ГИБРИДНЫЙ КУПОЛ

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в качестве покрытия круглых в плане зданий и сооружений преимущественно общественного назначения, например: танцплощадки, торговые или выставочные павильоны и т.д.
Наиболее широкое распространение для покрытия зданий и сооружений получили следующие принципиальные решения:
- системы, состоящие из жестких элементов, например, балок, стропильных ферм или арок, способных воспринимать как растягивающие, так и сжимающие усилия, а также работать на изгиб;
- системы, опирающиеся на жесткий опорный контур (или неподвижные опоры) и состоящие полностью или преимущественно из гибких нитей, например, стальных тросов, способных воспринимать только растягивающие усилия.
Недостатки первых, «жестких», систем заключаются в повышенном расходе материала из-за неравномерного распределения напряжений в сечениях изогнутых элементов и возможности потери устойчивости сжатых стержней. Существенное уменьшение усилий и моментов в подобных системах может быть достигнуто сокращением перекрываемых пролетов и установкой дополнительных опор (например, колонн), что не всегда приемлемо по архитектурным и эксплуатационным требованиям.
Недостатки систем, состоящих из гибких нитей: повышенная деформативность, особенно при действии несимметричных нагрузок, и передача значительных распоров на опорные конструкции, которые, зачастую, становятся определяющими в общей стоимости покрытия.
Для решения перечисленных проблем получили распространение, так называемые, гибридные системы, включающие гибкие и жесткие на изгиб элементы.
Гибридный купол [1] (фиг. 1), принятый за ПРОТОТИП, состоит из сжато-изогнутого верхнего пояса 1.1, наружного растянутого кольца 1.2, внутреннего сжатого кольца 1.3, состоящего из шарнирных стержней, радиальных канатов (диагональных несущих тросов) 1.4, распорок 1.5 и тяжей 1.6. Верхний пояс состоит из ребер, расположенных в радиальном направлении и соединенных шарнирно между собой и с опорами.
Преимущества решения [1] следующие:
- уменьшение изгибающих моментов от внешних симметричных нагрузок в ребрах верхнего пояса, работающих по неразрезной схеме, а также вследствие создания обратных по знаку моментов на стадии предварительного напряжения купола;
- уменьшение горизонтальных усилий, передаваемых на опорные конструкции, вследствие возникновения распоров противоположных знаков от ребер верхнего пояса и радиальных канатов;
- уменьшение деформативности, вследствие наличия изгибаемых элементов, обладающих повышенной жесткостью.
w
w
Вместе с тем, при действии неравномерных внешних нагрузок (например, снеговой нагрузки, распределенной на половине пролета), изгибающие моменты в верхнем поясе существенно возрастают и могут превысить в три и более раз моменты, возникающие от симметричной нагрузки такой же интенсивности, действующей по всему пролету (фиг. 2, 3). Наибольшие моменты возникают в незагруженных ребрах верхнего пояса (т.н. моменты «в плоскости ребра», M), а также, в ребрах, расположенных между загруженной и незагруженной зоной (т.н. моменты «из плоскости ребра», M).
К недостаткам решения [1] можно отнести отсутствие закреплений элементов верхнего пояса из плоскости ребер и, как следствие, относительно большую расчетную длину сжатых элементов. В связи с тем, что гибридный купол предполагает применение облегченных конструкций покрытия, например, гибкой тентовой мембраны, имеющей криволинейную поверхность, установка связей по верхнему поясу купола затруднена, т.к. сопряжена с локальными нарушениями целостности покрытия, являющимися концентраторами напряжений и способствующими проникновению атмосферных осадков.
w
В работе [2] ребра верхнего пояса состоят из двух полуарок, шарнирно соединенных между собой и с опорными конструкциями. Распорки, объединяющие ребра верхнего пояса и гибкие тросовые элементы нижнего пояса, установлены под углом к вертикальным плоскостям, в которых расположены соответствующие ребра верхнего пояса. Таким образом, распорки выполняют функцию связей из плоскостей ребер верхнего пояса, сокращая их расчетные длины и уменьшая изгибающие моменты M. Недостатки решения [2]:
- усложненная конструкция ребер верхнего пояса, каждое из которых состоит из двух полуарок, шарнирно соединенных между собой;
- повышенный распор (горизонтальные усилия, передаваемые на опоры в направлении от центра (наружу) конструкции при действии вертикальной нагрузки на ребра верхнего пояса сверху-вниз), т.к. нижнее тросовое кольцо, выполняющее функцию затяжки, расположено выше опорных узлов;
- повышенный распор (горизонтальные усилия, передаваемые на опоры в направлении к центру (внутрь) конструкции, например, при действии вертикальной нагрузки на ребра верхнего пояса снизу-вверх), т.к. тросовые кольца не способны воспринимать сжимающих усилий;
- повышенная деформативность из-за наличия шарниров, соединяющих полуарки верхнего пояса.
