Деревянные купола
Купольные покрытия являются самой распространенной формой пространственных конструкций, в том числе из древесины, фанеры, пластмасс. Будучи одним из наиболее экономичных видов оболочек на круглом или многоугольном плане, они получили широкое распространение в гражданском, промышленном и сельскохозяйственном строительстве.
Очертание куполов зависит от архитектурных и технологических требований, вида материала, типизации элементов, простоты изготовления, транспортировки монтажа конструкций. Купола из клеефанерных элементов достигают диаметра 90 м. Известные к настоящему времени возведенные деревянные купола достигают пролета 153 и 162 м, а покрытие над стадионом «Нью-Орлеан Супердоум» (The Mercedes-Benz Superdome) вместимостью до 73000 зрителей, разработанное в США в форме ребристого купола на эллиптическом плане с сетчатым заполнением из клееной древесины и фанеры, имеет наибольший диаметр 257 м.
Рис. 1 Мерседес-Бенц Супердоум в Новом Орлеане, Луизиана, США
Основными нагрузками, действующими на купольное покрытие, являются: собственный вес конструкции, снеговой покров, технологическая нагрузка от массы оборудования и приспособлений; для подъемистых куполов - ветровая нагрузка.
Методика расчета купольных покрытий зависит от типа оболочки и вида нагрузки - осесимметричной и неосесимметричной. К первой, как правило, относится собственный вес конструкции; как вариант - масса сплошного снегового покрова и симметрично подвешенного оборудования. Ко второй - ветровая нагрузка; как вариант - односторонняя снеговая и масса несимметрично расположенного оборудования.
Оболочка купола считается пологой, если отношение стрелы подъема купола к его диаметру не превышает 1/5. При отношении стрелы подъема купола к его диаметру не более 1/4 ветровой напор создает на поверхности купола отсос, который разгружает купол и при достаточном собственном весе покрытия может не учитываться. Однако легкие пластмассовые купола необходимо проверять расчетом на действие отсоса ветра.
Деревянные тонкостенные купола-оболочки
Деревянные тонкостенные купола-оболочки проектируют диаметром 12-35 м; они, как правило, имеют сферическое очертание. Купол состоит (рис. 2) из меридианных ребер (арочек), верхнего и нижнего опорных колец, кольцевого и косого настилов.
Меридианные ребра воспринимают сжимающие усилия в оболочке по направлению меридиана и передают их на верхние и нижние опорные кольца. Ребра состоят из нескольких слоев склеенных или сбитых гвоздями досок, общей высотой поперечного сечения не менее 1/250 диаметра купола, которую принимают из условия его жесткости. Шаг ребер по нижнему опорному кольцу назначают 0,8 - 1,5 м.
Верхние концы ребер присоединяют шарнирно к верхнему сжатому кольцу. Ребра передают на кольцо продольную и поперечную силу. Соединения осуществляют металлическими накладками, присоединяемыми к ребрам болтами, глухарями или зубчатыми шпонками. При значительных поперечных усилиях применяют сварные металлические башмаки.
Верхнее кольцо изготавливают металлическим или деревянным. Деревянные кольца могут быть клееными или кружальными на гвоздях. Диаметр верхнего кольца принимают таким образом, чтобы к нему беспрепятственно примыкало требуемое количество меридианных ребер. Отверстие кольца часто используют как световой или аэрационный фонарь.
Нижнее опорное кольцо воспринимает распор меридианных ребер и работает на растяжение. Оно может быть железобетонным, деревянным или металлическим в зависимости от уровня опирания купола и вида нижних опорных конструкций (железобетонные фундаменты, металлические или деревянные стойки и т.д.). Концы ребер должны быть заанкерены в опорном кольце, а последнее надежно соединено с нижележащими конструкциями.
