12.4.3.1. Конструктивные схемы. Конструктивные схемы металлических куполов можно разделить на три типа: ребристые, ребристо-кольпевые и сетчатые.
Несущая конструкпия ребристого купола представляет собой систему радиальных ребер - полуарок, которые соединяются между собой в вершине с помощью верхнего кольца. Внизу они опираются обьино на нижнее кольцо, которое воспринимает распорные усилия полуарок (рис. 12.22а) Нри этом на фундаменты передаются преимущественно вертикальные нагрузки. В отдельных случаях, при наличии хороших грунтов основания, опорное кольцо может отсутствовать, но тогда распорные усилия должны полностью восприниматься фундаментами.
Верхнее кольцо воспринимает сжимающие усилия. Нри несимметричных нагрузках в нем возникают также изгибающие и крутящие моменты. Диаметр верхнего кольца определяется размещением узлов крепления полуарок. Эти узлы конструируются жесткими.
Нижнее кольцо выполняется в виде многоугольника, число сторон которого соответствует числу ребер. В случае круглой формы кольца следует учитывать возникновение местных изгибающих моментов.
Ребра могут иметь как сплошное, так и сквозное сечение. Сплошные ребра тяжелее, но проще в изготовлении, особенно при использовании прокатных профилей. Нагрузка от кровли передается на ребра через прогоны, которые опираются на верхний пояс ребер.
Для обеспечения пространственной жесткости каркаса по меньшей мере в двух секторах необходимо установить связи по наружным поясам ребер. Система связей и прогонов должна обеспечивать устойчивость ребер из их плоскости.
Отношение высоты купола к диаметру определяется архитектурно-композиционными требованиями. Практика проектирования показывает, что при отношениях от 1/4 до 1/7 показатели массы конструкции изменяются незначительно.
Очертание ребер купола из конструктивных соображений принимается круговым. Однако часто центр окружности смещают с центральной оси. В этом случае форма купола становится не сферической, а тороидальной -стрельчатой. Для большепролетных куполов используют также эллиптиче-Рис. 12.22. Стержневые купола ское очертание ребер.
Примерами ребристых куполов являются, например, крытый стадион в Сан-Паулу (Бразилия, 1958 г.) диаметром 80 м со сквозными полуарками; раздвижной купол общественного центра в Питтсбурге (США, 1961 г.) диаметром 125 м и др. Купол павильона машиностроения ВДПХ диаметром 42 м и высотой 32 м имеет стрельчатую форму и состоит из 24 сквозных ребер-полуарок с высотой сечения 890 мм. Пояса полуарок выполнены из прокатных швеллеров, а решетка - из спаренных уголков. Вся поверхность купола светопрозрачна. Трапециевидные панели остекления крепятся к кольцевым прогонам, которые с шагом 1,45 м опираются на узлы наружного пояса.
Прогоны ребристых куполов работают только на изгиб, как вспомогательные балки, воспринимающие нагрузку от кровли и передающие ее на ребра. Если прогоны объединить в кольца и включить в пространственную схему каркаса, заставив воспринимать не только изгибающие, но и продольные усилия, то получим схему ребристо-кольцевого купола (рис. 12.226).
Ребристо-кольцевые купола являются более рациональной конструктивной схемой. Кольца существенно уменьшают изгибающие моменты в меридиональных ребрах, особенно при осесимметричных нагрузках, обеспечивают большую пространственную жесткость. Вместе с тем усложняется узел соединения кольцевых и меридиональных элементов, поскольку для центрации усилий элементы должны быть расположены в одном уровне. При проектировании ребристо-кольцевых куполов необходимо учитывать последовательность выполнения монтажных работ и соответствующее изменение расчетных схем. Способ монтажа может оказать существенное влияние и на конструктивное решение ребер. Если предполагается осуществлять сборку конструкции пространственными блоками полной строительной готовности, ребра необходимо проектировать спаренными.
Примерами ребристо-кольцевых куполов являются: Колизей в г. Шарлотта (США, 1956 г.) диаметром 100 м и высотой 16,4 м, с 48 ребрами и восемью кольцами; дворец спорта в Болонье (Италия, 1957 г.), имеющий в плане форму эллипса 69x62 м.
