КУПОЛ С ГОФРИРОВАННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
DOME WITH CORRUGATED ELEMENTS

Изобретение относится к строительству, конкретно к несущим конструкциям купольного типа, применяемым для гражданских и промышленных зданий и сооружений.
Из уровня техники известны металлические ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые со связями, пластинчатые и другие типы куполов (Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий: Учеб. для строит. вузов. / В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В.Филиппов и др.; под ред. В.В.Горева - 3-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2004 - 528 с., с.272-304. Трущев А.Г. Пространственные металлические конструкции. / М.: Стройиздат, 1983, стр.133-152).
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является известный из уровня техники металлический ребристый купол (Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий: Учеб. для строит. вузов. / В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В.Филиппов и др.; под ред. В.В.Горева - 3-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2004 - 528 с., с.272-304).
Недостатком известных решений металлических куполов является повышенная материалоемкость основных несущих конструкций (ребер, связей, пластин), что обусловлено значительной толщиной элементов (стенок, поясов) этих конструкций, а также устройством ребер жесткости, что необходимо по условию обеспечения устойчивости элементов. Гофрирование с постоянным шагом и высотой для данных элементов не является оптимальным конструктивным решением, поскольку на их длине интенсивность усилий от продольных и поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов переменна.
Технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в снижении материалоемкости основных несущих конструкций купола (ребер, связей, пластин) и повышении их сопротивляемости внешним силовым воздействиям. Указанный технический результат является решением актуальной задачи экономии материалов несущих строительных конструкций. Данный технический результат достигается за счет того, что несущие элементы конструкций купола - стенки, и/или пояса, и/или пластины (по сути - пояса, объединяющие несколько стенок) - содержат гофрированные (с постоянными или варьируемыми шагом и/или высотой гофров) и гладкие участки (отсеки) или только гофрированные участки с варьируемыми шагом и/или высотой гофров. При этом распределение материала конкретного элемента соответствует характеру действующих в нем усилий (прежде всего продольных и поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов). Таким образом, у предлагаемого изобретения более оптимально по сравнению с известными аналогами реализован принцип концентрации материала несущих конструкций: не только форма конструкций купола, но и форма элементов, входящих в состав данных конструкций, соответствует характеру действующих усилий.
Под панелью подразумевается плоский или продольно гофрированный (по крайней мере на некотором участке) лист или пластинчатая конструкция, объединяющая по меньшей мере два ребра и способная выполнять наряду с несущими функциями некоторые функции ограждающей конструкции.
Гофры с большей жесткостью, т.е. с относительно малым шагом и/или относительно большой высотой, располагаются в местах преобладания сжимающих усилий в элементе. По мере изменения интенсивности действующих в элементе сжимающих усилий жесткость гофров плавно или ступенчато изменяется за счет изменения шага и/или высоты гофров: например, уменьшению жесткости гофров соответствует увеличение шага и/или уменьшение высоты.
Гофрированные участки с относительно большим шагом и/или меньшей высотой гофров, а также гладкие участки способны воспринимать большую долю изгибающих моментов, действующих в их плоскости, чем участки со сравнительно большей высотой и/или меньшим шагом гофров. При этом локальная устойчивость таких участков обеспечена устройством их в зонах с относительно малой интенсивностью сжимающих усилий. Кроме того, гладкие участки могут работать в закритической (после потери местной устойчивости) стадии, повышая тем самым несущую способность конструкции при сравнительно малой ее материалоемкости за счет упругопластической работы материала.
В купольных ребрах, в стенках которых имеются участки с радиально-направленными гофрами, повышается изгибно-крутильная жесткость. Кроме того, обеспечиваются благоприятные условия работы как конструкции в целом по критерию общей устойчивости, так и сжатых поясов (панелей) данных конструкций по критерию их местной устойчивости. Данное обстоятельство реализуется за счет того, что пояса (панели) опираются на условную полосу (гофрированный участок стенки) шириной, равной высоте гофра.
Материалоемкость несущих конструкций купола может быть дополнительно снижена за счет устройства в гладких и/или гофрированных участках элементов перфорации. Устройство перфорации рационально также для пропуска коммуникаций в пределах высоты поперечных сечений конструкций купола.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - купол с однорядным расположением объемных блоков с переменно-гофрированными стенками и верхней панелью (внешний опорный контур условно не показан);
на фиг.2 - купол с тандемным расположением объемных блоков (внешний опорный контур условно не показан);
на фиг.3 - вид сверху на объемный блок из фиг.1;
на фиг.4 - вид сбоку (вид Б на фиг.2) на объемный блок;
на фиг.5 - сечение А-А на фиг.2;
на фиг.6 - сечение В-В на фиг.3;
на фиг.7 - вид сбоку на ребристо-кольцевой купол (схема несущих конструкций);
на фиг.8 - вид сверху на ребристо-кольцевой купол (схема несущих конструкций);
на фиг.9 - сечение А-А на фиг.7 (однорядное расположение ребер купола);
на фиг.10 - сечение Б-Б (развертка) на фиг.9;
на фиг.11 - сечение В-В на фиг.9;
на фиг.12 - сечение Г-Г на фиг.9;
на фиг.13 - сечение А-А на фиг.7 (вариант) с тандемным расположением ребер купола;
на фиг.14 - сечение Д-Д на фиг.13;
на фиг.15 - сечение Е-Е на фиг.13.
