Архитектурно-строительные конструкции железобетонных тонкостенных оболочек

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • достижения современной архитектуры в области проектирования и строительства большепролетных пространственных структур из железобетона;
• • способы возведения монолитных железобетонных оболочек градирен;
• • возможности железобетона в архитектуре;
• • основные нормативные документы для проектирования зданий и сооружений из монолитного, сборного и сборно-монолитного железобетона;
• • основные принципы конструирования из железобетона;
• • основные принципы сборки сборно-монолитных оболочек;

уметь

• • использовать в реальном проектировании знание физико-механических свойств железобетона;
• • выбирать рациональную форму здания из нескольких предложенных вариантов, опираясь на знание картины распределения внутренних силовых факторов, технологические и эргономические требования к сооружению;
• • ориентироваться в существующем потоке информации по архитектурно-строительным конструкциям и сооружениям различного назначения из монолитного, сборного и сборно-монолитного железобетона;

владеть

• • информацией о последних достижениях строительной науки применительно к железобетонным архитектурно-строительным конструкциям различного назначения;
• • знанием о потребностях современного общества в сооружениях из монолитного, сборного и сборно-монолитного железобетона;
• • навыками проектирования большепролетных пространственных конструкций из монолитного, сборного и сборно-монолитного железобетона.

Проектирование, строительство и архитектурно-строительные конструкции железобетонных градирен

Сооружения в форме однополостных гиперболоидов вращения широко применяются в мировой строительной практике. Основной областью применения таких форм является промышленное строительство. Поверхность однополостного гиперболоида вращения можно видеть в очертаниях вытяжных башен градирен, водонапорных и радиотрансляционных башен, опор линий электропередач. Тонкостенные оболочки указанного типа входят в конструкцию железобетонных резервуаров для хранения воды, дымовых труб, составляют основу композиции общественных зданий различного назначения.

Успешное использование гиперболических оболочек вращения в строительстве обусловлено особенностью их геометрии. Однополостный гиперболоид вращения есть единственная линейчатая поверхность вращения общего вида, которая может вырождаться в цилиндр, конус или плоскость. Однополостный гиперболоид вращения может быть получен также путем вращения гиперболы, задаваемой формулой.

обращенной выпуклой стороной к оси вращения Oz (рис. 11.1, а) и расположенной в плоскости хOz. Гипербола будет являться меридианом этой поверхности.

Однополостный гиперболоид вращения является дважды линейчатой поверхностью. Через любую точку поверхности проходят две прямые, целиком лежащие на этом гиперболоиде (рис. 11.1, б). Возможность линейного построения имеет большое практическое значение, так как это позволяет оптимально размещать арматуру в монолитных железобетонных оболочках.

Рис. 11.1. Однополостный гиперболоид вращения.

Однополостный гиперболоид вращения может быть задан в неявной форме:

или в параметрической форме:

Если а = с, то гиперболоид называется правильным.

Координатные линии v (и = const) совпадают с одним семейством прямых линий, а линии и являются параллелями однополостного гиперболоида вращения.

На рис. 11.1, в гиперболоид показан с учетом верхних знаков в параметрических уравнениях поверхности, а на рис. 11.1, г — с учетом нижних знаков.

Имеются и другие формы задания рассматриваемой поверхности. Например, эту поверхность можно задать параметрическими уравнениями.

Координатные линии r и? (параллели и меридианы) — линии главных кривизн.

Параметрическая форма задания поверхности.

дает возможность также изобразить однополостный гиперболоид вращения в линиях главных кривизн я и? (параллели и меридианы).

В России появление конструкций в форме однополостных гиперболоидов вращения связывают с именем выдающегося инженера В. Г. Шухова, который еще в 1896 г. спроектировал и осуществил покрытия инженерно-строительных павильонов Всероссийской художественной и промышленной выставки в Нижнем Новгороде. Пространственная сетка этих поверхностей представляла собой поверхность однополостного гиперболоида, она была выполнена из взаимно пересекающихся лент полосовой стали. Наиболее полной работой по истории развития гиперболоидных конструкций в отечественном строительстве является монография И. А. Петропавловской [2] с 684 наименованиями библиографии. В этой книге рассмотрены факты истории их применения, представлен анализ процесса их совершенствования. В последние 80 лет от первоначальной цилиндрической формы градирен перешли к единственной технологически целесообразной форме — однополостному гиперболоиду вращения. За период с 1923 по 2000 г. только организациями треста «Центроспецстрой» было построено 580 градирен.

