С 1950 г. развертывается деятельность одного из талантливейших строителей оболочек - мексиканского инженера-архитектора Ф. Канделы. Излюбленной формой оболочек Ф. Канделы является свод. Им построено большое число промышленных и гражданских зданий с применением гипаров-оболочек всевозможных форм. Эти сооружения - яркий пример использования богатейших архитектурных и конструктивных возможностей свода. В 1951 г.Ф. Кандела разработал систему "перевернутый зонт" - воронкообразную оболочку, идею которой выдвинул Ф. Эмон в 1936 г. Оболочка состоит из четырех элементов, имеет плоский контур и одну точку опоры. При такой компоновке оболочки распор воспринимается контуром, что позволяет обходиться без вспомогательных устройств для его восприятия (затяжек, массивных бортовых элементов). Экономичность и простота изготовления оболочки этого типа сделала ее популярной. Оболочка подобного типа применена для покрытий кассового зала аэровокзала в Мемфисе.
США (40 зонтов каждый размером 12 X 13,2 м покрывают площадь помещения 100 X 20 м), инструментального завода в Бедфорде (Англия). Многие из построенных Ф. Канделой сводов оболочек, например ресторан в Ксочимилко, церковь В. Милагроза обрели всемирную известность. Они поражают богатством и оригинальностью форм, тектоничностью.
Творчество Ф. Канделы продолжает оказывать большое влияние на развитие архитектуры оболочек. Оно привлекло к себе внимание многих современных архитекторов, с успехом применивших своды для создания таких значительных произведений, как зал конгрессов в Шицуока, Япония (арх.К. Танге); ресторан в Лонг Бич, США (архитекторы Раймонд и Радо, инженеры Вейдлингер, Сальвадоре) павильон "Филиппис" в Брюсселе (арх. Ле Корбюзье) гимнастический зал олимпийского комплекса в Токио (арх. Иошинобу) и др.
К настоящему времени построено большое количество зданий с применением сводов оболочек, выполненных в железобетоне, дереве и других материалах. Анализ последних позволяет определить некоторые закономерности их архитектурно - конструктивного развития, в частности взаимосвязь функционального назначения здания, его размеров и формы покрытия, поиски новых форм и рационального синтеза материалов. Размеры выполненных оболочек в основном небольшие по сравнению, например, с Бортовыми конструкциями. Чаще всего такие оболочки имеют пролеты от 9 до 40 м. Сорокалетний опыт возведения сводов - оболочек показал возможности каждого из наиболее распространенных типов оболочек. Например, самая крупная цельная оболочка в форме свода - покрытие зала универсального назначения в Людвигсхафене пролетом 57 X 57 м. Крупнейшая оболочка "щипцовой" формы размером 76 X 58 м покрывает отель в Бродмуре (СИТА). Среди сводов зонтообразной формы крупнейшими являются оболочки покрытия трибун ипподрома размером 35 X 18 м в Колумбусе (СИТА)
В России своды применяют главным образом в промышленном строительстве. Первые своды - оболочки (сборные железобетонные) разработаны Промстройпроектом в 1958 г. Инициаторы их разработки и авторы конструкций - инж. М.И. Рубинчик и арх.А.М. Рогозинский. Разработанные Ленинградским Промстройпроектом, железобетонные оболочки щипцовой формы, использованы для покрытий промышленных зданий в Черногорске, Абакане. Свод щипцовой формы размером 30х30 м запроектирован для гаража на 300 автомобилей в Ачинске. Составная оболочка из четырех сводов применена для покрытия рынка в Туле. Имеется проект павильона "Строительство" на ВДНХ (Россия), покрытие которого размером в плане 120 х 120 м состоит из четырех сводов. В 60-х годах в Баку построены три оболочки: вертолетная станция - воронкообразная оболочка размером 20 х 20 м, толщиной 6 см; шахматный павильон - деревянная составная оболочка.
В Ташкенте в 1970 годах своды - оболочки размерами 18 x 18 м применен в строительстве покрытия главного корпуса национального Университета. В Намангане построен кафе пролетом 24 х 24 м из трех сводов пролетом 20 м. Это пока первые шаги в освоении сводов - оболочек в нашей стране. В последнее время, зодчие все чаше и чаще обращаются к оболочкам в форме сводов, примененных для промышленных и гражданских зданий.
Теоретические исследования оболочек положительной и отрицательной гауссовой кривизны в виде сводов, как и оболочек первоначально сводились к разработке методов их расчета по безмоментной теории. Такой упрощенный расчет в практике проектирования монолитных железобетонных сводов применялся зарубежом довольно длительное время в сочетании с корректировкой результатов расчета для приконтурных зон оболочки на основании опыта проектирования и общих соображений конструктивного характера.
