Большепролетные конструкции гражданских зданий. Металлические конструкции большепролётных покрытий зданий. О чем говорят здания

Большепролетные покрытия современных промышленных зданий, а также таких крупных общественных зданий, как спортивные залы, дворцы спорта, здания современных супер- и гипермаркетов, могут проектироваться как большепролетные плоскостные или пространственные конструкции. Они различаются по характеру своей статической работы. В плоскостных конструкциях все элементы работают под нагрузкой автономно, как правило, в одном направлении и не участвуют в работе соединенных с ними конструкций. В пространственных конструкциях все или большинство элементов работают совместно в двух направлениях. Благодаря такой совместной работе повышаются жесткость и несущая способность конструкции, снижается расход материалов на ее возведение.

Большепролетными плоскостными конструкциями являются балки и фермы покрытия. Балки могут быть прямоугольного и двускатного очертания. Нижний пояс балки работает на растяжение, а верхний – на сжатие. Поэтому в нижнем поясе должна размещаться основная рабочая арматура, а сечение верхнего пояса должно иметь большую площадь бетона, хорошо работающего на сжатие. На опорах балки должны быть утолщены для восприятия максимальной поперечной силы от опорных реакций. Об этом будет рассказано в соответствующих курсах строительной механики и конструкций. Пролеты балок не превышают 18 м.

Пролеты 15, 18, 24 м и более перекрываются стержневыми плоскостными конструкциями – стропильными фермами. На рис. 13.48 показаны типы ферм, различающиеся по форме и, в какой-то степени, по статической работе. Фермы могут быть железобетонными, стальными и деревянными. Примером деревянных стропильных ферм могут служить фермы, запроектированные и построенные инженером А. А. Бетанкуром для перекрытия 24-метрового пролета Центрального выставочного зала в бывшем Манеже на Манежной площади в Москве, которые после восстановления от пожара хорошо виды в интерьере.

Рис. 13.48.

а – основные типы ферм; б – узел опирания на колонну фермы с параллельными поясами при "нулевой" привязке (по внешней грани колонны); в – то же, полигональной при привязке 250 и 500 мм; г – то же, треугольной при "нулевой" привязке; 1 – надопорная стойка; 2 – колонна; 3 – ригель фахверка

Наряду с древнейшими стержневыми стоечно-балочными системами каркасных зданий с середины XX в. внедрены пространственные перекрестные стержневые системы.

Перекрестные стержневые системы образуются из линейных взаимно пересекающихся под углом 90 или 60° элементов (ферм или балок), которые образуют прямоугольную, треугольную или диагональную сетку (рис. 13.49). Совместная пространственная работа пересекающихся линейных элементов существенно повышает жесткость конструкции. По сравнению с обычными покрытиями из отдельных плоскостных элементов конструктивную высоту покрытия можно уменьшить более чем в два раза. Применение перекрестных стержневых систем наиболее целесообразно для перекрытия квадратных, круглых и многоугольных в плане помещений с пропорциями от 1: 1 до 1: 1,25. Для разгрузки основных пролетов целесообразно устройство консольных свесов перекрестного покрытия в 0,20–0,25 величины основного пролета.

Рис. 13.49.

а – ж – схемы перекрестных систем; з – к – положение опор под перекрестной системой; л – перекрестно-стержневое покрытие; м – варианты опирания и типы опор; L – пролет конструкции; L K – вылет консоли; 1 – опоры; 2 – окаймляющий несущий элемент (балка или ферма); 3 – стержень; 4 – коннектор; 5 – опора перекрестно-стержневой системы

Различают перекрестно-ребристые и перекрестно-стержневые системы. Перекрестно-ребристые выполняют из металлических или из железобетонных бачок или из досчатых элементов. Перекрестно-стержневые конструкции выполняют главным образом из металла в виде систем из двух или четырех плоских решетчатых дисков, раскрепленных в двух направлениях наклонными стержнями, которые образуют ряд одинаковых пирамид с вершинами внизу, раскрепленными стержнями нижнего решетчатого диска.

