Составные железобетонные оболочки.

Значительно большее развитие в современной строительной технике получило применение составных покрытий в виде сочетания оболочек положительной гауссовой кривизны. Нерегулярность геометрической формы, вызванная функциональными, градостроительными или эстетическими требованиями, достигается в этих решения путем сопряжения отдельных фрагментов поверхностей, геометрия каждой из которой, как правило, описывается аналитически. Крестовые и сомкнутые своды, рассмотренные выше, являются наиболее простыми комбинациями таких поверхностей.

В последние годы составные оболочки стали применять для зданий больших пролетов с различной формой плана.

Для зданий с вытянутой формой плана в ГДР применяют комбинированные пространственные конструкции пролетами 12, 21, 27, 30 и 36 м. Они выполнены с размещенной по продольной оси зданий аркой, имеющей разветвленные концы, к которой примыкают оболочки. Подобное решение было предложено Р. Тайибером в Париже для спортивного центра с ареной размерами более 61Х30 м. Аналогичная конструктивная схема была предложена в СССР ранее.

Примерами составных оболочек для зданий с произвольной многоугольной формой плана являются составные оболочки аэровокзалов пролетом около 60м (США). Форма плана составляющих оболочек приближается к треугольной,в в целом план нерегулярный. Покрытие оперного театра в Сиднее состоит из пересекающихся сборно-монолитных оболочек в форме треугольных в плане фрагментов сферы с одинаковым радиусом кривизны. На рис. 2.6 а показано перекрытие частного жилого дома (США) составной армоцементной конструкцией, образованной четырьмя оболочками положительной гауссовой кривизны, две из которых – консольные. Толщина оболочек 22 мм при пролете около 25м. Сочетанием треугольных в плане монолитных сферических оболочек пролетами 22, 30, 37, 45, и 60 м перекрыт учебно-спортивный центр (Франция).

Значительное распространении получили составные оболочки отрицательной гауссовой кривизны, преимущественно в виде гиперболических параболоидов (гипаров). Наибольшее применение нашли сочетания оболочек с прямолинейными краями, соответствующими прямым образующим исходных геометрических поверхностей гипаров. В СССР в 1928 г. Г. Макаровой было предложено покрытие в виде сочетаний гипаров «зонтообразных» и «щипцовых». В 1932-1933 гг. во Франции в качестве покрытий консольного типа применили фрагменты гипаров, а в качестве «щипцовых» оболочек – в Италии. С 1950 г. Начались разработки и исследования Ф. Кандела в Мексике большого числа промышленных и общественных зданий с применением оболочек различных форм.

В общественных зданиях наибольшее распространение получили центрические композиции составных оболочек из трех, четырех, пяти и более оболочек в виде гиперболических параболоидов в СССР и за рубежом. одна из крупнейших оболочек этого типа пролетом 60м является покрытием ресторана (США). Оболочка образована тремя гипарами. В СССР Промстройпроектом разработаны технические решения покрытий в виде сборных железобетонных оболочек с поверхностью гиперболических параболоидов размерами 18Х18, 30Х30, 42Х42 м. Оболочки собирались из унифицированных плит размером 3Х3 м.

В оболочках центрического типа максимально облегчен контур за счет передачи усилий в местах сопряжения гиперболических параболоидов.

При возведении составных монолитных оболочек за рубежом использовались свойства прямолинейности образующих опалубки. Для оболочек центрического типа опалубку, выполненную для одной секции, перемещали по мере бетонирования и раскружаливания.

Для перекрытия вытянутых, прямоугольных планов, которые могут посекционно блокироваться, осуществлены оболочки в виде сочетания гипаров пролетами 18 и 24 м. Особенность конструкции – ее складчатая форма, однако вместо плоских граней поверхности они принимались в виде гиперболических параболоидов. Покрытие «щипцового» типа расчленялось линиями сопряжения на сборные плиты в виде гипаров размерами 3Х9 или 3Х12 м, и толщиной 3 см. Приведенная толщина бетона составляла 6,2 см, расход стали – 12 кг\м квадратный. Оболочки такого типа для покрытий двух промышленных зданий (СССР) были одними из первых составных сборных оболочек в виде гипаров. В дальнейшем модификации оболочек такого типа с гранями в виде гипаров были применены за рубежом.

Идея применения оболочек отрицательной гауссовой кривизны в качестве составляющих элементов покрытий зданий пролетами 70…80 м с вытянутым планом получила развитие в работах МНИИТЭП.

История развития составных оболочек показывает, что их конструктивные схемы существенно изменялись и усложнялись в соответствии с ростом градостроительных, функциональных, эксплуатационных требований, а также условиями рациональной статической работы и технологичности возведения.

Развитие конструктивных форм оболочек, сопровождавшееся усложнением расчетных схем, отступлениями от регулярности, разнообразными граничными условиями, сборностью, неизбежно приводило к трудностям в расчете. Новые конструкции оболочек рассчитывались трудоемкими способами вручную либо исследовались на моделях в сочетании с упрощенными методами. В результате эффективность применения тонкостенных пространственных конструкций снижалась, так как возможности использования рациональных конструктивных форм ограничивались.

Появление мощных ЭВМ привело к созданию качественно новых подходов к решению задач расчета оболочек сложной формы при произвольных граничных условиях с учетом совместной работы с контурными элементами и другими конструктивными особенностями. На базе современного аппарата вычислительной математики для расчета сложных оболочек стали применяться численные методы строительной механики, прежде всего эффективный метод конечных элементов.