Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Цилиндрические оболочки



 

●Цилиндрическими оболочками называют тонкостенные покрытия, состоящие из тонкой криволинейной плиты (собственно оболочки), бортовых элементов и поперечных диафрагм (рис. 13.9).

Цилиндрические оболочки бывают однопролетными и многопролетными (рис. 13.9, в), одноволновыми и многоволновыми (рис. 13.9, б). В зависимости от характера работы под нагрузкой оболочки условно разделяют на длинные, отношение пролета которых l1 к длине волны l2 более 4, средней длины при 1<l1/l2<4, и короткие при l1/l2≤1. Первые два вида обычно объединяют одним наименованием — длинные оболочки. Применяемые на практике длинные оболочки обычно имеют размеры: l1 = 24; 30; 36 м; l2=12 м, короткие l1 = 12 м, l2 = 24; 30 м.1

Рис. 13.9. Кострукции длинных (а...ж) и коротких (з, и)

цилиндрических оболочек:

1 – оболочка; 2 – бортовой элемент; 3 — диафрагма; 4 — моменты одноволновой и 5 – многоволновой оболочки; 6 — напрягаемая арматура; 7 — конструктивная арматура поля оболочки; 8 – арматура, рассчитываемая на краевой момент; 9 – угловая растянутая арматура; 10 — сборные плиты оболочки

 

Длинные цилиндрические оболочки. Высоту оболочки h, включающую сечение бортового элемента, рекомендуется принимать (1/10...1/15)l1, стрелу подъема f = (1/6...1/8)l2, а высоту бортовых элементов (1/20...1/30)l1 (рис. 13.9, а). Оболочки бывают монолитные (гладкие) и сборные ребристые, получившие более широкое распространение вследствие своей индустриальности. Очертание плит оболочки может быть круговым, эллиптическим и т. п. Наиболее простым и удобным для сборных плит является круговое очертание.

Бортовые элементы, в которых размещается основная растянутая арматура, существенно уменьшают вертикальные и горизонтальные смещения краев оболочки. Это видно из рис. 13.9, г, на котором показаны усилия и перемещения в поперечном сечении оболочки при отсутствии и наличии бортовых элементов. Для сборных конструкций обычно применяют предварительно напряженные бортовые элементы.

Опорные диафрагмы выполняют в виде арок с затяжками или балок переменной высоты, опирающихся на колонны или стены.

Возведение сборных цилиндрических оболочек осуществляют в двух основных вариантах.

●В первом варианте предварительно напряженные бортовые элементы пролетом l1 устанавливают на проектной отметке, а для уменьшения монтажных усилий под них подводят 2...3 временные опоры. По верху бортовых элементов укладывают сборные криволинейные ребристые панели размером 3×12 м (рис. 13.9, б). Далее производят сварку выпусков арматуры плит и бортового элемента и замоноличивание швов. После того как бетон затвердеет, временные опоры убирают и оболочка работает как пространственная конструкция. С целью экономии материалов и устройства водостока бортовые элементы могут выполняться переменной высоты с некоторым увеличением подъема конструкции и средней части пролета.

●Во втором варианте ребристые плиты оболочки размером 3×6 м (рис. 13.9, е) бетонируют на заводе с бортовыми элементами. Далее на лесах все элементы объединяют в единую систему с помощью предварительно напряженной арматуры, пропускаемой через специальные каналы, устраиваемые в бортовых элементах. После сварки стыков, замоноличивания швов и инъекции каналов раствором леса убирают.

Первый вариант по расходу материалов менее экономичен, что связано с условиями работы сборных элементов на монтаже и наличием стыков элементов оболочки с бортовыми элементами, однако он не требует устройства лесов и проведения на строительной площадке ответственных работ по натяжению арматуры и инъецированию раствора.

