это называется живучестью конструкции, хотя в белорусских нормах еще не прописано. В этом плане структурные конструкции наименее уязвимы благодаря замечательному свойству перераспределять нагрузку при выходе из строя некоторых стержней.
В лучших конструкциях однослойных куполов последних лет удельный расход стали около 24 кг/м2 (например, в конструкциях ботанического сада “Эдем”). В двухслойной структуре из того же металла и под такую же нагрузку расход может быть несколько больше, но зато и надежность значительно выше.
Эстетика сооружения. В интерьере легкая ажурная структура смотрится интереснее, чем массивные двутавровые балки. Прочная и надежная конструкция должна быть красивой. Для конструкции купола удачно применен авиационный принцип - хорошо и надежно летать может только красивый самолет. В справедливости этого афоризма один из авторов (А. Качуровский), будучи пилотом брестского аэроклуба и летая на заводских и самодельных аппаратах, неоднократно убеждался.
Эффективность представленной концепции большепролетного купола заключается в меньшей металлоемкости по сравнению с другими принципиальными схемами купольных сооружений, простоте изготовления и малой трудоемкости сборки.
Лирическое отступление
Авиастроительная, судостроительная и просто строительная индустрии живут, совершенно не пересекаясь, а между тем у всех при разработке конструкций самые главные вопросы - прочность и надежность. Инновационные технологии и материалы авиа- и судостроителей не проникают в область строительных конструкций, хотя там есть чему поучиться.
Трудно придумать худшие условия эксплуатации конструкции, которым подвергается, к примеру, легкая двадцатиметровая яхта Volvo в кругосветной гонке, противостоя яростным штормам, гигантским волнам и ураганам. А изготовлена она в основном из композитных материалов: корпус - из углепластика с сотовым наполнителем из номекса, паруса - мейларовая пленка, армированная арамидными волокнами, ванты - из кевлара, бегучий такелаж - из волокон Vectran.
В еще более тяжелом режиме работает конструкция легкого спортивного самолетика EDGE 540 (США) во время акробатических гонок. Крылья и фюзеляж выполнены также из композитов, но имеют фантастический запас прочности и надежности. Собственный вес несущих конструкций 250 кг, полетный - 700 кг. При исполнении в воздухе трюков крылья, работающие консольно, выдерживают издевательскую перегрузку более 15 g. То есть 4-метровая консоль крыла массой менее 100 кг несет нагрузку, причем знакопеременную, более 10 т. Такую бы удельную несущую способность большепролетным строительным конструкциям!
А ведь такие материалы, как высокопрочные (1915Т) и особопрочные (В96ц-3п) алюминиевые сплавы, углепластики, полиарамидные волокна (кевлар), сегодня вполне доступны. Россия, например, производит кевлар даже с более высокими прочностными характеристиками, чем фирма Dupon. Расчетное сопротивление растяжению кевлара в зависимости от марки 1500…5000 МПа, для сравнения, у Ст. 20 - 380 МПа. У углеродных нитей прочность ниже, но модуль упругости значительно выше. Однако применить новые материалы и технологии конструктор может только на свой страх и риск, так как нормативных документов на этот счет у нас нет.
А на подходе уже нанотрубки, прочность которых в 50 и более раз выше стали, правда, делать их пока научились длиной не более 5 см. Но пройдет еще пару лет, и они будут использоваться в авиакосмических конструкциях. Что сделать, чтобы отрасль строительных конструкций не оставалась в стороне от новых технологий?
Технические параметры различных вариантов конструкции купола
1-й вариант: вся структура из стали Ст. 20 - 280 т.
2-й вариант: вся структура из особопрочного алюминиевого сплава В96ц-3п - 110 т
3-й вариант - комбинированный: структура из высокопрочной стали и алюминиевых сплавов - 170 т.
4-й вариант - комбинированный: структура из высокопрочных алюминиевых сплавов и композитов - 100 т.
Технология проектирования, производства и возведения большепролетных структурных конструкций отработана на строительстве объектов в Бресте. Изготовить элементы структуры купола из различных сталей, алюминиевых сплавов и композитов может машиностроительное предприятие “Компо”.
Таким образом, при наличии желания и идеи у архитектора и возможностей у заказчика в Беларуси есть потенциал, чтобы запроектировать и изготовить высокотехнологичную большепролетную нелинейную структурную конструкцию.
Литература
1. Janusz Rкbielak. Propozycje ukіadуw konstrukcyjnych przekryж strukturalnych o duїych rozpiкtoњciach // Inїynieria i budownictwo. №6. 1996.
2. Janusz Rкbielak. Koncepcja lekkich systemуw konstrukcji przekryж dachowych // Inїynieria i budownictwo. №3. 2003.
3. Алюминиевые конструкции. Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1978.
4. Mero. Space frame fundamentals.
5. The making of a tensigrity tower.
6. Meroform modular systems. Technical Documentation for M12 Lighweight Dome.
7. Creating the garden of eden. Engeenering the world’s larget greenhouse.
8. Рекомендации по проектированию структурных конструкций. ЦНИИСК им. Кучеренко. М., 1984.
9. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений. Учебное пособие. М.: Изд-во АСВ, 2002.
10. The Arup Jornal (подписка 2005).
11. The bulletin / News from around the Arup Partnersships. 2005.
12. Сахновский К.В. Тонкостенные пространственные большепролетные
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).