В работе [3] предлагается установить каждое ребро верхнего пояса строительной конструкции на два торцевых элемента, попарно объединенных между собой в опорах (например, в фундаментах). Для восприятия горизонтальных распоров, ребра верхнего пояса объединены кольцом, расположенным в уровне верха торцевых элементов.
Покрытие предлагается выполнять из тентовой мембраны, которая укладывается на ребра верхнего пояса и напрягается при помощи тросов-подборов, закрепленных за концы торцевых элементов, а также при помощи напрягающих тросов, расположенных в радиальном направлении. Недостатки решения [3]:
- повышенная деформативность от внешней неравномерной нагрузки;
- сложность изготовления ребер верхнего пояса в форме арок;
- значительные изгибающие моменты в ребрах верхнего пояса при выполнении их из прямолинейных элементов;
- значительные изгибающие моменты из плоскости ребер верхнего пояса при действии неравномерных внешних нагрузок;
- не достаточная надежность вследствие отсутствия связей из плоскостей ребер верхнего пояса. В результате, при локальном повреждении тентовой мембраны (например, с одной стороны от ребра), ребра верхнего пояса будут подвержены значительным неравномерным воздействиям, могущим привести к потере несущей способности;
- увеличенная расчетная длина элементов кольца, объединяющего ребра верхнего пояса, расположенного в уровне верха торцевых элементов и работающего на сжатие при действии нагрузок снизу-вверх.
Техническая задача полезной модели - повышение несущей способности гибридного купола на действие неравномерных внешних нагрузок, обеспечение возможности применения облегченного покрытия купола из гибкой тентовой мембраны, повышение надежности эксплуатации купола.
Технический результат полезной модели достигается применением гибридного купола, верхний пояс которого состоит из прямолинейных жестких на изгиб ребер, имеющих шарниры на обоих концах и расположенных в радиальном направлении, включающего шарнирные наружные и внутренние распорки, соединенные с ребрами верхнего пояса своими верхними узлами, диагональные несущие тросы и тяжи, соединяющие нижние узлы распорок с концами ребер верхнего пояса, внутреннее сжатое кольцо, состоящее из шарнирных стержней, и наружное растянутое кольцо. Наружное и внутреннее кольца купола объединяют нижние узлы соседних распорок между собой. С каждым ребром верхнего пояса купола соединены два диагональных несущих троса и четыре шарнирные распорки, расположенные симметрично, относительно вертикальной плоскости, которой принадлежит данное ребро. Распорки соседних ребер попарно объединены своими нижними узлами, а верхние узлы наружных распорок и нижние узлы внутренних распорок соединены между собой диагональными оттяжками. Нижние узлы наружных распорок связаны радиальными оттяжками с неподвижными опорами.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами:
На фиг. 1 приведена аксонометрическая схема известного решения гибридного купола [1].
v
На фиг. 2 приведены эпюры моментов M в плоскости ребер верхнего пояса известного решения купола, на который действуют неравномерные внешние нагрузки (снег на половине пролета).
w
На фиг. 3 приведены эпюры моментов M из плоскости ребер верхнего пояса известного решения купола, на который действуют неравномерные внешние нагрузки (снег на половине пролета).
На фиг. 4 приведена аксонометрическая схема предлагаемого технического решения гибридного купола.
На фиг. 5 приведен вид сверху предлагаемого технического решения гибридного купола.
На фиг. 6 приведен схематичный поперечный разрез 1-1 по фиг. 5.
v
На фиг. 7 приведены эпюры моментов M от неравномерных внешних нагрузок (снег на половине пролета) в плоскости ребер верхнего пояса предлагаемого технического решения.
v
На фиг. 8 приведены эпюры моментов M от неравномерных внешних нагрузок (снег на половине пролета) в плоскости ребер верхнего пояса гибридного купола, отличающегося от предлагаемого технического решения отсутствием диагональных и радиальных оттяжек.
На фиг. 9 приведено предлагаемое техническое решение с покрытием из гибкой тентовой мембраны.
Предлагаемое техническое решение (фиг. 4, 5, 6) состоит из верхнего пояса 1, шарнирных наружных и внутренних распорок 2 и 3, соответственно, диагональных несущих тросов 4 и тяжей 5, наружного растянутого кольца 6 и внутреннего сжатого кольца 7, диагональных оттяжек 8 и радиальных оттяжек 9.
