Klenby a kopule z hliněných cihel se v Evropě nacházejí především v náboženských budovách. Ve východní Evropě, Asii a Africe byly podobné formy nátěrů oblíbené také při výstavbě obytných budov, institucí a veřejných budov.
V zemích s horkým a suchým klimatem, zejména v oblastech s velkými denními teplotními změnami, mají takové nátěry řadu výhod. Pozorování ukázala, že domy s kupolovými střechami vytvářejí lepší mikroklima ve srovnání s místnostmi krychlového tvaru. Toho je dosaženo díky výšce uprostřed místností, kde se shromažďuje lehký teplý vzduch a odkud otvory snadno uniká. Plocha klenutých místností je menší než plocha krychlových místností stejného objemu. V důsledku toho je do nich také menší tok tepla.
Klenuté a klenuté střechy mají v chladném a mírném klimatu několik výhod. Protože v takových místnostech je celková plocha menší, jak bylo uvedeno výše, jsou v nich nižší tepelné ztráty. Na jejich stavbu se navíc spotřebuje méně stavebního materiálu. Klenuté a klenuté střechy bývají levnější než ploché nebo šikmé střechy. Bylo pozorováno, že ve srovnání s tradičními místnostmi s plochými stropy mají místnosti s klenutými a kupolovými střechami na své obyvatele příjemný psychologický účinek. Klenby a kopule se donedávna pokládaly pouze z půdních cihel.
V mnoha vyprahlých oblastech naší planety už žádné dřevo nezbývá, a tak byly vyvinuty technologie pro stavbu kleneb a kopulí z půdních cihel, kde nejsou potřeba nosné trámy a bednění.
Geometrické tvary kleneb
Klenba je nosná prostorová konstrukce křivočarého obrysu, sloužící k zakrytí průmyslových, veřejných budov a obytných budov. Podle počtu ohybů mohou být klenby válcové nebo klenuté (obr. 1).
Rýže. 1 Valené a kupolové klenby
Klenby lze získat z různých geometrických tvarů. Obrázek 2 ukazuje dvě křížové klenby (1, 2) a dvě uzavřené klenby (3, 4), získané z válcových tvarů.
Rýže. 2 Typy kleneb
Statika klenutých konstrukcí
Klenby a kopule jsou nosné prostorové konstrukce křivočarého obrysu, které vnímají vnější zatížení a přerozdělují je do podpěr. Klenuté a klenuté střechy se zpravidla vykládají z pálených cihel nebo plochých kamenů, kde jsou švy kolmé k povrchu klenby (obr. 3-1). Pokud jsou švy zdiva vodorovné a cihly jsou položeny s výstupkem (obr. 3-2), pak se taková konstrukce nazývá „falešná“ klenba.
Rýže. 3 kopule: 1 – tradiční; 2 – “nepravda”
Jeden příklad „falešného“ oblouku je uveden v modelu znázorněném na obrázku 4.
Rýže. 4 Model „falešného“ oblouku
Hlavním úkolem při navrhování a konstrukci kleneb je přerozdělení zatížení od vlastní hmotnosti konstrukce a vnějších sil na základ. Každý oblouk v místě styku s podporou má určitý sklon a smykovou sílu. Tato síla se skládá z horizontálních a vertikálních sil. Velikost vodorovné síly závisí nejen na velikosti smykové síly, ale také na úhlu sklonu konstrukce (obr. 5).
Čím blíže je výsledná síla svislé ose, tím menší je horizontální síla, a proto je základ jednodušší. Základem pro výpočet návrhu klenby je empirické pravidlo, které zní: výsledná síla ze smykové síly a vlastní hmoty konstrukce by měla být ve střední třetině základny základu. To znamená, že excentricita působení síly musí být menší nebo rovna 1/6 šířky základu (obr. 6).
Aby se snížily náklady na výstavbu základů, je vhodné zajistit další konstrukční opatření ve fázi návrhu budovy. Některá konstrukční řešení jsou uvedena na obrázku 7.
Rýže. 7 Možnosti designu kopule
Řešení 1 navrhuje aplikovat dodatečné zatížení (stěny s parapetem), v důsledku čehož je výsledná síla co nejblíže svislé ose. Ve variantě 2 jsou použity podpěry. Vzdálenost mezi nimi by neměla být příliš velká, jinak mohou ohybová napětí překročit mezní hodnoty. Z těchto úvah je nejlepší konstrukční řešení varianta 3, kde jsou opěráky v horní části spojeny klenbami. Výsledná horizontální tahová napětí ve variantě 4 jsou vyvážená díky zařízení pro překrytí. Řešení 5 ukazuje jednotlivé tažné prvky fungující podobným způsobem. V tomto případě se na potěry položí podlaha ze dřeva, kovu nebo železobetonu. Řešení 6 a 7 ukazují dvě možné možnosti snížení smykových sil z centrální kopule postavením dalších kleneb a kopulí, které slouží jako opěry.