Уравнения равновесия безмоментной теории для непологих оболочек на прямоугольном плане в декартовой системе координат были выведены А. Пухером [4] в тридцатых годах. Из этих уравнений весьма просто получаются уравнения для пологих оболочек, в том числе для пологих прямоугольных сводов. Эта теория подробно изложена в русском переводе в монографии В. Флюгге. [5]
Уместно отметить, что в последние годы А.Р. Ржанициным [6] подобная форма составления уравнений в декартовых координатах, отнесенных к плану основания оболочки, была построена для моментной теории непологих оболочек. Для пологих сводов развитие безмоментной теории было дано в работах Р. Рейсснера. [7] К. Тостера, [8] где дополнительно были рассмотрены различные схемы приложения нагрузок.
Занимаясь в широких масштабах проектированием этих оригинальных оболочек, Ф. Кандела [9] разработал простые формулы для расчета по безмоментной теорий сводов на прямоугольных планах. По аналогии с расчетами оболочек положительной гауссовой кривизны Чонко [9] для определения моментов дополнил безмоментиую теорию уравнениями простого краевого эффекта.
Однако для сводов с прямолинейными краями, совпадающими с асимптотическими линиями поверхности сводного параболоида, подобная теория неприменима, поскольку моментное напряжение медленно затухает по мере удаления от края, и для таких оболочек, как показано в монографии А.Л. Гольденвейзера [10], применима теория оборонного краевого эффекта или моментная теория пологих оболочек, которая используется в настоящей работе.
Вопрос о допустимости применения безмоментной теории к расчету сводов привлекал к себе внимание ряда исследователей. На недостатки этой теории применительно к данному типу оболочек указывали Дюддек, П.Л. Пастернак [11] С. Четти и X. Тоттенхэм. [9] В последней работе справедливо отмечались недостатки безмоментной теории, однако при рассмотрении конкретных задач принимались нулевые значения прогибов по контуре оболочки, что противоречит условиям применимости безмоментной теории, поскольку нельзя в этой теории накладывать ограничения на тангенциальные связи.
Последующее развитие методов расчета сводов за рубежом заключалось в разработке их расчета как упругих систем по моментной теории, при этом эти исследования в основном затрагивали класс пологих оболочек. Здесь широко использовались уравнения пологих оболочек, аналогичные уравнениям смешанного метода В.3. Власова [12]. Несколько более точные уравнения, предложенные В. Бонгардом [13] как показали С. Четти и X. Тоттенхэм [9] приводят к незначительным поправкам (порядка 5%). В работе задача расчета сводов по моментной теории решалась в перемещениях, при этом три соответствующих уравнения равновесия решались на основе сочетания методов Канторовича и Галеркина [14].
Дюддек [15] сводил задачу расчета к построению одного разрешающего уравнения четвертого порядка в комплексной форме, которое решалось методом Мориса-Леви. Анализируя результаты расчетов, автор показал, что напряженно-деформированное состояние свода существенно ухудшается, если на контуре возникнут тангенциальные перемещения. Некоторые авторы исследовали напряженное состояние сводов при малореальных граничных условиях, когда сдвигающие усилия на контуре принимались равными нулю.
Дайаратн н Герстл [16] рассмотрели задачу устойчивости упругих сводов, используя для ее решения вариационный метод Ритца. Анализируя результаты расчетов, авторы приходят к выводу о том, что в таких оболочках к моменту потери устойчивости могут развиваться значительные прогибы, имеющие нелинейный характер.
Теоретические исследования, связанные с разработкой методов расчета сводов по моментной теории, начинают развиваться в начале шестидесятых годов, когда стали разрабатываться конструктивные решения сборных железобетонных оболочек покрытий. В это время благодаря совместной работе ЦНИИСК им. Кучеренко и Московского Промстройпроекта появляются первые конструктивные решения покрытый из сборных сводов.
Одной из первых работ в области расчета сводов на основе моментной технической теории была работа И.Е. Милейковского и М.И. Рубинчика [17], в которой уравнения пологих оболочек смешанного метода В.3. Власова решались применительно к сводам с помощью процедуры Бубнова - Галеркина. Было разработано решение для прямоугольной в плане оболочки с шарнирным опиранием по контуру, которое является традиционным для оболочек положительной гауссовой кривизны и когда расчет выполняется в двойных тригонометрических. Было показано, что для сводов недостаточно ограничиваться только одними Тригонометрическими рядами. Это решены подробно изложено в научно-техническом отчете ЦНИИСК за 1963 г. "Практические методы расчета пологих оболочек отрицательной кривизны прямоугольным планом при различных граничных условиях"
В монографии А.А. Назарова [18] изложен метод расчета прямоугольных сводов на основе построения одного разрешающего уравнения восьмого порядка относительно одной разрешающей функции перемещений. Решение этого уравнения выполняется, с помощью двойных или одинарных тригонометрических рядов. Следует однако, отметить, что такое построение решения пригодно лишь для определенного вида граничных условий, когда по всему контуру или на двух параллельных краях предполагается отсутствие связей, воспринимающих сдвигающие усилия, что (как уже отмечалось) является малореальным при проектировании оболочек.
Расчет сводов при более сложных граничных условиях был рассмотрен В.И. Ишаковым [14] который построил решение уравнений пологих оболочек смешанного метода в виде суммы одинарных по каждому направлению тригонометрических рядов.
