Металлические купола

Для выполнения сравнительного анализа эффективности двух расчетных схем была разработана программа DOM, которая автоматизирует нормативную методику подбора сеченнй пространственной стержневой системы. В качестве основной расчетной модели был принят полусферический купол диаметром 130 м с каркасом из сквозных стержней в виде ферм с параллельными поясами высотой 1500 мм и треугольной решеткой. Расчетная длина панели пояса равна 1700 мм. Принято, что пояса и решетка ферм компонуются из прокатных равнополочных стальных уголков любого сечения. В обеих схемах узлы расположены по меридиану с угловым шагом (р = тс/24 и в окружном направлении - с шагом 9 = я/18 (рис.2).

Сравнение результатов расчета для всех возможных комбинаций интенсивности снеговой и ветровой нагрузок для диаметров от 80 до 200 м показало, что металлоемкость сетчатых куполов практически не зависит от величины нормативной ветровой нагрузки, тогда как расход стали ребристо-кольцевых куполов возрастает на 15 - 40% с ее увеличением;, во всем диапазоне нагрузок и пролетов сетчатые купола имеют меньший расход стали, чем ребристо-кольцевые, причем, при малых величинах скоростного напора ветра (230-380 Па) разница показателей незначительна, но быстро растет с его увеличением (рис.3).

Геометрическое формообразование - построение геометрической схемы конструкции - является важнейшей составной частью проблемы создания конструктивной формы металлических куполов.

Вычисление геометрических параметров осесимметричных ребристых и

ребристо-кольцевых куполов является тривиальной задачей, которая сводится к

построению осевой линии меридиана. Минимальное количество типоразмеров стержневых элементов достигается, если в качестве меридиана принять дугу окружности, а узловые точки расположить на равных расстояниях друг от друга. Если центр окружности лежит на оси купола, то все узлы будут расположены на сферичесхой поверхности.

Для односетчатых оболочек на основе теории симметрии плоских орнаментов разработан новый метод построения сетей с ромбическими и равносторонними шестиугольными ячейками, главная особенность которого состоит в том, что он может быть использован не только для поверхностей вращения, но и для поверхностей произвольной формы, как гладких, так и составных. Доказано существование трех типов таких сетей (рис.4). Отмечается, что этот метод дает возможность создавать геометрические схемы, в которых две трети стержней имеют равные длины, а остальные стержни незначительно отличаются по длине друг от друга. ■ Максимальные отклонения углов между стержнями от среднего положения не превышают 7° - в касательной плоскости и 1° - в радиальной. Использование метода в сочетании с конструктивным решением каркаса из алюминиевых прессованных профилей дает решение задачи проектирования односетчатых оболочек любой формы и очертания в плане из ограниченного набора унифицированных стержневых элементов и узловых деталей. Сделан вывод о том, что для пологих покрытий наиболее рациональны сетчатые поверхности с ромбическими ячейками, являющиеся дискретным аналогом правильных сетей Чебышева. Предложены три комбинированные схемы сетчатых оболочек, в основе которых лежат сети с равносторонними четырехугольными ячейками ( а.с: №Na 196272, 594271, 706510).

Известно, что при изгибании сплошных, поверхностей их гауссова кривизна остается постоянной. В работе показано, что любая незамкнутая сетчатая поверхность также может быть трансформирована без изменения длин стержней и углов между соседними стержнями. На основе использования этого свойства разработан второй метод геометрического формообразования односетчатых оболочек -метод изометрического преобразования и доказано, что с его помощью из простейших форм поверхностей может быть получено бесконечное множество разно-

образных форм без увеличения количества типоразмеров конструктивных элементов.

При решении задач геометрического расчета односетчатых оболочек использована простейшая математическая модель стержня - отрезок прямой линии. Для двухсетчатых оболочек математическая модель стержневого элемента предлагается в виде неравных отрезков прямых. В общем случае эти отрезки не параллельны и не лежат в одной плоскости. Доказано, что произвольную двухсетчатую поверхность невозможно построить из равносторонних шестиугольных ячеек. Исключение составляет сферическая поверхность. Однако, существует решение обратной задачи - из однотипных пространственных элементов шестиугольной или ромбической формы могут быть образованы двухсетчатыз поверхности вращения переменной как положительной, так и отрицательной гауссовой кривизны. Частными случаями являются поверхности постоянной кривизны - сферическая, цилиндрическая и псевдосферическая.

В работе исследованы закономерности изменения характеристик локальной кривизны ромбической ячейки в зависимости от двух основных геометрических параметров: первый характеризует разницу в длинах поясов, второй - угол закручивания грани стержневого элемента.

Разработанный метод геометрического формообразования дает возможность учитывать перемещения края монтируемой конструкции при навесной сборке и обеспечить образование строительного, подъема без увеличения количества типоразмеров стержней.