Все элементы оболочки должны быть рассчитаны на усилия, возникающие при изготовлении, монтаже, а также эксплуатации готового сооружения. Конструкция стыков зависит от вида передаваемых через них усилий. В средней части сборных оболочек в нормальных сечениях действуют сжимающие и небольшие сдвигающие усилия. Стыки здесь решаются путем замоноличивания швов бетоном и устройства шпонок. В местах соедине­ния оболочки с бортовыми элементами и диафрагмами действуют значительные сдвигающие усилия и изгибающие моменты. Их воспринимают шпонками и сваркой выпусков арматуры. В угловых зонах для воспринятая главных растягивающих напряжений смежные элементы соединяют сваркой выпусков арматуры или накладками через закладные детали. Принципиальная схема армирования монолитной цилиндрической оболочки показана на рис. 13.9, ж. В неразрезных многопролетных оболочках кроме растянутой арматуры в пролете ставится арматура в верхней части оболочки для воспринятия растягивающих напряжений над опорой (диафрагмой).

Как уже указывалось, железобетонные оболочки, подобно другим железобетонным конструкциям, в начальной стадии нагружения работают упруго, после образования трещин в бетоне растянутой зоны в них развиваются пластические деформации и с увеличением нагрузки происходит разрушение. В соответствии с этим статический расчет оболочек производится по упругой стадии и по стадии предельного равновесия (т. е. по стадии разрушения).

Точный расчет оболочки в упругой стадии математики труден. Для практических расчетов разработаны методы, основанные на допущениях, применяемых к определенным конструктивным решениям. Широкое применение нашли методы, основанные на работах В. 3. Власова, в которых оболочка заменяется вписанной в нее складкой [9]. Эти методы позволяют рассчитывать упругие оболочки по прочности, жесткости и трещиностойкости при различных нагрузках.

Вместе с тем исследования показали, что длинные цилиндрические оболочки с жестким контуром могут рассчитываться по прочности раздельно в продольном я поперечном направлениях. Расчет в продольном направлении может быть произведен по методу предельного равновесия как балки с криволинейным поперечным: сечением, а расчет в поперечном направлении на сдвигающие усилия и изгибающие моменты производят из условия равновесия элементарной полосы оболочки, вырезанной по ее длине. Таким методом могут быть рассчитаны одноволновые и многоволновые цилиндрические оболочки, не подкрепленные в пролете поперечными ребрами, при l1/l2≥3 для крайних и l1/l2≥2 для средних волн, а также оболочки l1/l2≥1, у которых в пролете предусматривается устройство не менее трех поперечный ребер высотой h≥l2/25 при действии симметричной равномерно распределенной нагрузки.

Рассмотрим расчет длинной однопролетной цилиндрической оболочки кругового симметричного профиля на действие вертикальной нагрузки по методу предельного равновесия. Расчет ведется по III стадии напряженно-деформированного состояния как балки криволинейного сечения. Напряжения в бетоне сжатой зоны равны Rb, а в растянутой арматуре — Rs. Схема усилий в поперечном сечении показана на рис. 13.10, а. Очевидно, прочность оболочки в продольном направлении будет обеспечена при условии

M1 ≤ Mu, (13.23)

где M1 — максимальный момент в середине пролета оболочки от действующей нагрузки; Мu — момент внутренних сил, действующих в сечении в предельном состоянии относительно центра круговой части сечения,

где hrdθ-площадь элементарного участка сечения оболочки длиной rdθ и толщиной h; θp — половина центрального угла сжатой зоны.

Положение границы сжатой зоны определяют из условия равенства нулю проекций всех действующих в сечении сил на горизонтальную ось ∑х=0:

2 Rb hrdθ = 2Rb θp rh = RsAs. (13.26)

При проверке несущей способности из уравнения (13.26) находят θp и подставляют его в (13.25).

Рис. 13.10. К расчету длинной цилиндрической оболочки в

продольном (а) и поперечном (б) направлениях: 1 — сжатая зона

 

Если при заданном моменте и размерах поперечного сечения оболочки требуется найти площадь арматуры As, то в уравнении (13.23) полагают Mu = M1, далее подставляют в уравнение (13.25) значение RsAs из (13.26) и, произведя преобразования, получают выражение для определения θp:

sin θp — cθp/r — M/(2Rb hr2) = 0. (13.27)

Подставляя найденное значение θp в (13.26), находят сечение арматуры

As = 2Rbθprh/Rs.