В 1950—1960 гг. в нашей стране получили наибольшее распространение гиперболические градирни с монолитной железобетонной башней, возводимые по проектам института «Теплоэлектропроект» (рис. 11.2). Типовая градирня имеет общую высоту над уровнем земли 55,3 м; диаметр оболочки — по нижнему контуру 47,4 м, по верхнему краю 26,16 м, выше — 10 см. Площадь, занимаемая градирней, — 2150 м². Раскосная железобетонная решетка башни состоит из 36 элементов восьмигранного сечения. Они выполнялись в сборном железобетоне в виде отдельных колонн. В верхней части решетки устраивалось опорное кольцо из монолитного железобетона, в котором заделывалась арматура сборных элементов решетки. В верхней части оболочки устраивалось кольцо жесткости. Оболочка выполнялась из бетона марки 200 на портландцементе марки 400−500.

В 1983 г. Всесоюзный институт «Оргэнергострой» составил «Сборник временных ведомственных технико-экономических показателей по сооружению башенных каркасно-обшивных и монолитных градирен», в который включены показатели по всем основ;

Рис. 11.2. Гиперболическая градирня высотой 55,3 м:

1 — водоподводящий напорный канал; 2 — распределительный стояк с резервуаром; 3 — лестница; 4 — водораспределительный бассейн; 5 — водоподводящий канал; 6 — стойки под ороситель; 7 — распределительные желоба; 8 — оросительные желоба; 9 — вытяжная башня; 10 — раскосная колоннада под башней; 11 — кольцевой фундамент; 12 — опорное кольцо; 13 — верхнее кольцо жесткости; 14 — разделительная стенка ным видам работ. Сборник предназначен для перспективного и оперативного планирования, а также материально-технического снабжения строящихся градирен. В сборнике рассматриваются гиперболические градирни с металлическими каркасно-обшивными вытяжными башнями с площадью орошения 2600 м² (высота 72 м) и 3200 м² (высота 81 м). Для создания показателей по градирням с монолитной железобетонной вытяжной башней основой послужили фактические данные, собранные институтом «Оргэнергострой» за период 1976—1981 гг. В сборнике рассматриваются гиперболические градирни с монолитной железобетонной вытяжной башней с площадью орошения 1600 м² (высота 55,3 м), 3200 м² (высота 82 м), 7000 м² (высота 130 м) и 10 000 м2 (высота 150 м).

До 2000 г. строительство железобетонных монолитных гиперболических башенных градирен для нужд энергетики осуществлялось ВПСМО «Союзгидроспецстрой». В настоящее время разработаны проекты градирен с площадью орошения 17 000 м2. В конце 1980;х гг. были возведены гиперболические градирни с площадью орошения 9500 м² на Ровенской (рис. 11.3) и Чернобыльской АЭС (Украина), Зуевской ГРЭС-2 (Украина). Эти градирни имеют общую высоту 150 м, высота без учета колоннады — 140 м, внешний диаметр фундамента — 124,1 м, диаметр верхнего края — 65,8 м, внешний диаметр верхнего края с учетом усиления — 74,9 м. Верхняя часть оболочки имеет постоянную толщину 20 см. Для оболочки применялся бетон марок М-300, Мрз-300, В-8. Рабочая арматура класса А-Ш.

Хорошо известны гиперболические градирни Ново-Ангренской ГРЭС (Узбекистан, 1989 г.) высотой 130 м (рис. 11.4). Внешний диаметр железобетонной оболочки на уровне опорного кольца равен 100,25 м, диаметр верхнего края — 63,56 м. Толщина нижнего опорного кольца — 97 см. Толщина оболочки от опорного кольца до отметки 80,00 изменяется от 90 до 16 см, а выше становится постоянной и равной 16 см.

Рис. 11.3. Поточное строительство комплекса градирен высотой 150 м на Ровенской АЭС. Украина.

Рис. 11.4. Градирни Ново-Ангренской ГРЭС. Узбекистан.