Рис. 2 Тонкостенный купол-оболочка диаметром 30 м
а - поперечный разрез и план; б - примыкание к верхнему опорному кольцу;
в - детали покрытия; г - примыкание к нижнему опорному кольцу;
1 - дощатые ребра; 2 - нижний слой кольцевого настила; 3 -верхний слой кольцевого настила; 4 - косой настил; 5 - кровля; 6 - верхнее опорное кольцо; 7 - нижнее железобетонное опорное кольцо; 8 - фонарь; 9 - металлическая деталь крепления ребер
Кольцевые настилы воспринимают усилия, действующие в кольце вом направлении оболочки. В нижней части купола, где могут возникать растягивающие кольцевые усилия, кольцевой настил выполняют из двух слоев досок. Нижний укладывают непосредственно на меридианные ребра, верхний - перекрывает стыки нижнего, сдвигаясь относительно их на половину длины доски. Оба слоя прибивают гвоздями.
Доски не выкружаливают и поэтому между ними образуются зазоры. Вместо досок можно применять склеенные по длине плети брусков. В этом случае настил может быть одинарным, стыки плетей располагаются вразбежку и соединяются гвоздями через меридианное ребро или смежные бруски. Толщину досок кольцевого настила принимают 19-25 м.
В верхней части купола, где действуют сжимающие кольцевые усилия, настил выполняют из одного слоя досок (брусков) толщиной, равной двойному нижнему кольцевому настилу.
Косой настил воспринимает сдвигающие усилия, которые возникают при несимметричной нагрузке на купол. Он состоит из одного слоя досок толщиной 16-25 мм, укладываемого поверх кольцевого настила от одного меридианного ребра к другому, под углом около 45°, образуя на поверхности купола елочку.
Деревянные тонкостенные купола-оболочки собирают с помощью лесов. Особое внимание обращают на приторцовку стыков сжатого кольцевого настила.
Статический расчет куполов-оболочек производят по безмоментной теории, согласно которой для сферической оболочки при действии на нее осесимметричной нагрузки основное уравнение напряженного состояния имеет вид
T 1 + T 2 = qR,
где Т 1 - меридиональное усилие на единицу длины кольцевого сечения;
Т 2 - кольцевое усилие на единицу длины дуги меридиана;
q - равномерно распределенное нормальное к поверхности купола давление, направленное к центру сферы;
R - радиус сферического купола (рис. 8.29а).
Рис. 3. Нагрузки и усилия в куполе-оболочке:
а - расчетная схема;
б - эпюры меридиональных и кольцевых усилий от собственного веса купола; в - то же, от снеговой нагрузки;
г, е - эпюры ветрового давления на купол в поперечном сечении и в плане;
д, ж - симметричная и кососимметричная эпюры ветрового давления на купол
Купольные покрытия обладают хорошей обтекаемостью. Поэтому при f/l < 1/4 достаточно учесть только симметричный отсос. Для купола c f/l > 1/4 следует принимать во внимание и кососимметричную ветровую нагрузку.
В деревянных тонкостенных куполах-оболочках гвозди, соединяющие настилы купола с меридианными ребрами, рассчитывают на разность усилий Т 1 по их длине.
Двойной кольцевой растянутый настил проверяют на прочность по площади F нт = 0,5 F бр.
Гвозди в растянутом кольцевом настиле рассчитывают из условия перекрытия его стыков и размещают в местах пересечения досок настила с меридианными ребрами. Доски косого настила проверяют на сдвигающие усилия S, на эту же силу рассчитывают гвозди, соединяющие косой настил с меридианными ребрами.
Верхнее кольцо купола проверяют на сжатие с учетом опасности потери устойчивости и на смятие в стыках.
Расчетные формулы имеются в учебниках.
Ребристые купола
Ребристые купола - конструктивная схема купольных покрытий, состоящая из отдельных, поставленных радиально плоскостных несущих криволинейных или прямолинейных ребер, опирающихся в верхнее и нижнее опорные кольца или фундаменты (рис. 4). Ограждающая часть покрытия, уложенная по верхним граням ребер, образует поверхность купола. Покрытие состоит из дощатых щитов или настила по кольцевым прогонам, клеефанерных или стеклопластиковых плит.
