Геодезические купола

Содержание:

	Введение	2
1	Определение пространственных систем регулярной структуры.	3
2	Своды	5
2.1	Эволюция сводчатых покрытий	5
2.2	Сетчатые своды	8
3	Оболочки	12
4	Геодезические купола	22
4.1	Определение купола	22
4.2	Историческая справка	22
4.3	Геодезический купол	25
4.4	Виды геодезических куполов	26
	Список литературы	36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Важным элементом перестройки экономики нашей страны является широкое использование высокоэффективных ресурсо- и энергосберегающих технологий. В связи с этим в области капитального строительства первоочередной задачей является применение эффективных видов строительных конструкций, уменьшение схода материалов и трудозатрат при возведении зданий и сооружений, снижение сметной стоимости и продолжительности строительства.

Наиболее перспективными и экономичными явля.тся тонкостенные пространственные строительные конструкции покрытий зданий и сооружений. Во многих случаях такие конструкции выполняют функции не только покрытий, но и стен, создавая единые пространственные формы и композиции. Следуя тенденции оптимизации, современные пространственные конструкции выполняются с использованием  разных видов материалов. Широко применяются компьютеризация расчетов, современные методы оптимизации и экспериментальных исследований, возможности строительно-монтажного обеспечения.

С позиций приоритета улучшения архитектуры наших городов за счет выразительности образов сооружений и целых ансамблей. Такие сооружения могли бы создавать запоминающиеся и эстетические архитектурные образы, гармонируя с окружающей экологической средой. При этом необходимо стремиться к снижению материалоемкости и трудоемкости строительства.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Определение пространственных систем регулярной структуры.

В течение столетий при строительстве зданий и сооружений человек возводил массивные структурные элементы, работающие на сжатие. Для перекрытия зданий, как правило, общественного назначения применялись своды или купола также массивной конструкции из камня, кирпича или бетона – материалов, которые могут воспринимать в основном сжимающие усилия. С появлением в начале ХХв. Железобетона, способного принимать любые формы и сопротивляться сжатию, растяжению и изгибу, стали создавать такие строительные конструкции, в которых использовались качества нового материала, на свойства которого можно оказывать влияния.  Такими конструкциями явились оболочки. В то время как сводчатые конструкции воспринимали в основном сжимающие напряжения, в оболочках под действием нагрузки возникало сложное напряженно-деформированное состояние.

Пространственные системы регулярной структуры основаны на принципе многосвязности. Это определяет целый ряд их преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями, скомпонованными из стропильных и подстропильных ферм, прогонов.

Структурная конструкция является многократно статически неопределимой системой. При повреждении одного или нескольких элементов в ней происходит перераспределение усилий, что обеспечивает большую надежность конструкции. Кроме того, структуры обладают малой чувствительностью  к большим сосредоточенным нагрузкам, большей жесткостью по сравнению с покрытиями из ферм, что позволяет уменьший строительную высоту структурной плиты в два и более раза, а также уменьшить объем здания и эксплуатационные расходы.  [1]

 

 

Рис. 1 – Классификация пространственных конструкций

 

2. Своды

Свод (от «сводить» — соединять, смыкать) — в архитектуре тип перекрытия или покрытия сооружений, конструкция, которая образуется выпуклой криволинейной поверхностью.

Конструктивная работа:  Своды, как правило, испытывают нагрузку от собственного веса, плюс от находящихся выше конструктивных элементов здания (и погодных воздействий). Под нагрузкой свод работает преимущественно на сжатие. Возникшее вертикальное усилие сжатия своды передают на свои опоры. Во многих типах сводов возникает дополнительное усилие — горизонтальное, т.е. они начинают работать еще и на распор. Горизонтальный распор может быть минимальным, или же погашаться в теле кольцевой затяжки или иной заложенной в теле свода арматуры.

2.1 Эволюция сводчатых перекрытий:

      Конструкции сводов, т.е. арочно-купольная система перекрытий явилась следующим шагом в развитии архитектуры. Ей предшествовала стоечно-балочная система, в основе которой лежит использование древесных стволов в качестве главного строительного материала.

Рис. 2 – Стоечно-балочная система перекрытий (Греция): стойки — колонны, балки — архитравы.