Решение подавляющего большинства задач геометрического расчета невозможно без применения вычислительной техники. Для возможности быстрого и оперативного решения разнообразных-геометрических задач, в том числе задач геометрического формообразования разработан протрамный комплекс СЕСОИ. Установлено, что любая задача геометрического расчета может быть сведена к некоторой последовательности .вычисления координат характерных точек, каждую из которых можно представить как след пересечения трех поверхностей.

Металлические купола, также как и любые другие строительные конструкции, не могут быть изготовлены и смонтированы абсолютно точно. В результате влияния различных случайных факторов, прежде всего, отклонений в размерах стержнезых элементов, форма поверхности реальной конструкции всегда отличается от проектной. Величина отклонения узлов от номинального положения характеризует уровень точности возведения сооружения, от которого зависит его стоимость и надежность. Изготовление конструкций с низкой точностью приводит к необходимости выполнения большого объема дополнительных подгоночных работ

при монтажа и снижает несущую способность сооружения. С другой стороны, повышение точности сопровождается увеличением трудоемкости изготовления.

Програмный комплекс GECON позволяет осуществлять моделирование процесса изготовления и монтажа с учетом случайных отклонений длин элементов от номинальных размеров и на основе статистического анализа величин отклонений узлов от проектного положения прогнозировать вероятные -значения начальных несовершенств формы сооружения. Вероятностная оценка начальных отклонений узлов является одной из важнейших задач геометрического расчета. Для куполов эта задача особенно важна потому, что их общая устойчивость непосредственно зависи^от величины начальных отклонений узлов.

В процессе монтажа большепролетных куполов навесным способом случайные отклонения узлов от проектного положения могут быть измерены геодезическими средствами после окончания сборки очередного яруса. Конструктивным приемом, позволяющим полностью или частично компенсировать ошибки изготовления и монтажа, является установка прокладок в плоскостях контакта монтируемого блока с уже смонтированной частью конструкции. Разработана методика назначения толщин прокладок и реализована в программе DELTA.

В понятие эффективности вкладывается:

• меньшая металлоемкость по сравнению с традиционными плоскостными конструкциями;

• технологичность изготовления, заключающаяся в максимальной унификации сборных элементов;

• простота и малая трудоемкость сборки, отсутствие монтажной сварки.

-Отмечается, что при традиционном  подходе к проектированию сетчатых  куполов каждый стержневой элемент  и каждая узловая деталь выполняются  в строгом соответствии с выбранной  геометричесхой схемой. Количество  типоразмеров сборных элементов  однозначно определяется числом  различных геометрических размеров. Поскольку сетчатые купола двоякой  кривизны принципиально незоз-можно  создать из элементов с одинаковыми  размерами, с целью сокращения  числа различных элементов применяются  исключительно циклически симметричные  схемы на основе поверхностей  вращения. Однако, и в этом случае  количество типоразмеров сборных  элементов достаточно велико, что  снижает техноло-

гичность изготовления сетчатых куполов по сравнению, например, с перекрестно-стержневыми конструкциями.

Чтобы получить возможность создания сетчатых куполов с различной формой поверхности, в работе предложен новый подход к их проектированию, заключающийся в том, что конструктивное выполнение сборных элементов должно обеспечивать возможность их использования не только при конкретных геометрических размерах, но и при отклонении этих размеров на определенную достаточно малую величину.

Отмечается, что такой подход наиболее эффективен для односетчатых куполов массового применения, для которых задача унификации узловых деталей имеет решающее значение. Однако его использование возможно лишь при использовании специальных методов геометрического формообразования, которые позволяют минимизировать не количество различных геометрических размеров, а разброс их величин и создавать схемы, в которых длины стержней и углы между ними незначительно отличаются друг от друга.. Показано, что малые отклонения геометрических размеров могут быть компенсированы за счет использования таких конструктивных приемов, как: упругая депланация стержней открытого профиля, пластический отгиб фасонок узловых деталей, сдвиг контактных плоскостей фрикционных соединений в пределах разницы диаметров болтов и отверстий под болты, установка калиброванных прокладок в местах передачи сжимающих усилий через фрезерованные торцы, изменение ширины нахлеста кровельных листов и ЛР-

Новый подход был реализован для покрытий пролетом от 20 до 60 м. Автором предложена конструкция каркасно-обшивной алюминиевой сетчатой оболочки (а.с. №№ .574509, 657139, 894110), основная идея которой заключается в том, что для изготовления узловой детали, соединяющей концы шести стерженей каркаса, используется специальный алюминиевый профиль в виде звезды с шестью лучами. Благодаря особой конфигурации сечения каждый луч узловой летали легко может быть отогнут из плоскости в пределах +7°. Средний угол наклона стзржня к оси узла в радиальной плоскости обеспечивается проектной разметкой отверстий в стержнях под высокопрочные болты, а возможные отклонения углов от среднего значения в каждом из узлов компенсируются за счет расчетного люфта в одном из двух болтовых соединений (рис.5). При монтаже до завершения сборки всего каркаса болты не. затягивают, и только после того, как все элементы установлены и конструкция приняла заданную геометрическую форму, производится контролируемое натяжение болтов. Поверх стержней каркаса укладывают алюминиевые листы толщиной 0.8...1.2 мм, являющиеся кровельнымсетчатых куполов из алюминиевых прессованных профилей покрытием. Листы соединяются внахлест и крепятся к стержням каркаса с помощью прижимных реек таврового профиля. Водонепроницаемость покрытия обеспечивается размещением между листами по линиям нахлеста тонкого слоя герметика. К внутренней поверхности каркаса крепятся декоративные панели подвесного акустического потолка, выполняющие также функцию теплоизоляции и огнезащиты.