Несущие меридианные деревянные ребра постоянного или переменного сечения могут быть выполнены в виде полуарок (поверхности положительной гауссовой кривизны) или прямолинейных элементов (конические купола) из клееной древесины, фанеры или досок со сплошной или сквозной стенкой на гвоздях, а иногда из ферм. Несущие ребра увеличивают жесткость купола, позволяют воспринимать сосредоточенные нагрузки от оборудования, способствуют приданию оболочке проектной формы при возведении без лесов и облегчают монтаж покрытия.
Высоту поперечного сечения ребер принимают в пределах 1/50 - 1/75 диаметра купола. Ребра устанавливают по нижнему опорному кольцу с шагом 4,5 -6 м. Для обеспечения устойчивости ребер из плоскости и повышения общей жесткости покрытия между двумя соседними ребрами купола устанавливают связи. Количество пар ребер, соединенных связями, принимают не менее трех. Ребра соединяют попарно по всему покрытию.
Дощатый настил укладывают по прогонам в два слоя - продольный и косой. Верхнее сжатое кольцо в отличие от кольца тонкостенных куполов-оболочек проектируют более жестким, или применяют жесткое соединение ребер с кольцом, учитывая его работу на изгиб и кручение, так как два ребра, расположенные в одной диаметральной плоскости, работают как арочная конструкция, прерванная в коньковом шарнире кольцом. При большом диаметре верхнее кольцо для повышения его жесткости и устойчивости раскрепляют внутренними распорками. Нижнее опорное кольцо может быть круглого или многоугольного очертания из железобетона, металла или древесины. Соединение ребер с нижним кольцом осуществляется шарнирно (рис. 4).
Рис. 4. Ребристый купол диаметром 48 м
а - схема купола; б, в - варианты узлов примыкания ребер к верхнему кольцу; г - узел примыкания ребер к фундаментам; д - поперечный разрез конического ребристого купола;
1 - ребро; 2 - прогоны или панели; 3 - скатные связи; 4 - кровля; 5 - верхнее металлическое опорное кольцо; 6 - металлическая планка; 7 - зубчатая шпонка; 5 - ребро жесткости; 9 - пластичный шарнир; 10 - клин из клееной древесины; 11 - полимербетон; 12 - столик опорного кольца
Расчет ребристых куполов на вертикальную симметричную относительно оси купола нагрузку может быть выполнен расчленением покрытия на отдельные плоские арки, каждая из которых воспринимает нагрузку с приходящейся на нее грузовой площади треугольного очертания. При расчете купола на горизонтальную ветровую или несимметричную вертикальную нагрузки конструкцию также расчленяют на диаметрально расположенные арки. Арка, получающая от нагрузки наибольшее горизонтальное смещение, испытывает упругий отпор остальных арок, расположенных под углом к ней. Для простоты считают, что горизонтальные сечения купола не деформируются, а только смещаются в горизонтальном направлении одно относительно другого. Тогда упругий отпор на рассматриваемую арку можно считать приложенным в ключе арки и усилия определяются из условия совместности деформаций всех арок в ключевом шарнире, используя при этом уравнение метода сил. Такой расчет можно выполнить по методике, изложенной в курсе «Металлические конструкции» под общей редакцией проф., д. т. н. Е. И. Беленя.
Для приближенного расчета в запас прочности можно рассчитывать арки на все виды загружения как обычные плоские системы (рис. 5 а). При подборе сечения арок в зависимости от жесткости и надежности их соединения с кольцевыми прогонами последние могут обеспечивать общую устойчивость меридианных ребер из их плоскости, уменьшая расчетную длину ребер при проверке устойчивости плоской формы деформирования.
Рис. 5 Расчетные схемы ребер куполов
а – ребристого; б – ребристо-кольцевого
Расчет верхнего и нижнего колец выполняют аналогично куполам предыдущего типа.