Když se v základně protnou dva stejné oblouky, horizontální síly vznikající ze smykových sil se vzájemně vyrovnávají (obr. 8-2). Pokud mají klenby různé tvary, pak vodorovné síly nejsou stejné (obr. 8-1).
Konstrukce klenby ze zeminových cihel nevydrží tahové síly, proto je nutné navrhnout optimální podobu střechy, ve které vznikají pouze tlaková napětí. Tvar valené klenby pod vlivem pouze vlastní hmoty má při převrácení tvar volně zavěšeného řetězu. Volně zavěšený řetěz, natažený vlastní vahou, tvoří řetězovou křivku. V tomto případě vznikají pouze tahové síly. Pokud se tato křivka převrátí, získá se optimální tvar pro klenbu, ve které pod její vlastní tíhou vznikají pouze tlakové síly (obr. 9).
Řetězová křivka se vypočítá pomocí vzorce y = a cos (x/a) a určí se na základě polohy dvou opěrných bodů a vrcholu (obr. 10).
V půlkruhové klenbě vznikají ohybová napětí z vlastní hmoty konstrukce. Středová osa oblouku se neshoduje s optimální křivkou a může dokonce přesahovat konstrukci (obr. 11A), což vede k její destrukci. Pokud je optimální křivka ve střední třetině tloušťky oblouku (obr. 11B), lze se tomuto nebezpečí vyhnout.
Při optimálním tvaru kopule vznikají v konstrukci pouze tlaková napětí od vlastní hmoty a nevznikají tahová napětí. Při konstrukci dveřních a okenních otvorů může v kupoli vzniknout tlaková obručová napětí. Aby se získal optimální tvar oblouku, provede se řez, jak je znázorněno na obrázku 12 vlevo, který je rozdělen na segmenty stejné délky.
V důsledku toho se tvoří prvky se stejnou plochou. Koncentrované síly z vlastní hmoty jsou umístěny ve středu každého segmentu a mají stejné hodnoty. Obrázek vpravo ukazuje část kopule, která je také rozdělena na stejně dlouhé segmenty, ale jejich šířka, a tedy i plocha, se od základny k vrcholu zmenšuje. Úměrně tomu budou klesat i hodnoty koncentrovaných sil.
Optimální tvar kopule byl vymodelován na řetězu, na který bylo aplikováno přiměřené zatížení a výsledkem byla ideální křivka (obr. 13). Výsledná ideální křivka je na obrázku v porovnání s volně zavěšeným řetězem. Obrázek také obsahuje vzorce pro výpočet ploch segmentů koulí.
Vzhledem k tomu, že optimální tvar kopule není sférický, je výpočet plochy jejích segmentů mírně odlišný. Tyto vzorce lze použít pro předběžné výpočty a pro kupole, které mají malá rozpětí. Většího stupně přesnosti lze dosáhnout postupným opakováním, nahrazením měnících se poloměrů zakřivení segmentů měřených na modelu a úpravou zatížení podle vypočtených ploch povrchu segmentů. Pokud se výška kopule nerovná jejímu poloměru, pak se výše uvedené vzorce pro výpočet nepoužívají. Základem je tvar elipsy, jejíž osa je umístěna pod základnou kopule. Tento předpoklad je velmi blízký ideální formě, kterou lze na modelu zpřesnit.
Vysoké přesnosti získání ideální křivky bylo dosaženo pomocí metody grafické statiky a počítačového programu. Obrázek 14 ukazuje získané výsledky výpočtu, kde se výška kopule měnila od h = 1,5r do h = 0.5r (kde h je výška a r je poloměr kopule). V každém případě byla brána v úvahu světelná lampa, jejíž poloměr byl 0.2 r.
Obrázek 15 ukazuje optimální kupolovou křivku ve srovnání s parabolou, koulí a řetězovou křivkou.
Pokud křivka kopule přechází mimo optimální jako spodní část koule, pak vznikají prstencová tahová napětí, která vedou k destrukci konstrukce. Pokud kopulovitá křivka prochází uvnitř optimálního tvaru jako řetězová křivka, pak vznikají obručová tlaková napětí. Tato namáhání nejsou nebezpečná, pokud v kupolích nejsou instalovány velké okenní a dveřní otvory. Níže uvedená tabulka obsahuje souřadnice optimálních křivek pro různé kupole, ve kterých se jejich výška pohybuje od h = 0,8 r do h = 1,4 r (kde h je výška a r je poloměr kopule). V tomto případě se neberou v úvahu horní otvory nahoře. Kopule se doporučuje umístit do optimální křivky, zejména horní části konstrukce. Tím se zabrání namáhání v tahu, které způsobuje zatížení větrem a další zatížení.