     Несмотря на то, что блоки камня и кирпич вскоре заменили древесину, стоечно-балочная система (т.е. конструкция, элементы которой смыкаются под прямым углом) оставалась основным принципом строительства в Древнем мире — в архитектуре Древнего Египта и Древней Греции. Величина прочности камня на изгиб ограничивала в стоечно-балочной конструкции ширину пролёта примерно до 5 м. (Те своды, которые все-таки встречаются в архитектуре этих периодов, например, казематы акрополя Тиринфа и шахтовые гробницы носят название ложных сводов, т.к. в отличие от классических вариантов, не передавали усилий распора и напоминали их лишь внешне).

     Ситуация изменилась лишь с изобретением достаточно надёжных связующих — таких растворов, как цемент и бетон, а также с развитием науки, которая позволила рассчитывать более сложные криволинейные конструкции. Применение криволинейных сводов, где камень работает уже не на изгиб, а на сжатие, поэтому обнаруживает более высокую прочность, позволило значительно превысить указанный выше размер пролета от 5 метров балочно-стоечной системы.

     Хотя цилиндрические своды появились уже в 4—3 тыс. до н.э. в Египте и Месопотамии, массовое использование арочно-купольной системы перекрытий началось лишь в архитектуре Древнего Рима. К этому времени принято относить изобретение арки и купола, а также основных типов сводов, в основе которых лежат два этих конструктивных элемента. Со временем число этих типов увеличилось.

       Своды в древнеримском строительстве, а также в её наследниках — романской и византийской архитектуре были достаточно тяжёлыми, поэтому, для того чтобы выдерживать вес перекрытий, стены-опоры для этих сводов возводились очень толстыми и массивными. Нагрузка в таких конструкциях передавалась непосредственно на стены. Следующий этап в развитии сводов наступил в готической архитектуре, строители которой изобрели новый вариант распределения нагрузки.

Рис. 3 – Два варианта распределения нагрузок: романтика и готика.

     Массивная стена, служившая опорой для тяжелого свода, была заменена на систему контрфорсов и аркбутанов. Теперь усилие стало передаваться не непосредственно вертикально вниз, а распределяться и отводиться вбок по аркбутанам, уходя в контрфорсы. Это позволило намного утончить стены, заменив их на несколько надежных опорных контрфорсов. Кроме того, произошло изменение в кладке собственно сводов — если раньше они целиком выкладывались из массивных камней и были одинаковы по всей толщине, то теперь свод стал представлять собой жёсткие рёбра (нервюры), служащие для опоры и распределения нагрузки, а промежутки между нервюрами выкладывались лёгким кирпичом, выполнявшим теперь лишь заградительную, но не несущую функцию. Это открытие позволило архитекторам готики перекрывать конструктивно новыми типами сводов невиданно большие пространства соборов и создавать головокружительно высокие потолки.

     Наконец, следующая и на сегодняшний день завершающая веха в эволюции сводов наступила в XIX веке с изобретением железобетона. Если до этого инженерам приходилось рассчитывать своды, выложенные по опалубке из кирпича с помощью цемента, или из камня с помощью бетона (а они могли рассыпаться в случае неудачных расчетов или ошибок в кладке), то теперь бетон армируется железом и формуется в заливочных формах. Это придало ему необыкновенную прочность, а также дало максимальную свободу фантазии архитекторов. Со 2-й половины XIX в. своды нередко создавались из металлических конструкций. В ХХ в. появились различные типы монолитные и сборные железобетонные тонкостенные своды-оболочки сложной конструкции. Они применяются для покрытий большепролетных зданий и сооружений. С середины ХХ в. распространяются также деревянные клеёные сводчатые конструкции.

Своды подразделяют на:

• Повышенные — отношение стрелы свода или подъема к пролету свода более 1/2.
• Пониженные — отношение стрелы свода к пролету колеблется от 1/4 до 1/2.
• Плоские — отношение меньше 1/4.

     В России теорией равновесия сводов активно занимались знаменитые учёные, такие как академик Петербургской Академии наук С. Е. Гурьев.

      Своды позволяют перекрывать значительные пространства без дополнительных промежуточных опор, используются преимущественно в круглых, многоугольных или эллиптических в плане помещениях.