Верхний пояс 1 состоит из прямолинейных жестких на изгиб ребер 10, имеющих шарниры 11н и 11в на обоих концах и расположенных в радиальном направлении.
Шарнирные распорки 2 и 3 соединены с ребрами верхнего пояса своими верхними узлами 12в и 13в, соответственно. Диагональные несущие тросы 4 и тяжи 5 соединяют нижние узлы 12н и 13н шарнирных распорок 2 и 3 с концами 11н и 11в ребер 10 верхнего пояса 1.
Наружное и внутреннее кольца 6 и 7 предлагаемого технического решения объединяют нижние узлы 12н и 13н, соответственно, соседних распорок 2 и 3 между собой.
Наружное кольцо 6 растянуто и состоит, например, из стальных тросов. Внутреннее кольцо 7 сжато и состоит из шарнирных стержней 7а.
С каждым ребром 10 верхнего пояса I предлагаемого технического решения соединены два диагональных несущих троса 4 и четыре шарнирные распорки 2 и 3, расположенные симметрично, относительно вертикальной плоскости, которой принадлежит данное ребро.
Шарнирные распорки соседних ребер попарно объединены своими нижними узлами 12н и 13н, а верхние узлы 12в наружных распорок 2 и нижние узлы 13н внутренних распорок 3 соединены между собой диагональными оттяжками 8. Нижние узлы 12н наружных распорок 2 связаны радиальными оттяжками 9 с неподвижными опорами 14.
Монтаж предлагаемого гибридного купола производят следующим образом. На опоры (например, оголовки колонн или на фундаменты) устанавливают ребра 10 верхнего пояса 1. С опорами ребра 10 шарнирно закрепляют в узлах 11н, между собой ребра 10 шарнирно соединяют в узлах 11в. Навешивают наружные и внутренние распорки 2 и 3, соединяют соседние распорки между собой в узлах 12н и 13н.
Устанавливают диагональные несущие тросы 4, навешивают наружное растянутое кольцо 6. Устанавливают тяжи 5, навешивают внутреннее сжатое кольцо 7. Производят установку диагональных 8 и радиальных 9 оттяжек.
Производят натяжение диагональных несущих тросов 4, либо элементов наружного растянутого кольца 6, и тяжей 5 до достижения расчетных усилий предварительного напряжения. Натяжение производят обычными способами, например, при помощи установленных стяжных муфт (на фиг. условно не показаны). При этом, в ребрах 10 верхнего пояса создаются моменты, обратные по знаку моментам от преобладающих внешних нагрузок, направленных сверху - вниз (например, от собственного веса и снега).
В качестве покрытия предлагаемого технического решения возможно применение облегченных конструкций, например гибкой напряженной тентовой мембраны. Тентовая мембрана 17 может быть решена различными способами, например, аналогично решению [3] (фиг. 9). При этом, ребра 10 верхнего пояса опираются на торцевые элементы 15, выполняемые из шарнирных стержней, которые, в свою очередь, опираются на оголовки 14 колонн 16. Колонны жестко сопряжены с фундаментами обычными известными способами.
Натяжение гибкой тентовой мембраны 17 производят различными известными способами, например, при помощи напрягающих тросов 18, закрепленных за концы 11 в ребер 10 и за опоры 14, функцию которых выполняют оголовки колонн.
К преимуществам предлагаемого технического решения относятся следующие:
1. Снижение изгибающих моментов в ребрах 10 верхнего пояса при действии на гибридный купол неравномерных внешних нагрузок.
2. Сокращение расчетных длин ребер 10 верхнего пояса, так как шарнирные распорки 2 и 3, расположенные симметрично относительно вертикальных плоскостей, которым принадлежат ребра 10, выполняют функцию связей в кольцевом направлении.
3. Уменьшение горизонтальных усилий, передаваемых на опорные конструкции, вследствие возникновения распоров противоположных знаков от жестких и гибких элементов (ребра верхнего пояса и несущие тросы, соответственно).
4. Возможность применения облегченного покрытия, например гибкой тентовой мембраны 17: шарнирные распорки 2 и 3 не препятствуют применению покрытия, имеющего криволинейную поверхность.
5. Повышение надежности эксплуатации гибридного купола, так как при повреждении покрытия (например, в случае разрыва тентовой мембраны на участке между ребрами 10) неравномерные воздействия на ребра верхнего пояса будут восприняты наклонными распорками 2 и 3.
ИСТОЧНИКИ
1. Михайлов В.В. Предварительно напряженные комбинированные и вантовые конструкции / В.В. Михайлов - М.: АСВ, 2002. - С. 117, рис. 2.62. (Прототип).
2. Патент США 5146719, 15.09.1992.
3. Патент США 3886961, 03.06.1975.