Цилиндрические длинные оболочки. Конструктивное решение, расчет и конструирование

 

1 - уровень центра  тяжести приведенного  поперечного сечения

Рисунок 7- Схема напряженно-деформированного состояния сечения  оболочки при проверке образования трещин при действии изгибающего момента и нормальной силы. 

Расчет  жесткости конструкций цилиндрических оболочек выполняют в соответствии с Руководством ( приложение Б). В основе расчета лежит расчет длинных цилиндрических оболочек и призматических складок с учетом деформаций контура по методу В.З. Власова. В расчете учитывается появление поперечных трещин в бортовых элементах и оболочке и продольных трещин в оболочке или трещин в поперечных нефах. 

Ширину  раскрытия нормальных трещин определяют по формуле 

        (2) 

где σ s - напряжение в продольной растянутой арматуре в нормальном сечении с  трещиной от соответствующей внешней нагрузки; 

l s - базовое  (без учета влияния вида поверхности  арматуры) расстояние между смежными нормальными трещинами;  

ψ s - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение  относительных деформаций растянутой арматуры между трещинами;  

φ1 - коэффициент, учитывающий продолжительность  действия нагрузки, принимаемый равным: 1,0 - при непродолжительном действии нагрузки; 1,4 - при продолжительном действии нагрузки;  

φ2 - коэффициент, учитывающий профиль продольной арматуры, принимаемый равным: 0,5 - для  арматуры периодического профиля; 0,8 - для гладкой арматуры;  

φ3 - коэффициент, учитывающий характер нагружения, принимаемый равным: 1,0 - для элементов изгибаемых и внецентренно сжатых; 1,2 - для растянутых элементов. 

В поперечном сечении оболочки или складки  момент внутренних сил Mult определяется как произведение усилий в основной растянутой арматуре бортовых элементов, соответствующих достижению ею расчетных сопротивлений, на расстояние до равнодействующей усилий в сжатой зоне сечения ( рис. 6 , стадия II а) по формуле 

    (3) 

Если  при этом в каком-либо продольном сечении оболочки изгибающий момент соответствует предельному, то в нем образуется пластический шарнир. С ростом нагрузки момент в сечении сохраняет постоянную величину, равную предельному моменту. Если же в плите образуется три продольных пластических шарнира при нагрузках меньше расчетных, то поперечная арматура должна быть усилена.

Если  момент внутренних сил Mult более чем  на 5 % отличается от момента внешних  сил М, возникающего от расчетных  нагрузок, то количество основной растянутой арматуры должно быть скорректировано и произведен перерасчет.  

Количество  поперечной арматуры, принятой по результатам  предварительного расчета, корректируется с учетом расчетных усилий при наличии трещин в поперечных и продольных сечениях оболочки. 

 Усилия  в угловых зонах оболочек рассчитываются как для упругих систем. 

Во избежание  хрупкого разрушения оболочек в углах  от скалывания величина скалывающих напряжений не должна превышать 2,5 Rbt . На участках, где напряжения скалывания больше указанной величины, необходимо осуществлять местное утолщение плиты. При этом производить перерасчет конструкции не требуется. 

Диафрагмы рассчитываются как плоские стержневые или балочные конструкции. Нагрузкой  на них являются собственный вес  и опорное давление, передаваемое в виде сдвигающих сил S (рис. 8). Эти силы являются касательными к срединной поверхности оболочки или складки, обратными по направлению и равными по величине сдвигающим усилиям в оболочке на контуре.  

Величина  сдвигающих сил определяется из расчета  оболочек и складок как упругих  систем.  

При расчете диафрагм следует учитывать эксцентричное приложение сдвигающих сил по отношению к оси элементов конструкции. 

 

Рисунок 8 - Схема передачи усилий с оболочки на диафрагму 

Конструирование длинных цилиндрических оболочек 

Выбор схемы и очертаний элементов цилиндрических оболочек 

Высоту  оболочки h , включая высоту сечения  бортовой балки, рекомендуется назначать  равной (1/6- l /8) l 1 , а стрелу подъема f равной (1/6-1/8) l 2 .  

Продольные  края оболочки в пролете могут  оставаться свободными или опираться на колонны или стены.  

Поперечное  сечение оболочек может быть очерчено по дуге круга, эллипса или по другой кривой. Рекомендуется принимать круговое очертание как наиболее простое в производстве работ.

Схемы сечений оболочек и складок приведены  на рис. 1- 2. 

Сборные и сборно-монолитные цилиндрические оболочки обычно выполняют ребристыми. Монолитные оболочки предпочтительно делать гладкими, так как устройство ребер усложняет производство работ. Ребристые монолитные оболочки (рис. 9) рекомендуется применять лишь в тех случаях, когда вследствие наличия сосредоточенных нагрузок, особенностей очертания оболочки, условий ее опирания, больших пролетов или других причин поперечные изгибающие моменты настолько велики, что требуют для гладкой оболочки слишком большой толщины и устройства очень массивных бортовых элементов. Ребра в монолитной оболочке могут потребоваться также для обеспечения ее устойчивости. 

 

Рисунок 9 - Ребристая оболочка 

Бортовые  элементы, в которых размещается  основная растянутая арматура, существенно снижают величину напряжений растяжения, уменьшают вертикальные и горизон тальные перемещения краев оболочки. Выбор типа бортовых элементов зависит в основном от условий опирания краев оболочки. Бортовые элементы для оболочек со свободно висящими краями рекомендуется принимать в виде балок, расположенных ниже края оболочки ( рис. 10, а). Для сборных конструкций балки в целях снижения их массы могут быть двутаврового сечения.  