Арка представляет собой плоско-пространственную конструкцию в виде балки криволинейного (циркульного, параболического и др.) очертания (рис. 13.50, а). Эго как бы промежуточный тип конструкции между плоскостными и пространственными. В арках возникают в основном сжимающие и только при определенных условиях изгибающие усилия. Поэтому арками можно перекрывать значительно бо́льшие пролеты, чем балками. Однако в отличие от балок арки передают на опоры не только вертикальные, но и горизонтальные силы – растр. Поэтому опоры должны быть мощными, укреплены контрфорсами. Распор можно погасить также затяжками, стягивающими пяты арки и работающими на растяжение.

Цилиндрический свод (рис. 13.50, 6) – пространственная конструкция, составленная из множества арок, имеющая кривизну в одном направлении. Образующей в цилиндрическом своде является прямая, которая образует криволинейную поверхность по направляющей (по дуге арки). Такая поверхность удобна в строительном деле, так как для ее изготовления можно применять простую опалубку из прямых досок, укладываемых по криволинейным "кружалам".

Пересечение двух цилиндрических сводов с одинаковой стрелой подъема (f ) образует крестовый свод , состоящий из четырех равновеликих частей цилиндрического свода – распалубок и имеющий четыре опоры (рис. 13.50, в).

Рис. 13.50.

а – арка; б – цилиндрический свод; в – крестовый свод; г – сомкнутый свод: д – купол; е – парусный свод; ж – пологая оболочка; з – бочарный свод; и – лотковый свод; к – поверхность в форме гиперболического параболоида; л – покрытие из четырех оболочек в форме гиперболического параболоида; 1 – затяжка; 2 – распалубка; 3 – щека

Сомкнутый свод также образуется из четырех одинаковых частей поверхности цилиндрического свода, называемых лотками или щеками, но опирающихся по всему периметру перекрываемой площади (рис. 13.50, г).

Разнообразные виды сводчатых конструкций применялись в архитектуре Древней Персии. Большого расцвета они достигли в эпоху Древнего Рима и Византии (I в. до н.э. – IV в. н.э.). Возводились эти конструкции из кирпича, тесаного камня и бетона. Дальнейшее развитие они получили в эпоху романики и готики (XI–XV вв.). Стрельчатые готические арки и своды были занесены в Европу во время крестовых походов. Они были характерны для архитектуры Арабского халифата (VII–IX вв.). В современной строительной практике сводчатые конструкции выполняются из железобетона, армоцемента, а арочные – из железобетона, стали и дерева. В строительной механике такие конструктивные элементы называются оболочками .

Если половину арки вращать как образующую вокруг вертикальной оси, то получим купол (рис. 13.50, д). Поверхность купола имеет кривизну в двух направлениях. Оболочки, имеющие кривизну в двух направлениях, называются оболочками двоякой гауссовой кривизны (Карл Фридрих Гаусс – великий математик). Производной купола является парусный свод (парусная оболочка), который в отличие от купола опирается только на четыре опоры и перекрывает пространство, квадратное в плане (рис. 13.50, е).

Пологие оболочки двоякой положительной гауссовой кривизны (рис. 13.50, ж) находят широкое применение в строительстве современных общественных и промышленных зданий. К таким оболочкам относятся также оболочки переноса: бочарный и лотковый своды. Их поверхности образуются путем движения (переноса) кривой по другой кривой, расположенной в плоскости, перпендикулярной к плоскости первой кривой (рис. 13.50, з, и).

Особую группу криволинейных конструкций представляют оболочки двоякой отрицательной гауссовой кривизны в форме гиперболического параболоида , или гипара (рис. 13.50, к). Его поверхность образуется движением параболы ветвями вверх по параболе ветвями вниз, т.е. параболы имеют разные знаки. Лотковый свод также может иметь форму гиперболического параболоида. Гиперболический параболоид относится к числу линейчатых поверхностей и может быть образован путем применения прямолинейных конструктивных элементов. Из части параболоида, выделенной на рис. 13.50, к , можно путем различных комбинаций получить оригинальные виды оболочек (рис. 13.50, л ).