Для определения поперечных изгибающих моментов в гладкой оболочке вырежем из оболочки полосу единичной ширины (рис. 13.10, б). Полоса будет находиться под действием внешней вертикальной нагрузки v, веса оболочки g и касательных сил Т и Т+ΔТ, действующих по плоскостям разреза. Очевидно,

здесь ΔQ — приращение поперечной силы на рассматриваемом участке; S — статический момент поперечного сечения оболочки.

Действующий в полосе поперечный момент определяют из условия равновесия (рис. 13.10, б)

где М0 — момент от внешней нагрузки и собственной массы,

Gi — нагрузка от веса i-ro участка оболочки; МΔT — изгибающий момент от сдвигающих сил относительно рассматриваемого сечения

Значения поперечных изгибающих моментов могут определяться по таблицам [9]. Вид эпюры поперечных изгибающих моментов в одноволновых оболочках см. на рис. 13.9, г.

Расчет диафрагм длинных цилиндрических оболочек производят на усилия от собственного веса и сдвигающие усилия, передающиеся с оболочки, аналогично расчету диафрагм оболочек положительной гауссовой кривизны на прямоугольном плане.

Короткие цилиндрические оболочки. Эти оболочки бывают монолитные и сборные (см. рис. 13.9, з, и). Наиболее часто применяют оболочки с шагом диафрагм 6...12 м при отношении l1/l2≤0,5 и стреле подъема f≥(1/7)l2. Такие оболочки рассчитывают упрощенным методом, выполняя раздельно расчет плиты, бортового элемента и диафрагмы.

Толщину плиты монолитной оболочки (см. рис. 13.9, з), нагруженной собственным весом, весом кровли и снега, принимают по производственным соображениям без расчета равной 5 см при l1 = 6 м, 7...9 см при l1 = 12 м. Бортовой элемент назначают высотой h1 = (1/10...1/15)l1, шириной b1 = (1/5...1/2)h1.

При соотношении пролетов 0,5≤l1/l2<l, тяжелых и сосредоточенных нагрузках короткие оболочки рассчитываются методом перемещений с учетом поперечных деформаций контура [9]. Оболочки пролетом l1≤12 м при l1/l2<0,5 при равномерной нагрузке допускается рассчитывать приближенным методом. В этом случае армирование плиты назначают конструктивно (сеткой из стержней диаметром 5...6 мм шагом 10...15 см), а для бортовых элементов и диафрагм выполняется расчет. При расчете принимают, что бортовые элементы являются частью оболочки и работают совместно с ней. Оболочку рассчитывают как балку криволинейного сечения пролетом l1, шириной l2, опирающуюся на диафрагмы. В середине пролета однопролетной одноволновой оболочки изгибающий момент

Тогда площадь поперечного сечения продольной растянутой арматуры в бортовых элементах будет

где z — плечо внутренней пары, по данным испытаний z=0,55(f+h1).

Продольную арматуру бортовых элементов объединяют в сварные каркасы, поперечные стержни которых ставятся конструктивно. Вблизи бортовых элементов оболочку армируют дополнительными сетками, а над диафрагмой также ставят дополнительную сетку, которую заводят на длину 0,1l1 в каждую сторону от диафрагмы.

Как и в длинных оболочках, малая толщина сводчатой плиты обусловливает передачу на диафрагмы нагрузок, действующих на плиту главным образом за счет сил S, направленных по касательной к срединной поверхности оболочки. Расчет диафрагмы в этом случае производят с учетом взаимодействия с плитой оболочки. Для средней диафрагмы в многопролетных оболочках и расчет вводится плита оболочки шириной, равной шагу диафрагм, для крайних диафрагм — шириной l1/2.

Сборные короткие оболочки состоят из плоских ребристых плит и диафрагм в виде ферм (см. рис. 13.9, и), валок, арок. Совместная их работа обеспечивается устройством бетонных шипов на верхнем поясе диафрагм, пазов на наружных гранях продольных и торцовых ребер плит, установкой арматурных каркасов в швах замоноличивания. Расчет коротких сборных оболочек производится в соответствии с двумя этапами работы конструкции: до и после замоноличивания швов между сборными элементами покрытия. До замоноличивания швов сборные элементы рассчитывают как разрезные конструкции на действие нагрузок, возникающих при изготовлении, транспортировании и монтаже. После замоноличивания швов (в стадии эксплуатации) оболочку рассчитывают на действие постоянных и временных нагрузок как пространственную конструкцию по схемам разрушения, охватывающим одну или две крайние плиты согласно [9].