Купол с гофрированными элементами представляет собой пространственную распорную систему несущих конструкций, состоящую из внешнего опорного контура 1 и внутреннего (замкового) контура 2, ребер 3 или объемных блоков 4, связей 5 (как вариант), затяжек (как вариант). Внешний опорный контур 1 и внутренний контур 2 как правило замкнуты.
Объемные блоки 4 состоят из поясов 6, панелей 7 и стенок 8. Возможен вариант купола, в котором объемные блоки состоят из стенок 8 и панелей 7 или из стенок 8, связей 5 и поясов 6. Объемные блоки 4 могут содержать распорки и/или диафрагмы, увеличивающие пространственную жесткость. Ребра 3 и связи 5 состоят из поясов 6 и стенки 8.
Пояса 6 и панели 7 могут иметь различное сечение: поперечное сечение верхнего и нижнего поясов 6 (панелей 7) могут различаться как по форме, так и по площади.
Примыкание ребер 3 к внешнему опорному контуру 1 как правило шарнирное или упругоподатливое. Примыкание ребер 3 к внутреннему контуру 2 как правило жесткое. Выбор примыкания определяется для каждого конкретного случая эффективностью расчетной схемы купола и распределением материала.
Обоснование параметров конкретного купола: формы, высоты подъема, размещение гладких и гофрированных участков, сечения элементов, характеристики материалов несущих конструкций, шаг и высота гофров и др. основывается на комплексном задании на проектирование и результатах статических и динамических расчетов прочности и устойчивости конструкции купола в целом и отдельных его элементов. Расчеты несущей способности (прочности и устойчивости) предлагаемого изобретения рекомендуется проводить численными методами теории упругости, например методом конечных элементов (МКЭ) в компьютерной реализации. При расчете купола МКЭ рекомендуется учитывать возможную депланацию тонкостенных сечений и моделировать несущие конструкции купола оболочечными конечными элементами (КЭ) с учетом геометрической и физической нелинейностей работы. Для предварительного определения мест эффективного устройства гофрированных и гладких участков, оценки рациональности формы купола и отдельных его элементов возможно проведение расчетов несущей способности купола при компьютерном моделировании отдельных его элементов виртуальными стержнями (стержневыми КЭ) эквивалентной жесткости.
Сжатые пояса 6 (панели 7) ребер 3 (объемных блоков 4) и/или связей 5 могут быть гладкие или гофрированные. Гофры могут быть односторонние или двусторонние (относительно срединной плоскости элемента), а также одинакового или различного профиля (трапецеидального, волнистого и т.д.). Гофры сжатых поясов 6 (панелей 7) радиально-направлены в плоскости поясов 6 (панелей 7) вдоль сжимающих усилий, т.е. от внешнего контура к центру купола. По длине сжатых гофрированных поясов 6 (панелей 7) возможно устройство гладких участков, при обосновании по условиям:
- распределения усилий в элементе (по результатам расчетов несущей способности),
- технологичности изготовления,
- удобства транспортирования и монтажа.
Пояса 6 (панели 7) соединены стенкой 8, которая содержит гофрированные (с постоянными или изменяемыми шагом и/или высотой гофров) и гладкие участки или только гофрированные участки с изменяемыми шагом и высотой гофров. Профиль гофров стенки 8 может быть различным: трапецеидальный, треугольный, волнистый. Направление гофров стенки 8 - преимущественно радиальное в плоскости стенки 8 (фиг.9, 13), что наиболее оправдано из конструктивных и технологических условий. Возможно вертикальное направление гофров стенки 8 (фиг.4), а также перпендикулярное к продольной оси стенки. Последний вариант больше подходит для не искривленных в своей плоскости стенок 8 и стенок 8 с переменным радиусом кривизны. Профиль гофров стенки 8 и поясов 6 (панелей 7) может не совпадать.
Шаг и/или высота конкретного гофра стенки 8 у верхнего пояса 6 (панели 7) может отличаться от шага и/или высоты того же гофра у нижнего пояса 6 (панели 7), что обосновано технологичностью изготовления. Как правило, у верхнего пояса 6 (панели 7) шаг и/или высота гофра больше, чем у нижнего. Это особенно актуально для искривленных в своей плоскости стенок 8. Конкретный гофр пояса 6 (панели 7) по длине может иметь изменяемые шаг и/или высоту, что объясняется геометрией, в частности клиновидностью, пояса 6 (панели 7) и условиями сопряжения с другими элементами конструкции купола, например внутренним контуром 2 (фиг.1, 3).