Полной (или гауссовой) кривизной поверхности К называется величина, обратная произведению радиусов кривых направляющей и образующей поверхности, т.е. .

В случае, когда оба радиуса имеют одинаковые знаки, т.е. их центры находятся с одной стороны от поверхности, величина К будет положительной (рис. 13.51, а). Во втором случае (рис. 13.51, б) значение К – отрицательное, так как радиусы имеют разные знаки. Поверхность называется поверхностью отрицательной гауссовой кривизны.

Рис. 13.51. Поверхности положительной (а) и отрицательной (б) кривизны

Оболочки двоякой кривизны являются распорными конструкциями. В большинстве типов сводов-оболочек распор направлен наружу. В гинарах и лотковых сводах он направлен вовнутрь. Это значит, что для восприятия распора в оболочках положительной кривизны и цилиндрических необходимо устраивать затяжки, как в арках. Вместо них можно применять диафрагмы по торцам и внутри длинных цилиндрических оболочек или опирать эти оболочки на мощные опоры, иногда усиливаемые контрфорсами.

Технические возможности применения камня в купольных сооружениях были исчерпаны в 1 тыс. н.э. при перекрытии здания Пантеона в Риме куполом диаметром 43,2 м. Купол опирается на кольцевую стену, толщина которой для погашения распора – 8м (рис. 13.52). Другим непревзойденным купольным сооружением древности является купол храма Св. Софии в Константинополе диаметром 31,5 м. Этот купол опирается через систему из четырех сферических парусов только на четыре опоры (рис. 13.53). В отличие от массивной стены в Пантеоне в храме Св. Софии распор купола передается через арки и полукупола на смежные пролеты (нефы), пространственная жесткость которых и позволяет выдержать горизонтальную составляющую распора.

Рис. 13.52.

а – общий вид: б – разрез

Рис. 13.53.

а – общий вид; б – план; в – аксонометрия несущих конструкций; 1 – арочные устои, воспринимающие распор покрытия в поперечном направлении; 2 – парус; 3 – купол; 4 – полукупола, воспринимающие распор в продольном направлении

В XX в. изменились геометрические параметры куполов и оболочек. Устойчивость каменной конструкции купола требовала, чтобы стрела его подъема составляла около половины его диаметра. Железобетон позволил уменьшить стрелу подъема до 1/5–1/6 диаметра и одновременно достичь такой тонкостенности куполов, которая превосходит тонкостенность биологических структур. Так, отношение толщины к диаметру у оболочки покрытия большого олимпийского дворца спорта в Риме, построенного в 1959 г. выдающимся инженером-архитектором Пьетро Луиджи Нерви, равно 1/1525. У куриного яйца оно составляет 1/100.

Применение железобетона и металла для сводов-оболочек положительной и отрицательной гауссовой кривизны позволяет делать их очень легкими и создавать новые архитектурные формы. На рис. 13.54 показано здание аквапарка в г. Воронеже, покрытое оболочкой в форме гиперболического параболоида. Железобетонная оболочка на прямоугольном плане стоит на двух "ногах" – основных опорах, расположенных в двух противоположных ее углах. Опоры воспринимают нормальные усилия от бортов и передают вертикальную реакцию на грунт, а горизонтальную составляющую – через подкос на затяжку, находящуюся в подвале сооружения. Восприятие несимметричных загружений обеспечивают металлические конструкции витражей. Остекленные стены придают зданию впечатление легкости и оригинальности.

Рис. 13.54.

Комбинированные оболочки начиная с последней трети XX в. получили широкое применение для покрытия большепролетных зданий. Они комбинируются из фрагментов оболочек с одинаковыми или разными знаками кривизны. Такие комбинации позволяют добиться выгодных технических параметров (например, уменьшение стрелы подъема) и получить индивидуальную выразительность архитектурных сооружений с различной формой плана. Наряду с покрытиями залов такие оболочки эффективны для применения в инженерных сооружениях – башнях, резервуарах и т.п.

