Особенности формообразования поверхностей конструкций сетчатых цилиндрических оболочек
Анализ опыта отечественного и зарубежного строительства убедительно свидетельствует о том, что среди деревянных конструкций сетчатых оболочек наиболее распространенными являются кружально-сетчатые своды системы Цольбау, которые обладают всеми характерными для этого типа оболочек свойствами. Все остальные конструктивные решения деревянных сетчатых оболочек могут рассматриваться как производные системы Цольбау, и поэтому ниже речь пойдет именно о сводах этой системы как о самом общем случае.
Что касается конструкции кружально-сетчатого свода, то она не является такой простой, как это кажется на первый взгляд. Геометрический расчет такой пространственной конфигурации представляется довольно сложной процедурой, причем особенно это касается безметальных сводов с соединениями на шипах.
Для рационального использования материала и строительного объема сооружения оптимальное соотношение стрелы подъема к пролету цилиндрической оболочки следует принимать в пределах 1/5 - 1/6 [34]. При этом верхняя кромка косяков может быть ломаного или криволинейного очертания, в зависимости от чего форма поперечного сечения кружально-сетчатого свода принимает вид дуги окружности или правильного многоугольника. В последующем определение геометрических параметров иллюстрируется на примере косяков с полигональной верхней кромкой.
Набегающие косяки в кружально-сетчатых сводах системы Цольбау примыкают к сквозному косяку примерно посредине его длины с некоторым смещением s. Величина смещения должна быть минимальной и всегда выбирается так, чтобы отверстия для болтов на концах косяков находились вне скошенной торцовой поверхности последних. В обычных конструкциях этой системы, где угол между косяками и образующей свода не меньше 67°, минимальная величина смещения принимается равной s = 2b + 30мм, где b - ширина поперечного сечения косяка.
Длина продолговатого отверстия в центре сквозного косяка выбирается так, чтобы болт мог свободно пройти через середину косяка. При высоте косяка более 22 см или при высоте торца косяка более 18 см рекомендуется ставить два узловых болта, при этом оси болтов делят высоту торца косяка на три равные части.
Косяки желательно делать как можно большей длины, соблюдая при этом следующие условия: высота торца косяка должна быть не меньше половины максимальной его высоты и не менее 10 см. На основании исследований кружальных арок отношение длины косяка к его высоте обычно принимается больше 13. Высота косяков принимается, как правило, не менее 1/80 пролета свода, так как при меньших отношениях не обеспечивается общая устойчивость свода [37].
Ширина и высота поперечного сечения косяка определяются расчетом по величине действующих усилий. В общем случае длина косяков находится в пределах 1,8 - 2,5 м, высота сечения косяка из цельной древесины может быть до 25 см, а ширина 2,5 - 5 см. Наиболее рационально соотношение высоты h и ширины сечения b косяка h/b = 3 - 4 .
В продольном направлении свод опирается на сплошные стены или опоры, а в поперечном направлении - на жесткие фронтоны, которые обычно конструируются в виде трехслойных арок Делорма. При решении задачи об определении геометрических размеров косяков образующая свода делится на равные отрезки V, которым соответствует шаг узлов сетки в продольном направлении, а дуга свода разбивается на равные части A s. При этом целесообразно предусматривать деление дуги на четное число отрезков, что обеспечивает симметричность сетки свода относительно центральной оси, так как при нечетном числе частей дуги свода число типов косяков увеличивается на два. Число типов косяков при четном разбиении дуги равно: для метального свода системы Цольбау - шести (пять типов косяков сетки свода и один тип косяков для фронтонных арок), для безметального свода - семи.
В каждом узле срединная плоскость сквозного косяка проходит через нормаль к поверхности свода в узловой точке, что обеспечивает постоянство радиуса кривизны свода и стандартность его элементов. Для косяков кружально-сетчатых сводов системы Цольбау угол среза торца косяка г является основной геометрической характеристикой и определяется методами аналитической геометрии как угол, образованный линией пересечения срединных плоскостей сквозного и набегающего косяков и нормалью к поверхности свода в середине набегающего косяка.