Гофры стенки 8 и/или пояса 6 (панели 7) для повышения устойчивости могут иметь, по крайней мере на некоторых участках, преимущественно выштампованные и сонаправленные с гофрами ребра жесткости (по сути - дополнительные гофры). Дополнительные гофры могут не выходить на края стенки 8 и/или пояса 6 (панели 7), т.е. быть «глухими», или выходить по крайней мере на один край.
Возможен вариант изобретения, в котором стенка 8 ребер 3 (объемных блоков 4) и/или связей 5 укреплена ребрами жесткости или системой раскосов и/или стоек. Данные ребра жесткости и стойки направлены радиально в плоскости стенки 8 или перпендикулярно к продольной оси элементов. Гладкие участки стенки 8 могут быть укреплены продольными (т.е. тангенциально направленными - по касательной к контуру стенки 8) ребрами жесткости 9 и/или продольными преимущественно выштампованными (из соображений технологичности изготовления) гофрами. Радиальные ребра жесткости и продольные (тангенциальные) ребра жесткости 9 соединены со стенкой 8 сварным или клеевым соединением. Раскосы и стойки не связаны со стенкой 8 непосредственным контактом.
Возможен вариант изобретения, в котором толщина поясов 6 (панелей 7) и/или стенки 8 переменна по длине элемента.
Объемом изобретения предусмотрены купола с различным очертанием в плане - многоугольным (в частности прямоугольным) и криволинейным (в частности овальным).
Очертание в профиль предлагаемого купола может быть - сферическим, параболическим, ломаным, граненым.
Возможна организация в куполе по вертикали как минимум одного уровня затяжек (горизонтальных и/или наклонных), соединяющих диаметрально противоположные ребра 3 купола или объемные блоки 4.
Возможна тандемная установка ребер 3 купола или объемных блоков 4, т.е. на один уровень ребер 3 или блоков 4 устанавливается по вертикали еще по крайней мере один уровень ребер 3 или блоков 4. Возможен вариант тандемного устройства со смещением верхних рядов в горизонтальной плоскости (фиг.2). В местах сопряжения уровней ребра 3 или блоки 4 соединены между собой с помощью сварки, клеевого соединения или болтов 10. При тандемном устройстве несущих конструкций купола ряды элементов могут обрываться, не доходя до внешнего контура 1 и/или внутреннего контура 2 (фиг.13).
Возможны варианты купола с переломом наружного пояса 6 ребер 3 или панелей 7 объемных блоков 4, а также с параллельными или непараллельными (клиновидными, серповидными и др.) поясами 6 и панелями 7.
Внутренний контур 2 может вырождаться фактически в узел примыкания несущих элементов различного направления (фиг.1, 2).
Поперечное сечение ребер 3 купола или стенок 8 объемных блоков 4 может быть следующих типов: двутавровое, коробчатое или двутаврово-коробчатое (по сути - коробчатое со свесами поясов 6 или панелей 7). При тандемном устройстве поперечные сечения рядов ребер 3 или блоков 4 могут иметь различный тип сечения, например верхний ряд - двутавровое, а нижний - двутаврово-коробчатое (фиг.14, 15).
Несущие элементы купола изготавливаются преимущественно из металлов, как правило сталей групп обычной, повышенной и высокой прочности. Возможен полиметаллический (в т.ч. бистальной) вариант купола. Предусмотрено изготовление несущих элементов купола из других строительных материалов: дерева, пластиков, композиционных материалов, металлопластов, сплавов. Возможно изготовление элементов купола из материалов с различными физико-механическими свойствами. Возможен вариант купола, в котором пояса 6 и панели 7 выполнены из железобетона. Ребра жесткости, стойки и раскосы изготовлены, как правило, из листового или профилированного металла. Изобретением предусмотрен вариант конструкции купола, в котором наружная несущая оболочка, уложенная на ребра 3 или объемные блоки 4, выполнена из железобетона (сборного, монолитного или сборно-монолитного), при этом верхние панели 7 могут выполнять роль несъемной опалубки. Железобетонная оболочка воспринимает (наряду с верхними поясами 6 ребер 3 и верхними панелями 7 объемных блоков 4) основную часть сжимающих усилий, повышает пространственную жесткость купола при несимметричной нагрузке. Затяжки, в случае их устройства, выполняются из стальных канатов и могут быть горизонтальными или наклонными.
Пояса 6 (панели 7) соединены со стенкой 8 при металлическом решении - с помощью сварного шва, при решении из других материалов - с помощью клеевого, нагельного или анкерно-болтового соединения. Ребра 3, связи 5 и объемные блоки 4 по длине могут состоять из нескольких состыкованных частей, объединенных с помощью фланцевых или сварных соединений, а также с помощью наклеенных накладок.