Особую группу пространственных конструкций представляют складчатые конструкции (складки). Складки состоят из плоских или криволинейных тонкостенных элементов треугольного, трапециевидного или другой формы сечения (рис. 13.55). Они позволяют перекрывать большие пролеты (до 100 м), экономно используют материалы и часто определяют архитектурно-художественную выразительность сооружения. Складки, так же как и цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны, являются распорными конструкциями. Поэтому по торцам во всех волнах складки, или в одной, или нескольких волнах необходимо устраивать диафрагмы жесткости или горизонтальные стержневые связи, работающие на растяжение.

Рис. 13.55.

а, б – призматические пилообразные и трапецеидальные; в – пилообразные из треугольных плоскостей; г – шатер с плоским верхом; д – складка-капитель; е – складка-шатер со спущенными краями; ж – многогранный шатер; з – к – многогранные складчатые своды; л – многогранный складчатый купол; м – сборное складчатое призматическое покрытие; н – сборная складка из плоских элементов

Висячие конструкции известны с середины XIX в. Но широко применяться они стали на 100 лет позже. Основными несущими элементами в них являются гибкие тросы, цепи, кабели (ванты), воспринимающие только растягивающие усилия. Висячие системы (рис. 13.56) могут быть плоскими и пространственными. В плоских конструкциях опорные реакции параллельных рабочих тросов передаются на опорные пилоны, способные воспринять вертикальные опорные реакции и распор, который в этом случае действует в направлении, противоположном распору в выпуклых оболочках. Поэтому для его восприятия в некоторых случаях применяются оттяжки (см. рис. 13.56, а), надежно заделанные в земле с помощью анкеров – специальных элементов, способных выдержать выдергивающие усилия. Иногда отрицательный распор воспринимается самой формой опорных конструкций, как, например, в спортивном зале в Бремене (Германия) (рис. 13.57). Здесь опорные конструкции выполнены в виде трибун, уравновешивающих этот распор.

Рис. 13.56. :

а – плоская: б – пространственная двоякой кривизны: в – пространственная горизонтальная

Рис. 13.57.

К основной конструкции при помощи растянутых тросов подвешивается ограждающая конструкция покрытия. Ограждающая конструкция может быть выполнена также из монолитного железобетона или из сборных железобетонных плит, которые играют также роль пригрузочных элементов, препятствующих обратному выгибу таких покрытий при ветровом "отсосе", т.е. ветровой нагрузке, направленной снизу вверх. Для обеспечения геометрической неизменяемости таких конструкций используют различные способы их стабилизации. В вышеописанных плоских системах часто прибегают к предварительному напряжению путем укладки поверх плит дополнительного пригруза. После удаления пригруза тросы, пытаясь сократиться до первоначальной длины, обжимают замоноличениое железобетонное покрытие, превращая его в висячую вогнутую жесткую оболочку. Водоотвод с кровли в таких конструкциях осуществляется регулированием натяжения вант покрытия (более сильное – в центре здания, более слабое – по торцам).

Пространственная висячая конструкция (рис. 13.58) состоит из опорного контура и из системы тросов, образующих поверхность, по которой может быть уложена ограждающая конструкция. Опорный контур (железобетонный или стальной) воспринимает распор от системы тросов. Вертикальные нагрузки передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или на другие конструкции. Для стабилизации пространственных висячих конструкций часто применяют две системы тросов – рабочих и стабилизирующих (двухпоясная конструкция). Тросы обеих систем располагаются попарно в плоскостях, перпендикулярных поверхности покрытия, и соединяются друг с другом жесткими распорками, создающими предварительное напряжение тросов. В статической работе такой системы ограждающая конструкция покрытия не участвует и может быть устроена по несущим (провисающим) или по стабилизирующим (выпуклым) тросам (рис. 13.59).

Рис. 13.58.