Ровенская, Ново-Ангренская, Запорожская, Чернобыльская градирни были запроектированы Ленинградским отделением института «Атомэнергопроект», а оборудование — институтом «Гидроспецпроект». Строил эти градирни через свои специализированные управления ВО «Союзгидроспецстрой». При строительстве градирен Ровенской АЭС впервые в практике строительства градирен был применен бетонораздаточный комплекс с применением башенного крана и бетононасоса с раздачей бетона через башню и стрелу крана по периметру сооружения (рис. 11.5).

В Западной Европе гиперболические градирни в системах технического водоснабжения крупных ТЭЦ и АЭС начали сооружать значительно раньше, чем в нашей стране. Уже в 1915 г. голландские инженеры Итерсон и Куйпер построили градирню высотой 35 м с вытяжной башней гиперболической формы из монолитного железобетона.

Градирня Doel III, построенная в Бельгии, имеет общую высоту 167,45 м (рис. 11.6). Диаметр нижнего опорного кольца — 133,7 м, а диаметр верхнего края — 83,74 м. Оболочка имеет два кольца жесткости высотой 0,4 м и шириной 1,25 м.

Общая высота железобетонной градирни Mississippi I, возведенной в г. Порт-Гибсон, США, составляет 158,9 м (рис. 11.7). Оболочка имеет опорное кольцо и верхнее кольцо жесткости с диаметрами.

Рис. 11.5. Бетонирование опорного кольца градирни при помощи бетонораздаточного комплекса (Ровенская АЭС).

Рис. 11.6. Градирня Doel III высотой 167,45 м. Бельгия.

Рис. 11.7. Градирня Mississippi I высотой 158,9 м. США.

Рис. 11.8. Поперечный разрез кольца жесткости градирни Mississippi I.

116,27 и 74,2 м соответственно. Эта градирня имеет также два кольца жесткости высотой 0,4 м и шириной 1,22 м, которые хорошо просматриваются на рис. 11.7. На рис. 11.8 приведен разрез по кольцу жесткости. Работы по устройству колец жесткости на внешней поверхности оболочки 1 начинались с бурения отверстий для болтов и закладных деталей, при помощи которых подвешивались сборные железобетонные корытообразные элементы 3. Установка сборных элементов на проектной высоте велась с помощью автомобильного крана. После проведения контрольных испытаний установленных сборных железобетонных элементов в них устанавливалась арматура и укладывался конструкционный бетон 2. Градирня Mississippi I была повреждена во время торнадо упавшим башенным краном. В результате этого оболочка в районе верхнего кольца жесткости была разрушена, а в районе нижнего кольца образовались большие трещины.

Градирня Isar II высотой 165,5 м с диаметрами основания и верхнего края соответственно 145,4 и 86,5 м имеет три кольца жесткости по высоте сооружения. Верхнее кольцо жесткости имеет размеры b? h = 0,91? 0,40 м, среднее — 1,40? 0,40 м, нижнее — 1,39? 0,40 м.

В Польше предприятием «Хлодне Коминове» построено несколько гиперболических монолитных железобетонных градирен высотой 132 м с диаметрами верхнего края, горловины, опорного кольца оболочки и основания соответственно 57,88; 55; 100 и 105,67 м. Минимальная толщина оболочки — 14 см, максимальная — 6 см.

В настоящее время достигнута предельная высота железобетонных градирен в 200 м.

Рост габаритов градирен не остановил даже целый ряд происшедших аварий и катастроф этих сооружений. Известен случай одновременного разрушения трех из восьми рядом стоящих градирен высотой 114 м во время сильного ветра в г. Феррибридж (Великобритания) 1 ноября 1965 г. (рис. 11.9).

Самая большая катастрофа произошла па строительстве железобетонной градирни в г. Уиллоу-айленде (штат Западная Виргиния, США) — 27 апреля 1978 г. здесь обрушилась.

Рис. 11.9. Общий вид градирен в г. Феррибридж после штормового ветра [2].

часть одной из двух гиперболических градирен ТЭЦ Плезенте-Стейшн. Проектная высота градирен — 131 м, обрушившаяся градирня была выведена до высоты 109,1 м. Эксперты Национального бюро стандартов США es результате исследований подтвердили, что причиной катастрофы была преждевременная передача строительных нагрузок на стенку оболочки, до того как бетой замоноличенного яруса получил достаточную прочность для восприятия этих нагрузок.