Разработка, конструирование и исследование деревянного ребристо-кольцевого купола с блоками жесткости и сборно-разборными узлами (стр. 2 из 5)
В первой главе приведен краткий исторический обзор развития купольных конструкций в мировой и отечественной практике. Автором отмечается какие величайшие купольные конструкции были построены. Из них выделяется купол Пантеона, это самый большой купол в мире XIX века, его диаметр 43,5 м. Среди сооружений новейшего времени, особенно замечательными по своей величине, искусной конструкции и изяществу являются купола московского храма Христа Спасителя и петербургского Исаакиевского собора.
Анализ современных конструктивных решений купольных покрытий с применением древесины показывает, что наиболее широкое распространение в гражданском и промышленном строительстве получили ребристо-кольцевые купола. Конструктивные решения таких куполов можно представить следующими примерами. Спортивный зал с деревянным куполом в Монтана (США), пролет которого 91,5 м, высота 15,3, основными несущими элементами которого являются меридиональные арки – ребра. Уникальное здание Олимпийского тренировочного комплекса в Такома (США) с деревянным куполом диаметром 256 м является самым крупным в мире по размеру пролета из клееной древесины.
Также в первой главе приводятся области рационального применения сборных деревянных куполов, и дается обзор методов расчета ребристо-кольцевых куполов.
Во второй главе приведен анализ формообразования, приведен пример реализации положений в разработке ребристо-кольцевого купола пролетом 12 м с различными конструктивными решениями узловых сопряжений.
При разработке опытной конструкции автор исходил из целесообразности, необходимости и возможности: использовать рациональную конструктивную форму; эффективно использовать свойства применяемых в конструкциях материалов; руководствоваться принципом упрощения конструктивной формы при одновременном уменьшении общей массы конструкции; создать сборно-разборную конструкцию с отсутствием врубок, подтесок и т.п.; конструировать узлы с учетом требований скоростного монтажа и демонтажа, многократного использования, транспортабельности конструкций, мобильности; наделить конструкцию высокими эстетическими качествами; простотой устройства проемов – ворот, дверей, окон; выполнения конструкции и из других современных материалов и изделий; обеспечения пространственной работы купольной конструкции постановкой системы связей.
Обоснованию выбора геометрической схемы купола автор уделил особое внимание, поскольку именно от этого зависят число типоразмеров элементов, конструкция узлов сопряжения, способы изготовления и монтажа элементов и, в конечном итоге, эффективность и надежность конструкции.
Предложенная новая (патент РФ на изобретение №2298618) конструктивная форма купола, которая базируется на синтезе наилучших свойств двух систем разрезки: меридионально-кольцевой и звездчатой.
 |  |
Рис. 1. Меридионально-кольцевая разрезка (а) и разрезка сферы двумя пучками меридиональных плоскостей с взаимно перпендикулярными осями (б)
К достоинствам этой системы, по мнению автора, следует отнести простоту формы и исполнения узловых сопряжений элементов. К очевидным недостаткам можно отнести неэффективность работы при воздействии несимметричных нагрузок, что может быть устранено в многосвязной системе, например, в системе звездчатого типа.
 |  |
Рис. 2. Звездчатая система: а – на основе сети Чебышева; б – на основе сети локсодромий
К недостаткам звездчатой системы можно отнести достаточно большое количество стержней, сходящихся в узле, что приводит к существенному усложнению конструкции узловых элементов.
Предложенная автором шахматная система разрезки (рис. 3) устраняет основной недостаток звездчатой системы – сгущения сетки, и в тоже время, обладает прочностью и жесткостью при действии несимметричных нагрузках. Жесткость конструкции придают раскосы, образующие ромб (блок жесткости), который располагается в плоскости трапециевидных секций купола и раскрепляет их своими вершинами середины длин, тем самым разгружая сходимость элементов в узле и уменьшая расчетную длину меридиональных и кольцевых стержней.
Рис. 3. Шахматная система разрезки
Использование адресной установки блоков жесткости позволяет, в первую очередь, исключить из общей работы большое количество малонагруженных связей, достичь экономии материала на изготовление купола, а также снизить его массу, что является весьма актуальным, в частности, для сейсмоопасных районов. Помимо этого значительно снижается трудоемкость, т.к. чем меньше связей, тем проще возвести купол.
В качестве примера реализации шахматной системы разрезки купола автором был разработан до стадии альбома рабочих чертежей деревянный ребристо-кольцевой купол с блоками жесткости, расставленными в шахматном порядке (рис. 4).
Рис. 4. Деревянный ребристо-кольцевой купол с блоками жесткости, расставленными в шахматном порядке
Ребристо-кольцевой купол имеет вид сегмента, вписанного в сферу радиусом 12 м и высотой 4 м. Отношение стрелы подъема к пролету купола составляет 1:3. Площадь купола составляет 113 м2. Объем внутреннего пространства составляет 235 м3. Купол образован двенадцатью меридиональными ребрами (каждое ребро образовано тремя панелями), тремя кольцами прогонов, сорока восьмью раскосами. В целях унификации панели всех меридиональных ребер имеют длину в осях 2,5 м. Меридиональные ребра располагаются на сфере с углом поворота 30O.
Соединение меридиональных ребер в верхней точки купола происходит при помощи верхнего опорного кольца (рис. 5, а). Верхнее опорное кольцо принято металлическим, состоящим из трубы и усилено приваренным листом железа. Диаметр верхнего опорного кольца принимался конструктивно минимальным, равным 450 мм.
 |