а – покрытие арены в США; б – покрытие певческой эстрады в Таллине; в – вантовая преднапряжная сетка с тросами-подборами; г – сетчатое многомачтовое покрытие выставочного павильона ФРГ на Всемирной выставке 1967 г. в Монреале; д – его план с горизонталями; 1 – несущие ванты; 2 – предварительно напряженные стабилизирующие ванты; 3 – две пересекающиеся наклонные арки – опорный контур; 4 – оттяжки, используемые как каркас ограждения; 5 – передняя наклонная арка; 6 – задняя опорная арка, опертая на стену; 7 – опоры; 8 – трибуны; 9 – фундаменты; 10 – фундамент под стену; 11 – тросы-подборы; 12 – оттяжки; 13 – анкеры; 14 – мачты под верхнее опирание тросов-подборов; 15 – горизонтали покрытия

Рис. 13.59.

а – двухпоясное на круглом плане над аудиторией (США); б – то же, над Дворцом спорта "Юбилейный" в Санкт-Петербурге; 1 – несущие ванты; 2 – стабилизирующие ванты; 3 – распорки; 4 – центральный барабан с фонарем; 5 – опорный контур; 6 – стойки; 7 – трибуны; 8 – оттяжки; 9, 10 – кольцевые связи жесткости; 11 – подвешенная платформа для оборудования

Мембранные оболочки наиболее эффективны среди висячих конструкций, так как они совмещают несущие и ограждающие функции. Они состоят из тонких металлических листов, закрепленных на контуре. Используя в качестве материала сталь толщиной всего 2–5 мм, ими можно перекрывать пролеты свыше 300 м. Мембрана работает в основном на растяжение в двух направлениях. Таким образом, опасность потери устойчивости исключается. Усилия с пролетной конструкции воспринимаются замкнутым опорным контуром, работающим совместно с мембраной, которая в большинстве случаев обеспечивает его устойчивость. Максимальный пролет (224 χ 183 м) перекрыт металлическим мембранным покрытием над Дворцом спорта "Олимпийский" в Москве. На рис. 13.60 показаны общий вид и процесс монтажа мембранной оболочки над конькобежным центром в г. Коломне.

Рис. 13.60.

а – архитектурный макет комплекса; б – подача рулонированных полотнищ мембраны, их раскатка по временным элементам постели

Тентовые покрытия используются как временные сооружения больших пролетов – цирки шапито, склады, спортивные и выставочные павильоны. В зависимости от вида мягкого материала такие сооружения могут применяться и для ответственных сооружений. Примером могут служить олимпийские сооружения в Мюнхене (Германия), которые были построены к Олимпиаде 1972 г., но прекрасно эксплуатируются уже в течение 40 лет. Материалом покрытия служит специальное светопрозрачное гибкое органическое стекло – плексиглас-215. Это предварительно напряженный материал, по внешнему виду ничем не отличающийся от обычного органического стекла.

Пневматические конструкции начиная со второй половины XX в. широко применяются для временных сооружений, требующих быстрого монтажа и демонтажа (временные склады, выставочные павильоны). В последние годы такие конструкции стали применяться для массового строительства спортивных залов. Применяются такие конструкции и для опалубки при возведении монолитных железобетонных оболочек. Конструкции выполняются из воздухонепроницаемой прорезиненной ткани, синтетических пленок или других мягких воздухонепроницаемых материалов. Конструкция занимает проектное положение благодаря избыточному давлению заполняющего ее воздуха. Различают воздухоопорные и пневмокаркасные конструкции (рис. 13.61).

Рис. 13.61.