 

Висячие оболочки

 

В последние годы для покрытий больших пролетов в сооружениях промышленного, культурно-бытового и общественного назначения (цехи, склады, кинотеатры, крытые рынки) широко применяют висячие оболочки.

●Висячие железобетонные оболочки состоят из совместно работающих вант, железобетонного покрытия (собственно оболочки) и опорной конструкции (рис. 13.11). Основные несущие элементы в висячих оболочках—ванты, работающие только на растяжение, что позволяет полностью использовать в работе высокопрочную сталь и добиваться ее минимального расхода. Высокая несущая способность, простота изготовления и монтажа, возможность возведения в короткие сроки обусловливает высокую эффективность висячих оболочек, особенно в покрытиях большепролетных сооружений. При пролетах более 100 м они экономичнее железобетонных оболочек других типов.

Однако покрытиям со свободно подвешенными вантами присуща высокая деформативность, их геометрическая форма существенно зависит от вида внешней нагрузки. Чтобы обеспечить стабильность геометрической формы покрытия, а также повысить его жесткость и трещиностойкость, железобетонные висячие оболочки выполняют с предварительным напряжением, которое осуществляют одним из следующих способов:

●после монтажа вант и укладки железобетонных кровельных плит ванты приводятся в напряженное состояние с помощью пригрузов (временной нагрузкой или вертикальными оттяжками); после замоноличивания швов и выдержки бетона пригрузы снимают и железобетонная плита (оболочка) обжимается;

●после монтажа вант, укладки кровельных плит, аамоноличивания швов и выдержки бетона ванты натягивают домкратами на жесткую несущую контурную конструкцию. В этом случае ванты размещают в специальных каналах, заполняемых раствором после окончания натяжения;

●после монтажа вант и укладки кровельных плит швы между ними заполняют раствором на напрягающем цементе. Ширина швов назначается из условия создания в оболочке заданного напряжения.

При небольших пролетах для повышения неизменяемости покрытия и снижения местных деформаций применяют жесткие нити, состоящие из прокатных и сварных балок.

По конфигурации в плане и взаимному расположению вант висячие оболочки бывают с параллельными (рис. 13.11, а), радиальными (рис. 13.11, б, в), перекрестно расположенными и полигональными вантами.

●Систему с параллельно расположенными вантами применяют при прямоугольном плане. Такая конструкция менее эффективна вследствие трудности воспринятия распора, величина которого весьма значительна. Обычно распор воспринимается анкерами, жесткими рамами, а при небольших пролетах — контурными балками, работающими на изгиб (рис. 13.11, г...е).

●Висячие оболочки с радиальным расположением вант применяют при круглом плане здания. Эти оболочки состоят из вант, наружного сжатого и внутреннего растянутого кольца и выполняются по двум схемам (рис. 13.11, б, в). Покрытия такой формы наиболее выгодны, поскольку позволяют максимально унифицировать все элементы оболочки и обеспечивают безмомент-ную работу наружного опорного кольца.

●Висячие оболочки с перекрестной сеткой из вант применяют для зданий овального, эллиптического или прямоугольного очертания в плане. Сетка обычно устраивается ортогональная, пологая. Перекрестные вантовые сетки имеют очертание поверхности положительной или отрицательной гауссовой кривизны.

При выборе системы вант следует иметь в виду, что по расходу арматуры на оболочку в целом, а также по расходу бетона на опорный контур оболочки с радиальной системой вант примерно в 1,5 раза экономичнее оболочек, имеющих перекрестную систему из вант.

Висячие железобетонные оболочки, как правило, проектируют пологими с провесом f = (1/10...1/30)l.