Отмечается, что предложенное конструктивное решение дает возможность создавать сетчатые оболочки с произвольной формой поверхности при максимальной унификации сборных элементов. Гибкость и универсальность решения, возможность создания оригинальных сооружений по индивидуальным проектам из ограниченного сортамента сборных элементов обеспечивается благодаря использованию принципа поэлементной сборки. Поскольку масса каждого из элементов не превышает 10 кг, сборка может проиводиться вручную, без грузоподъемных механизмов.

Снижения трудоемкости работ на монтаже можно достичь при использовании панельных решений односетчатых куполов. Для образования панели каждый стержень каркаса разрезается на две половины плоскостью симметрии, проходящей через его продольную ось. Половины стержней объединяются в замкнутый рамный каркас, к которому крепятся наружная и внутренняя обшивки. Простой конструктивный прием (а.с. № 531909), позволяет изготовить такие ячейки из прямолинейных швеллеров. Он заключается в том, что в полках швеллера с шагом, равным приблизительно длине стержня, выполняются парные прорези, благодаря которым швеллер легко сгибается в четырехугольную или шестиугольную раму. Изменением расстояния меду прорезями можно регулировать локальные характеристики кривизны панелей. Плоские стальные листы толщиной 0.6...1.0 мм привариваются в кондусторах к наружным полкам рам. Они фиксируют форму панели и обеспечивают восприятие усилий, направленных по диагоналям между узлами. Изтбная жесткость панелей может быть существенно увеличена за счет установки полосовых диагоналей по внутренним полкам. Панели соединяются между собой на болтах. Узловые детали отсутствуют.

Приведено также другое, еще более простое конструктивное решение панели для легких сетчатых куполов в форме равнобедренного треугольника. Каркас выполняется из тугого уголкового профиля. Уголки свариваются в углах треугольными фасовками. На расстоянии четверти длины стержня установлены распорки из того же профиля. И узловые фасонки и распорки привариваются к вертикальным полкан уголков линейными.швами в плоскости, проходящей через центр тяжести сечения. К каркасу точечной сваркой приваривается плоский стальной лист. Из таких панелей на болтах могут собираться купольные конструкции различной кривизны. Плоскости угловых профилей совмещаются при затяжке болтов за счет пластического изгиба узловых фасонок и полок распорок в зоне сварных швов.

Установлено, что для покрытий пролетом свыше 100 м определяющим показателем эффективности является снижение трудоемкости монтажных работ. Наиболее рациональным методом сооружения большепролетных покрытий является их навесная сборка' из крупных блоков полной строительной готовности, включающих элементы как несущих, так и ограждающих конструкций, без применения подмостей или каких-либо поддерживающих конструкций. При этом отмечается, что такой способ производства работ при монтаже требует увеличения изгибной жесткости оболочки и перехода к двухсетчатым поверхностям. Далее приведены результаты разработки и исследования двух типов монтажных боков: четырехугольного и шестиугольного (а.с. №№ 590414, 920150, 103В455) (рис.6) . Каждый блок имеет каркас из стержневых. элементов в виде ферм с параллельными поясами, наружную мембранную обшивку и панели подвесного потолка. Показано, что шестиугольные блоки дают возможность осуществить симметричное загружение конструкции. Кроме того, такоё решение позволяет избежать спаренной решетки в фермах. Разъемное узловое соединение стержневых элементов каркаса (а.с. № 765476) приведено на рис.7. Пояса стержней кольцевого направления соединяются между собой сквозной почти плоской фасонкой. Узловые детали, к которым крепятся пояса стержней двух других направлений, имеют симметричную V - образную форму с плоско-фрезерованными торцами. Все три узловые детали соединяются болтами. Показано, что, поскольку осесиммеТричная оболочка по направлению меридиана имеет только сжимающие усилия, разъемный узел имеет такую-же несущую способность, как и узел с цельной узловой деталью тех же геометрических размеров. Мембрана, которая приваривается к наружным поясам, выполняет, в основном, ограждающие функции. Она воспринимает местные ветровые и снеговые нагрузки в пределах треугольной ячейки и одновременно развязывает верхний пояс от потери устойчивости. Доказано, что в зоне растягивающих усилий в кольцевых элементах каркаса мембрана может быть эффективно включена в работу.