Для изготовления предлагаемого изобретения возможно прибегать к технологиям, известным из уровня техники: гофрирование радиальными гофрами листовой криволинейной заготовки, гофрирование прямолинейной заготовки продольными или поперечными гофрами, изгиб проката, применяемого для поясов 6, приварка поясов 6 (панелей 7) к стенке 8. Гофрирование листовых заготовок может быть осуществлено следующими способами: штамповка, прокатка, гибка.
Купол с гофрированными элементами работает следующим образом: при действии вертикальных (собственный вес элементов, конструкция кровли, оборудование, снег и т.д.) и/или горизонтальных (ветер) нагрузок в элементах конструкций возникают усилия в основном от продольных и поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов.
При этом изгибающие моменты (соответствующие пары сил) воспринимаются преимущественно поясами 6 ребер 3 или панелями 7 объемных блоков 4. Наличие на сжатых поясах 6 или панелях 7 гофров, направленных вдоль сжимающих усилий, существенно повышает жесткость этих элементов в продольном направлении, увеличивая их устойчивость при сравнительно малом расходе материала. В случае устройства внешней железобетонной оболочки поверх металлического каркаса она включается в работу сжатых поясов 6 и сжатых панелей 7 на сжатие и кручение, позволяя существенно снизить их материалоемкость. Работа сжатых поясов 6 и панелей 7 на устойчивость улучшается в местах их примыкания к гофрированным участкам стенки 8 за счет опирания на условную полосу шириной, равной высоте гофров.
Стенки 8 ребер 3 и объемных блоков 4 купола работают преимущественно на усилия от поперечных сил. Интенсивность поперечных сил по длине стенки 8 не одинакова и определяется по результатам расчетов конкретного купола.
На участках стенки 8, где интенсивность поперечных сил относительно велика, потеря устойчивости стенки 8 предотвращается устройством гофров большей жесткости, т.е. со сравнительно малым шагом и большой высотой. На данных участках в случае действия существенных усилий обосновано применение радиально-направленных ребер жесткости или стоек с относительно частым шагом.
На участках стенки 8 с относительно малой интенсивностью поперечных сил устраиваются гофры меньшей жесткости, т.е. с большим шагом и меньшей высотой, или предусматриваются гладкостенные отсеки, позволяющие стенке 8 совместно с поясами 6 воспринимать изгибающие моменты и работать в закритической стадии. На данных участках возможно устройство радиально-направленных ребер жесткости с относительно редким шагом, а также тангенциально-направленных ребер жесткости (прежде всего в гладкостенных отсеках, в которых возможно предусмотреть тангенциально-направленные гофры).
Пространственная работа ребер 3 (объемных блоков 4) купола заключается в упругом отпоре, создаваемом соседними ребрами 3 (объемными блоками 4) на рассматриваемое ребро 3 (объемный блок 4).
При наличии в куполе связей 5 (кольцевых и/или наклонных) сокращается расчетная длина ребер 3 купола, что увеличивает их устойчивость, и лучше обеспечивается пространственная работа несущих элементов купола.
Связи 5 работают на усилия от сжатия (растяжения) и косого изгиба: пояса связей 5 воспринимают усилия от изгибающих моментов (соответствующих пар сил) и сжимающих (растягивающих) сил, а также частично от крутящих моментов, а стенка связей 5 - от поперечных сил и крутящих моментов.
Работа связей 5, имеющих стенки с изменяемыми по длине стенки шагом и/или высотой гофров, осуществляется по прямой аналогии с описанной выше работой ребер 3 купола.
Устройство радиально-направленных ребер жесткости и системы стоек и раскосов, а также гофрирование стенок 8 ребер 3, объемных блоков 4 и стенок связей 5 купола существенно повышает момент сопротивления кручению поперечных сечений этих конструкций, что позволяет дополнительно снизить расход материала за счет более редкого устройства распорок (прогонов) или отказа от них.
Применение ребер жесткости и/или системы стоек и раскосов (в первую очередь в стенках 8) существенно улучшает условия силовой работы объемных блоков 4 и ребер 3 купола, но повышает технологические затраты на изготовление.
Вертикальная реакция конструкций купола передается через внешний опорный контур 1 на нижерасположенные вертикальные несущие элементы сооружения (колонны, пилоны, стены) и далее на фундаменты.
Распор конструкции купола воспринимается внешним опорным контуром 1, который работает преимущественно на растяжение с изгибом, и затяжками (если они предусмотрены).
Внутренний (замковый) контур 2 купола работает на усилия от сжатия и кручения, в нем также возможно эффективное применение гофрированных элементов с варьируемыми параметрами гофров.