Мировой опыт строительства показывает, что одной из эффективных форм пространственных конструкций являются купола. Наиболее рациональными они оказываются при перекрытии больших пролетов. Так, если плоскостные конструкции пролетом до 40 м по металлоемкости еще могут конкурировать с купольными, то с увеличением пролета преимущество купольных очевидно. Эффективность этих конструкций возрастает с увеличением пролета и не случайно, что большинство покрытий более 200 м [10] являются купольными. Велики и композиционные возможности таких конструкций. Они позволяют перекрывать здания универсального назначения, создавать прекрасные образцы архитектурного творчества.
Купольные конструкции известны с древних времен. Их применяли в Месопотамии, Сирии, Иране, Древнем Риме. Основным материалом при этом был камень. Первые металлические купола появились в конце 19 века. Основная заслуга в развитии этих конструкций принадлежит Феппелю и Шведлеру. В 20 веке значительный вклад в развитие купольных конструкций внесли Ледерер, Маковский, Отто, Райт, Фуллер, Туполев М.С., Липницкий М.Е. [8], Савельев В.А. [9].
Купола - распорные системы, имеющие в своем составе, как правило, три основных конструктивных элемента: нижний опорный контур, оболочку, верхний опорный контур (рис. 6.1).
Рассмотрим основные типологии металлических куполов:
- а) по конструкции: ребристые, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые со связями, сетчатые, пластинчатые;
- б) по форме (рис. 6.2): сферические, эллиптические, стрельчатые, зонтичные и другой формы;
Рис. 6.1. Конструктивная схема купола:1 - верхний опорный контур;
2 - оболочка;
3 - нижний опорный контур
272
Рис. 6.2. Формы куполов:а - план сферического купола;
б - поперечный разрез сферического купола;
в - план эллиптического купола;
г - поперечный разрез эллиптического купола;
д - стрельчатый купол;
е - план зонтичного купола;
ж - вид зонтичного купола
- в) по стреле подъема (рис. 6.3): подъемистые (высокие) купола, при стреле подъема 1/2 ... 1/5 диаметра и пологие, при высоте подъема 1/5 диаметра.
Ребристые купола (рис. 6.4) состоят из отдельных плоских ребер, поставленных в радиальном направлении. При прямолинейных ребрах образуются пирамидальные или конические купола. Верхние пояса ребер составляют поверхность купола, в его вершине они примыкают к верхнему кольцу. Иногда при частом расположении ребер или устройстве на вершине купола фонаря кольцо получается значительных размеров; тогда в целях повышения жесткости и устойчивости его скрепляют внутренними распорками по крайней мере в двух диаметральных плоскостях.
Ребристые купола являются распорной системой. Распор
Рис. 6.3. Геометрические параметры купола:D - диаметр;
f - высота подъема
273
Рис. 6.4. Ребристый купол
|
Рис. 6.5. Ребристо-кольцевой купол
|
Рис. 6.6. Купол ребристо-кольцевой с решетчатыми связями
|
может быть воспринят конструкцией фундаментов, стен или специальным опорным кольцом. Опорное кольцо проектируют в плане изогнутым по окружности или в виде многогранника с жестким или шарнирным сопряжением в углах. При достаточно частом расположении ребер возможно устройство круглого кольца. При редко поставленных ребрах опорное кольцо лучше проектировать многоугольным во избежание его работы на изгиб и кручение. Наиболее распространено жесткое многоугольное кольцо с опорами в углах, имеющими подвижность в радиальном направлении. Между ребрами обычно укладывают специальные настилы или создают мембранное покрытие. Мембранные или панельные покрытия обеспечивают общую устойчивость ребер в плоскости покрытия, уменьшая расчетную длину ребер. Возможно устройство кровли по кольцевым прогонам между ребрами.
Ребристо-кольцевые купола (рис. 6.5). Устройство и включение в работу конструкции кольцевых прогонов приводит к созданию ребристо-кольцевой схемы. Последние могут быть использованы как затяжки купола. В этом случае кольца не только работают на местный изгиб от нагрузок кровли, но и воспринимают нормальные усилия от ребер купола, а в случае жесткого сопряжения колец с ребрами - и изгибающие моменты. Однако вследствие малой жесткости колец и ребер в плоскостях, касательных к поверхности купола, влиянием жесткости узлов можно пренебречь и считать, что кольца примыкают к ребрам шарнирно.
Ребристо-кольцевые купола со связями (рис. 6.6) представляют собой дальнейшее увеличение связности системы, пространственности работы, путем введения в конструкцию раскосов между ребрами.
Сетчатые купола образуются, если в ребристо-кольцевом куполе со связями увеличивать связность системы вплоть до образования крестовых связей в каждой ячейке купола, именно такую конструкцию представляет купол Шведлера (рис. 6.7), являющийся одним из первых сетчатых куполов.
Возможно и другое определение сетчатого купола, как многогранника, вписанного в сферическую или другую поверхность вращения и состоящего
274
Рис. 6.7. Сетчатый купол Шведлера
из одного или двух слоев конструктивных элементов, образующих треугольную, ромбовидную, трапецевидную, пяти- и шестиугольную сетку. Такие купола в ряде литературных источников называют также геодезическими или кристаллическими. Сетчатые купола обычно имеют только нижнее опорное кольцо.
Родоначальниками геодезических и кристаллических систем являются проф. М.С. Туполев (Россия) и Р.Б. Фуллер (США). Сетчатые купола являются наиболее экономичными по расходу материала вследствие пространственной работы каркаса и равномерности распределения материала по поверхности оболочки.
Пластинчатые купола собирают из металлических пластин (панелей), которые имеют выштампованные ребра жесткости, связанные между собой по контуру сваркой или узловыми соединениями.
275