Рис. 13.11. Конструктивные решения висячих железобетонных оболочек:

1 — сборные плиты; 2 — ванты; 3 — опорное кольцо;

4 — контурная балка; 5 - рама; 6 — анкер; 7 — бетон шва

 

Для изготовления вант используют стержневую горячекатаную арматуру классов А-III, A-IV, A-V, стальные канаты, а также арматурные пучки из высокопрочной проволоки. Стальные канаты для устранения неупругих деформаций подвергают предварительной вытяжке усилием, равным 65 % разрывного.

Опорный контур и краевые элементы выполняют из сборного или сборно-монолитного бетона высоких классов. Для облегчения сборных элементов опорного контура они могут предусматриваться корытообразного сечения. Полость стальных или железобетонных корытообразных элементов заполняется бетоном после монтажа. Ванты закрепляются в опорном контуре с помощью анкерных устройств, обеспечивающих возможность регулирования их длины во время монтажа и предварительного напряжения.

Покрытия висячих железобетонных оболочек выполняются из сборных железобетонных плит (обычно из легкого бетона), которые крепятся к вантам с помощью выпусков рабочей арматуры, специальных крюков или иных приспособлений (рис. 13.11, ж). В общем случае при возведении висячих оболочек рекомендуется укладывать бетон в швы, расположенные между опорным контуром и крайними плитами, в последнюю очередь с целью уменьшения краевых изгибающих моментов. В случае применения напрягающих цементов технология замоноличивания швов разрабатывается специально.

Расчет висячих железобетонных оболочек слагается из расчета несущих вант, опорных конструкций и покрытия по вантам и производится как для стадии монтажа, так и эксплуатации. Предполагается, что вертикальная нагрузка воспринимается одними вантами, работающими подобно нитям только на растяжение.

Расчет опорных конструкции выполняют на нагрузки от собственного веса и реакции наш и решением (кольцо, рама, балка и т. п.). Закрепление пат в опорном контуре и внутреннем кольце должно проектироваться так, чтобы линия действия усилий в ванте проходила через центр тяжести речного сечения кольца (рис. 13.11, з).

Сборные железобетонные плиты покрытия по вантам рассчитывают как самостоятельные элементы на усилия, возникающие в процессе изготовления и монтажа, а также на усилия, возникающие при натяжении вант и эксплуатационных нагрузках. Во многих случаях, когда стрела провеса нити f≥(1/20)l, ванты можно рассматривать как нерастяжимые абсолютно гибкие нити. При более пологих покрытиях необходимо учитывать дополнительное провисание вант вследствие их растяжимости.

Рис. 13.12. К расчету висячих покрытий

Рассмотрим усилия, возникающие под воздействием вертикальной равномерно распределенной нагрузки в отдельной гибкой нерастяжимой нити, закрепленной на опорах, расположенных на одном уровне (рис. 13.12, a). Горизонтальные (НА и НB) и вертикальные (VA и VB) составляющие реакций RA и RB определяют из условий равновесия:

Для любой точки С нити справедливо условие

где Мс — балочный момент в рассматриваемой точке С; ус — стрела провисания нити в той же точке, отсюда

и для х=l/2 получим

Продольное расчетное усилие в гибкой нити

Для системы с радиальным расположением вант в покрытии с круглым планом (рис. 13.12, б) аналогично предыдущему получим

где q0 = qb.

От вант на опорное кольцо передаются радиальные усилия интенсивностью H1 = H/b, направленные внутрь области покрытия. Сжимающие усилия в контурном кольце будут

 

 

 

ВОПРОС ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ:

1. В чем заключается принципиальное отличие работы оболочек от плоских конструкций покрытий?

2. Достоинства и недостатки тонкостенных пространственных покрытий.

3. Классификация тонкостенных пространственных покрытий.

4. Сформулируйте предпосылки технической теории пологих оболочек, запишите разрешающую систему основных уравнений и объясните физический смысл входящих в нее величин.

5. Условия безмоментного напряженного состояния в оболочках. Система разрешающих уравнений. Возможные методы ее решения.

6. Конструкции и основные принципы расчета оболочек положительной гауссовой кривизны, куполов, гипаров, длинных и коротких цилиндрических оболочек, висячих покрытий.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.