Сравнительный анализ геометрических схем в купольном домостроении

Обоснована актуальность исследования различных конструкций куполов для большепролетных объектов. Охарактеризованы геометрические схемы несущего каркаса куполов. Выявлены особенности ребристых, ребристо-кольцевых, сетчатых структур и их монтажа.

Ключевые слова: конструкция купола, геометрическая схема, ребристый купол, сетчатый купол, опорное кольцо.

Купольное домостроение набирает популярность, как в частном строительстве, так и при возведении общественных большепролетных зданий. Аэродинамические преимущества купольных конструкций позволяют возводить их в регионах с высокими ветровыми, снеговыми и сейсмическими нагрузками. При формировании купола из легких стержневых и соединительных элементов сроки строительства и число необходимой техники сокращается относительно монолитных конструкций [1]. При деформации или разрушении отдельных элементов купола не происходит обрушения всей конструкции, а элемент легко подвергается замене. Многообразие геометрии купольных решений большепролетных объектов делает актуальными сравнительные исследования различных конструкций куполов.

Можно выделить три базовых элемента в составе распорной конструкции купольного решения: нижнее и верхнее опорные кольца и оболочку сооружения. Основные распорные нагрузки ложатся на нижнее кольцо, формируя в нем напряжения изгиба, растяжения и кручения, что требует его надлежащего закрепления на нижестоящие опоры и исполнения кольца из металлических или железобетонных элементов. В проекции нижнее кольцо может принимать вид окружности, эллипса, многогранника. Верхнее опорное кольцо не является обязательным элементом купола, но при его наличии подвергается воздействию сжимающих напряжений, что следует учитывать при проектировании купола [2].

На рис.1 представлены основные геометрические проекции несущего каркаса купола.

Рис. 1. Геометрические проекции каркасов в купольном домостроении [3]

Ребристые каркасы состоят из отдельных ребер плоского сечения (Рис.1а), которые возводятся по радиальной схеме, а поверхность купольной конструкции формируется верхними поясами ребер. Проектирование опорного кольца зависит от частоты размещения ребер; при высокой частотности возможно применение круглой опоры, при низкой — многоугольной.

Проекция ребристо-кольцевого купола, когда диагональные связи исходят из каждой вершины каждой прямоугольной ячейки, представлена на Рис. 1в. Такую схему называют куполом Шведлера, преимущество которого перед другими ребристыми куполами состоит в большей жесткости и надежности конструкции. Дальнейшее совершенствование геометрических форм обусловило развитие сетчатых конструкций, включающих множество стержневых и соединительных элементов. Проектирование каркаса сетчатых решений предполагает разбиение большепролетной конструкции на систему треугольников, что повышает пространственную жесткость сооружений относительно ребристых форм и обеспечивает экономичность возведения [3].

Циклически симметричные сетчатые решения, например схема звездчатого купола Фёппля (Рис. 1г) или секторально-сетчатого купола Чивитта (Рис. 1д) имеют повторяющуюся геометрию по секторам. В этом конструкции аналогичны куполу Шведлера (Рис. 1 в), но в ребристой конструкции со связями, связи имеют гораздо меньшее сечение, чем несущий каркас. В то время как в сетчатых решениях сечения всех элементов сопоставимы, что обеспечивает равномерное перераспределение нагрузок.

На Рис. 1е представлена геометрическая схема геодезической сферы. Можно отметить, что все элементы пространственной сетки имеют одинаковые размеры и сечение, формируя многогранник, имеющий грани в форме треугольника, пяти / шестигранника, ромба. В объемном изображении все углы-соединения стержней купола будут принадлежать его поверхности, а стержни — образовывать хорды. Однотипность всех элементов купола позволяет использовать их как пространственную оболочку и как несущую конструкцию [4]. Такие решения более экономичны и эргономичны в возведении, что сокращает временные и материальные затраты на монтаж.

Монтаж большепролетных купольных решений различных геометрических форм может производиться с применением одной центральной опоры, или в сочетании ее с дополнительными опорами по периметру сооружения, возводимыми на временной основе. Такой способ характерен для строительства ребристых куполов и их вариаций. Другим способом будет возведение с использованием лесов и временных подмостей, либо посредством перемещения предварительно собранных на площадке элементов. Такая технология используется для сетчатых решений, если позволяют пролеты конструкции. При существенных размерах пролетов монтаж сетчатых конструкций осуществляется поэлементно или блоками навесным способом, а также по комбинированной технологии [3].

Таким образом, показана эволюция и особенности монтажа купольных решений различных геометрических форм от ребристых куполов и их вариаций до сетчатых конструкций, которые являются более надежными, экономичными, устойчивыми к нагрузкам и быстровозводимыми сооружениями.

Литература:

1. Животов, Д. А. Изучение опыта возведения геодезических куполов — Текст: непосредственный / Д. А. Животов, В. В. Латута // Технологии и организация строительства: материалы I Всеросс. межвуз. науч.-практ. конф. Санкт-Петербург, 2020.– С. 157–160.
2. Тур, В. И. Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности — Текст: непосредственный. / В. И. Тур. — М.: Изд-во АСВ, 2004–96 с.
3. Лебедь, Е. В. Большепролетные металлические купольные покрытия и их возведение — Текст: непосредственный / Е. В. Лебедь, А. Ю. Алукаев // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2018. — Т. 14. — № 1. — С. 4–16.
4. Таратута, В. Д. Большепролетные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений — Текст: непосредственный / В. Д. Таратута, А. М. Бегельдиев. — Краснодар: КубГАУ, 2017. — 187 с.