    2.2 Сетчатые своды.

    Как и все пространственные системы, сетчатые своды являются очень экономичными по расходу металла благодаря применению тонкостенных штампованных профилей.

        Конструкция сетчатых сводов известна давно – это пространственная стержневая конструкция, узлы сопряжения стержней которой находятся на поверхности оболочки, очерченной какой-либо кривой линией. В зависимости от вида криволинейной направляющей различают круговые, параболические, эллиптические и другие типы цилиндрических оболочек.

Наиболее простой конструктивной формой является сетчатый свод, очерченный по круговому цилиндру. Такая поверхность представляет собой поверхность одинарной кривизны или нулевой гауссовой кривизны.

Основным достоинством такого свода является возможность сборки его из равновеликих по длине стержней и однотипных узловых элементов.

        В зависимости от величины пролета сетчатые цилиндрические своды могут быть однопоясными или двухпоясными. При этом двухпоясные сетчатые своды обладают значительно большей жесткостью и несущей способностью, чем однопоясные, поэтому целесообразность их применения становится очевидной при пролетах более 40-50м. [2].

        Наряду с однопоясными и двухпоясными сетчатыми сводами могут иметь место однопоясные сетчатые своды подкрепленные дополнительными поперечными стержнями, количество которых определяется требованиями обеспечения общей устойчивости конструкции [3].

         В отличие от однопоясных и однопоясных подкрепленных сетчатых сводов, требующих обязательной постановки по торцам жестких диафрагм в виде сплошных стен, сегментных форм или других конструкций, в двухпоясных сводах такие диафрагмы могут отсутствовать, что обеспечивает регулярность покрытия неограниченной длины.

         В двухсетчатых сводах также как и в односетчатых применяются различные системы сеток - ромбическая, треугольная, раскосная или комбинированная. Наиболее удачная с точки зрения трудоемкости изготовления и монтажа является складчатая форма, в которой основную рабочую функцию выполняют поперечные решетчатые арки, передающие на фундамент основные усилия.

        Продольные элементы сетчатого свода способствуют перераспределению усилий между поперечными элементами свода, при этом существенно увеличивая жесткость двухсетчатого свода.

        Несмотря на очевидные достоинства двухпоясных сетчатых сводов их применение в практике строительства не получило должного развития.

Узловые решения:

   Узлoвые сoединения элeмeнтов ceтчaтых кoнстрyкций имeют свoи осoбенности, зависящиe oт фoрмы пoверхности и рисункa сeтчатых кoнструкций, oт  применяeмых для этиx кoнструкций мaтериалов, oт yсловий мoнтажа – сбoрки и эксплуaтации пoкрытия.

   B качeстве узлoвых сoединений примeняются сбoлчивание, склeпка, свaрка, зaмоноличивание и склeйка.

    Узлoвые сoединения мeталлических сeтчатых oткрытий кoнструируются с учeтом несмeщаемости yзлов. В бoлтовых сoединениях для этoй цeли дeлаются спeциальные кoнцевые насaдки-мyфты, пoзволяющие нeсколько измeнять длину стержня.

      Примeняемые на прaктике узлoвые сoединения сeтчатых ж/б кoнструкций сoбираются при пoмощи сварки выпусков армaтуры, мoнтажа и сварки заклaдных чaстей или путeм мoнтажной сбoрки с послeдующим замoноличиванием [8].

В виде примера, представляю вам проект архитекторов John McAslan + Partners – «Сетчатые своды вокзала Кингс Кросс в Лондоне»

Реконструкция была приурочена к летней Олимпиаде в Лондоне и обошлась в 550 млн. фунтов стерлингов.  Теперь жителей и гостей Лондона встречает новый эффектный сетчатый свод терминала, кирпично-стеклянные холлы и обновленные платформы.

19 марта 2012 в Лондоне после  реконструкции открылся знаменитый  вокзал Кингс-Кросс. Новый Западный  зал перекрыт полукуполом, который  поддерживают 16 стальных опор. При  высоте в 20 м и длине в 150 м это крупнейшее вокзальное пространство Европы с единым пролетом (его площадь 7 500 м2)