Все вышеперечисленные исследования сводов по моментной теории касались расчета только отдельно стоящих, изолированных оболочек. Впервые расчет систем из четырех сводов был изложен в 1964 г. в научно-техническом отчете ЦНИИСК, им. Кучеренко "Методы расчета оболочек отрицательной кривизны с квадратным планом на основные виды нагрузок"; результаты этого отчета были опубликован в отдельной статье.
В 1966 - 1968 гг.В.П. Абовским и И.П. Самольяновым были опубликованы работы [19, 20] по расчету сводов, у которых уравнения пологих оболочек решались в конечных разностях. Были рассмотрены как отдельно стоящие оболочки, так система из них и составлены расчетные таблицы, однако в них для систем из четырех оболочек не учтены дискретное расположение коньковых балок по линиям контакта оболочек и податливость затяжек воспринимающих распор, что несколько искажает картину напряженно-деформированного состояния оболочек.
В.М. Никиреевым [21] уравнения смешанного метода пологих оболочек решались с помощью так называемого метода Папковича-Галеркина путем задания с точностью до неопределенных коэффициентов выражения для функции напряжений в виде двойного ряда, а вид функции прогибов определялся из интегрирования уравнения неразрывности деформаций; при этом произвольные функции интегрирования совместно с функциями, входящими в двойные ряды, подчинялись условию удовлетворения всем или только тангенциальным граничным условиям. После этого неопределенные коэффициенты находилась методом Галеркина из уравнения равновесия. В качестве варианта изложена обратная схема решения уравнений смешанного метода путем задания с точностью до неопределенных коэффициентов функции прогибов. Подобные схемы решения были применены и к расчету систем их четырех оболочек, однако при этом не была учтена специфика сопряжения их между собой под углом, что для таких оболочек может существенно изменить картину фактического напряженного состояния.
Среди других работ уместно отмстить исследования, выполнение А.О. Рассказовым [22].
Наряду с теоретическими исследованиями имеется ряд экспериментальных исследований работы оболочек покрытий в виде сводов.
Предлагаемая работа посвящена развитию инженерного метода расчета и конструирования сборно-монолитных тонкостенных железобетонных сводных оболочек покрытий.
Основная задача, настоящей диссертационной работы, заключается в следующем:
. Разработка конструктивных решений сборно-монолитных сводов оболочек изготавливаемых методом прогиба.
. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния сборно-монолитной сводов оболочки на модели и из сборных панелей.
. Исследование напряженно-деформированного состояния модели сборно-монолитной сводов оболочки на всех стадиях работы вплоть до разрушения.
. Развитие методика расчета сочлененной сборно-монолитной сводов оболочки с учетом неупругих свойств материала.
. Расчет сочлененных сборно-монолитных сводов оболочек в неупругой стадии, сравнение опытных и расчетных данных, оценка их несущей способности.
. Разработка предложений по использованию сборно-монолитных
свод оболочек при различных архитектурно-планировочных решениях.
Экспериментально-теоретическое исследование проводилось с целью:
изучения напряженно-деформированного состояния сводов оболочек при статическом равномерно-распределенном нагружении:
выявления характера деформирования, развития трещин сводов оболочек при различных уровнях статического нагружения;
оценки прочности, жесткости сводов оболочек покрытий.
разработки предложений по усовершенствованию исследованных конструктивных решений тонких сводов - оболочек покрытий.
В настоящее время ни одно сложные ответственные особенно предназначенные для широкого применения здание и сооружение не возводится без предварительного испытания на моделях. Методы испытания, масштаб моделей и их число зависят от задачи исследования. Оценка прочности, жесткости и трещиностойкости сводов оболочек покрытий при кратковременном загружении производилась по рекомендациям, приведенным в работах [23]. Необходимо отметить, что особенности поведения конструкций (как сборно-монолитных, так и монолитных) в условиях кратковременных загружении представляет собой малоизученную область.
В работе использовались результаты экспериментальны исследований проведенной на моделях в масштабе М 1: 20 Ж.С. Раззоковым. На этих конструкциях решались конкретные задачи, а именно
проектирование оболочек, работающих в эксплуатационных условиях, и разработка рекомендаций для широкого внедрения этих конструкций покрытий в строительство.
Характеристики исследованных типов оболочек и их моделей приведены в таблице. 2.1
Размеры моделей сводов оболочке принимались исходя из возможности их изготовления, при сохранении подобия изучаемых конструкций, задач статических испытаний для получения достаточно надежных опытных параметров с использованием существующих приборов и аппаратуры, а также условий передачи внешней нагрузки на поверхность оболочки и размещения приборов. Вследствие этого масштабы моделей были приняты не менее 1: 20.
Модель гладкой полигональной своды оболочки положительной гауссовой кривизны пролетом 1,8 м образована из шести составляющих оболочек с круговой поверхностью переноса. Стрела подъема в середине пролета оболочки принималась равной 0,26 м, а контурных арок - 0,09 м (рис. 2.1, табл. 2.2).