При необходимости  бортовые элементы могут располагаться  выше края оболочки ( рис. 10, б). Они выполняются прямоугольного сечения (возможно, с приливами) или L -образного сечения ( рис.  10, в). Если края оболочки (складки) подперты, то бортовой элемент целесообразно проектировать в виде горизонтальной плиты ( рис. 10, г).  

Размеры сечений бортовых элементов определяются расчетными и конструктивными соображениями. Примерные размеры сечений этих элементов в долях от полной высоты сечения оболочки приведены на рис. 10. Примерную высоту сечения бортовых элементов в долях пролета l 1 рекомендуется принимать равной 1/20-1/30.  

Промежуточные бортовые элементы, соединяющие отдельные  волны многоволновых оболочек, проектируются обычно аналогично крайним бортовым элементам по одному из типов, изображенных на рис. 10. 

 

Рисунок 10 - Бортовые элементы 

Средние и торцевые диафрагмы устраиваются обычно в виде арок с затяжкой (рис. 11). Это решение наиболее экономично по расходу материалов.  

При небольшом  пролете волны оболочки и небольшой  стреле подъема диафрагмы могут  

проектироваться в виде балок переменной высоты. Для облегчения диафрагмы и пропуска коммуникаций в стенке балок устраиваются отверстия.  

Возможны  и другие, реже используемые диафрагмы  в виде криволинейного бруса при  опирании на стену; в виде рам с криволинейным ригелем, если распор воспринимается каркасом пристроек; в виде ферм при значительных пролетах волны оболочки и т.д.  

Диафрагмы обычно проектируются вертикальными, однако, при необходимости, они могут быть наклонными и криволинейными. 

 

Рисунок 11 - Диафрагмы цилиндрических оболочек 

Фонарные  проемы и другие отверстия рекомендуется  располагать в верхней части  оболочки в продольном направлении. Размер отверстий в поперечном направлении рекомендуется назначать не более (1/4-1/3) l 2 , в продольном направлении размеры отверстий не ограничиваются. Отверстия в оболочках окаймляются рамками и усиливаются через 2-3 м распорками (рис. 12). 

 

Рисунок 12 - Схема оболочки с фонарным проемом 

Сборные цилиндрические оболочки собираются либо из бортовых балок длиной на пролет, криволинейных ребристых панелей длиной на пролет волны и затяжек диафрагм (рис. 13, а), либо из криволинейных ребристых панелей с примыкающими к ним частями бортовых балок длиной на половину пролета волны и затяжек диафрагм (рис. 13, б); Верхним поясом диафрагм в оболочках служит усиленное ребро крайних панелей. Панели приняты размерами 3×6 и 3×12 м.

а - из бортовых балок, криволинейных  ребристых панелей  и затяжек диафрагм; б - из криволинейных ребристых панелей с бортовым элементом и затяжек диафрагм

Рисунок 13 - Схемы членения сборных длинных  цилиндрических оболочек  

Каждый  тип конструкции имеет свои преимущества и недостатки, связанные с изготовлением, транспортированием, монтажом и особенностями конструирования.  

Предварительное напряжение бортовых балок и затяжек диафрагм при выполнении их отдельно от оболочки (рис. 13, а) осуществляется заранее на заводе, а при членении по схеме рис. 13, б - на месте строительства.  

При членении оболочки по схеме рис. 13, б перед  установкой на леса сборные элементы объединяют попарно в направлении волны оболочки, сваривая закладные детали криволинейных ребер и устанавливая временные затяжки между бортовыми элементами. 

Элементы  конструкций при членении по схеме  рис. 13 а  могут проектироваться  из разных материалов: бортовые балки и диафрагмы - из бетонов высоких марок с использованием предварительного напряжения; элементы оболочек могут изготовляться из легких или ячеистых бетонов и выполнять при этом кроме несущих и ограждающих функций функцию теплоизоляции.

В средней части оболочек в нормальных сечениях действуют сжимающие и небольшие сдвигающие усилия. Стыки здесь решаются путем замоноличивания шпоночных швов бетоном с вибрированием. 

В нормальных сечениях бортовых элементов действуют  значительные растягивающие усилия. При устройстве стыков в этих сечениях (рис. 13, б) их целесообразно осуществлять предварительно напряженными, используя напрягаемую арматуру в качестве расчетного армирования. Арматура размещается в специально оставленных в элементах каналах и закрепляется по торцам оболочки. При натяжении арматуры обжимаются как сами элементы, так и стыки между ними. Для обеспечения совместной работы предварительно напряженной арматуры с бетоном каналы заполняются цементным тестом под давлением. 

В продольных сечениях оболочек кроме сдвигающих и незначительных нормальных сил действуют изгибающие моменты и сопутствующие им перерезывающие силы. При устройстве здесь стыков помимо заполнения бетоном шва между элементами должна обеспечиваться передача растягивающих усилий стыкованием арматуры ребер соединяемых элементов. При большой ширине шва арматура может соединяться сваркой выпусков, при малой - наиболее целесообразно соединение с помощью накладок через закладные детали сборных элементов. 

В местах соединения собственно оболочки или складки с бортовыми балками и диафрагмами по схеме разрезки на рис. 13а действуют значительные сдвигающие силы и изгибающие моменты (в отдельно стоящих конструкциях величина последних незначительна). В сборных элементах со стороны стыка устраиваются специальные углубления и выпуски арматуры с тем, чтобы после замоноличивания образовывались пересеченные арматурой шпонки, препятствующие их смещению (рис. 14 а). 

 

а - ребристых плит с  бортовыми балками  в отдельно стоящей  складке между  ребрами и в местах ребер; б - панелей в угловых зонах (со сваркой выпусков и со сварными каркасами, устанавливаемыми в углублениях сверху)