а, б – воздухоопорные; в – пневматическая линза; г – фрагмент стеганой конструкции; д, е – каркасные пневматические сводчатые покрытия; ж – пневматический арочный купол; 1 – воздухонепроницаемая оболочка; 2 – окно-иллюминатор из органического стекла; 3 – анкеры-штопоры для крепления к грунту; 4 – шлюз; 5 – тяж-"простежка"; 6 – стальной опорный пояс линзы; 7 – растяжка для придания продольной устойчивости и поддержки тента покрытия

Проектное положение воздухоопорной конструкции обеспечивается очень незначительным избыточным давлением (0,002–0,01 атм), которое не ощущается людьми, находящимися в помещении. Для сохранения избыточного давления входы в помещения осуществляются через специальные шлюзы с герметическими дверьми. В систему инженерного оборудования включены вентиляторы, при необходимости подкачивающие воздух внутрь помещения. Характерные пролеты – 18–24 м. Но существуют проекты в Канаде по перекрытию целых городов в Арктике воздухоопорными оболочками пролетом до 5 км и более. Пневматические каркасы (воздухонесущие системы) выполняют из длинных узких баллонов, в которых создают избыточное давление (0,3–1,0 атм). Конструктивная форма такого каркаса – арочная. Арки устанавливаются вплотную друг к другу, образуя сплошной свод, либо на расстоянии. Шаг арок – 3–4 м, пролет – 12–18 м.

По функциональному назначению большепролётные здания можно разделить на:

1) здания общественного назначения (театры, выставочные павильоны, кинотеатры, концертные и спортивные залы, крытые стадионы, рынки, вокзалы);

2) здания специального назначения (ангары, гаражи);

3) промышленные здания (авиационных, судостроительных и машиностроительных заводов, лабораторные корпуса различных производств).

Несущие конструкции по конструктивной схеме подразделяются на:

Блочные,

Арочные,

Структурные,

Купольные,

Висячие,

Сетчатые оболочки.

Выбор той или иной схемы несущих конструкций здания зависит от целого ряда факторов: пролёта здания, архитектурно-планировочного решения и формы здания, наличия и типа подвесного транспорта, требований к жёсткости покрытия, типа кровли, аэрации и освещения, основания под фундаменты и т.д.

Сооружения с большими пролётами являются объектами индивидуального строительства, их архитектурные и конструктивные решения весьма индивидуальны, что ограничивает возможности типизации и унификации их конструкций.

Конструкции таких зданий работают в основном на нагрузки от собственного веса конструкций и атмосферных воздействий.

1.1 Балочные конструкции

Балочные большепролётные конструкции покрытий состоят из главных несущих поперечных конструкций в виде плоских или пространственных ферм (пролёт ферм от 40 до 100 м) и промежуточных конструкций в виде связей, прогонов и кровельного настила.

По очертанию фермы бывают : с параллельными поясами, трапециевидные, полигональные, треугольные, сегментные (см. схемы на рис. 1).

Высота ферм hф=1/8 ÷ 1/14L; уклон i=1/ 2 ÷ 1/15.

Треугольные фермы hф= 1/12 ÷ 1/20L; уклон поясов i=1/5 ÷ 1/7.

Рис.1 - Схемы строительных ферм

Поперечные сечения ферм:

При L > 36м одну из опор балочной фермы устанавливают подвижной.

Компоновка покрытия - вертикальные и горизонтальные связи по покрытию решаются аналогично промышленным зданиям со стропильными фермами.

А) нормальная компоновка

стена

б) усложнённая компоновка - с подстропильными фермами:

ПФ

Балочные схемы покрытий применяются:

При любых видах подопорных конструкций - кирпичные или бетонные стены, колонны (металлические или железобетонные);

Когда подопорные конструкции не могут воспринимать распорных усилий;

При строительстве зданий на просадочных или карстовых грунтах и подрабатываемых территориях.

Следует отметить, что балочные схемы покрытий тяжелее рамных и арочных, но просты в изготовлении и монтаже.

Расчёт ферм выполняют методами строительной механики (аналогично расчёту стропильных ферм промышленных зданий).

1.2 Рамные конструкции

Рамные конструкции для покрытий зданий применяют при пролёте

L=40 - 150м, при пролёте L > 150м они становятся неэкономичными.

Преимущества рамных конструкций по сравнению с балочными - это меньший вес, большая жёсткость и меньшая высота ригелей.

Недостатки - большая ширина колонн, чувствительность к неравномерным осадкам опор и изменениям T о.