Несколько ребристо-кольцевых куполов было построено в СССР. Среди них: купол над зданием склада сушеного концентрата Лисаковского горно-обогатительного комбината диаметром 23,7 м и высотой 4,3 м с 12 ребрами из прокатного двутавра №30; купольное покрытие корпуса сгущения Карагайлинского горнообогатительного комбината диаметром 56,6 м и высотой 10 м. 28 ребер, верхнее и нижнее кольца запроектированы из сварных двутавров [2].
Ребристые и ребристо-кольцевые купола, по существу, являются пространственными рамами. Наряду с продольными усилиями в их элементах возникают значительные изгибающие моменты.
Купольные системы, каркас которых образует пространственную стержневую систему с треугольными ячейками, называются сетчатыми куполами.
Для относительно пологих покрытий используются схемы, обладающие осевой симметрией. Все они состоят из определенного числа одинаковых зеркально симметричных секторов. Форма поверхности вращения может быть любой, однако наиболее часто используется сферическая.
Основными схемами построения являются: ребристо-кольцевая со связями в каждой ячейке (купол Шведлера); звездчатая (купол Фёппля); схема Чивитта; схема «ромб».
Звездчатая схема (рис. 12.22) может бьггь получена из схемы Шведлера поворотом каждого горизонтального кольца на угол л/и, где п - число граней купола. Обычно в звездчатой схеме, длину всех некольцевых стержней принимают одина-
ковой. Образующая сеть пространственных ромбических ячеек представляет собой правильную сеть Чебышева.
Недостатком схем Шведлера и Фёппля является значительное сгущение элементов в пентральной части. Углы между стержнями становятся очень острыми, что усложняет конструирование узлов и приводит к необходимости устройства пентрального кольца большого диаметра.
Схема Чивитта лишена этого недостатка. Она состоит из нескольких секторов, каждый из которых равномерно разбит на треугольные ячейки. Число секторов может приниматься любым, в пределах от 6 до 12 (рис.12.22й). В этой схеме, также как и в звездчатой, все узлы яруса лежат в одной горизонтальной плоскости, однако их число увеличивается от центра к краю в арифметической прогрессии. Число различных стержней и узлов в этой схеме значительно превышает аналогичные показатели звездчатой схемы, архитектурно она менее выразительна, но позволяет отказаться от центрального кольца, упростить и унифицировать узловые соединения. Но схеме Чивитта с двенадцатью секторами построены самые большие в мире купольные покрытия в Хьюстоне (США, 1964 г.) пролетом 195,6 м и высотой 28,4 м [9] и в Новом Орлеане (США, 1974 г.) диаметром 207,3 м и высотой 32,0 м [10].
Для подъемистых куполов часто используют комбинацию двух сеток - звездчатой и Чивитта.
Ромбическая сеть (рис. 12.23) - схема построения сетчатого купола на основе
правильной сети Чебышева. Число циклически повторяющихся граней-секторов может быть различно. Отличительной особенностью является равенство длин стержней, расположенных в направлении меридиана. Стержни, расположенные в кольцевом направлении, имеют разные длины.
Эта схема построения образует наиболее равномерную сеть. Все линии стержней плавно переходят друг в друга, следуя кривизне конструкции, что позволяет рекомендовать ее для покрытий общественных зданий, требующих наиболее выразительного архитектурного оформления интерьера.
Эффективным методом построения сетчатых поверхностей вращения является метод наклонных образующих [6]. Наклонной образующей может быть любая кривая на заданной поверхности вращения, не лежащая в одной плоскости с осью вращения. Важным частным случаем является плоская кривая. Если две такие кривые на поверхности вращения, наклоненные в разные стороны, вращать с постоянным угловым шагом, то точки пересечения кривых образуют узлы искомой сети (рис. 12.24). Этим методом можно формировать покрытия из отдель-
Рис. 12.23. Схема сетчатого купола, осповаппая па геометрии правильной сети Чебышева
Рис. 12.24. Образование сетчатой поверхности враш;ением наклонных образую ш;их