Рамные конструкции эффективны при погонных жесткостях колонн, близких к погонным жесткостям ригелей, что позволяет перераспределить усилия от вертикальных нагрузок и значительно облегчить ригели.

При перекрытии больших пролётов применяют, как правило, двухшарнирные и бесшарнирные рамы самых разнообразных очертаний (см. рис.2).

Рис. 2 - Схемы сквозных рам

Бесшарнирные рамы более жёсткие и экономичные по расходу материала, однако, они требуют устройства мощных фундаментов, чувствительны к изменению Т о.

При больших пролётах и нагрузках ригели рам конструируют как тяжёлые фермы, при сравнительно малых пролётах (40-50м) они имеют такие же сечения и узлы, как лёгкие фермы.

Поперечные сечения рам аналогичны балочным фермам.

Компоновка каркаса и покрытия из рамных конструкций аналогична решению каркасов промышленных зданий и балочных покрытий.

Статический расчёт рамных конструкций выполняют методами строительной механики и по специально разработанным программам на ЭВМ.

Тяжелые сквозные рамы рассчитывают как решёточные системы с учётом деформации всех стержней решётки.

1.3 Арочные конструкции

Арочные конструкции покрытий большепролётных зданий оказываются более выгодными по затрате материала, чем балочные и рамные системы. Однако в них возникает значительный распор, который передаётся через фундаменты на грунт или устраивается затяжка для его восприятия (т.е. погашение распора внутри системы).

Схемы и очертания арок весьма разнообразны: двухшарнирные, трёхшарнирные, бесшарнирные (см. рис. 3).

Наиболее выгодная высота арок: f=1/4 ÷ 1/6 пролёта L.

Высота сечения арок:

Сплошностенчатых 1/50 ÷ 1/80 L,

Решёточных 1/30 ÷ 1/60 L.

Рис.4 - Схемы опорных шарниров арок и рам (а - плиточный,

б - пятниковый, в - балансирный:

1 - плита, 2 - цапфа, 3 -балансир).

Рис. 5 - Ключевые шарниры и арок

(а -плиточный; б -балансирный; в -листовой; г -болтовой)

После определения M, N, Q сечения стержней арки подбирают также, как сечения стерней ферм:

1.4 Пространственные конструкции покрытий большепролётных зданий

В балочных, рамных и арочных системах покрытий, состоящих из отдельных несущих элементов, нагрузка передаётся только в одном направлении - вдоль несущего элемента. В этих системах покрытий несущие элементы соединены между собой лёгкими связями, которые не предназначены для перераспределения нагрузок между несущими элементами, а только обеспечивают их пространственную устойчивость, т.е. с их помощью обеспечивается жёсткий диск покрытия.

В пространственных системах связи усиливают и привлекают к распределению нагрузок и передаче их на опоры. Приложенная к пространственной конструкции нагрузка передаётся в двух направлениях. Такая конструкция получается обычно легче плоской.

Пространственные конструкции могут быть плоскими (плиты) и криволинейными (оболочки).

Плоские пространственные системы (исключая висячие) для обеспечения необходимой жёсткости должны быть двухпоясными - по поверхности образующие сетчатую систему. Двухпоясные конструкции имеют две параллельные сетчатые поверхности, соединённые между собой жёсткими связями.

Однослойные конструкции, имеющие криволинейную систему поверхности, называются односетчатыми.

В таких конструкциях принцип концентрации материала заменён принципом многосвязности системы. Изготовление и монтаж таких конструкций очень трудоёмок, требует специальных приёмов изготовления и монтажа, что является одной из причин их ограниченного применения.

1.5 Пространственные сетчатые системы плоских покрытий

В строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, так называемые структурные конструкции или просто структуры , которые применяются в виде плоских покрытий большепролётных общественных и производственных зданий.

Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрёстных ферм (см. рис.6):

1) Структуры, образованные из перекрёстных ферм, идущих в трёх направлениях. Поэтому они являются наиболее жёсткими, однако более сложными в изготовлении. Это структуры с поясными сетками из разносторонних треугольников.

2) Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях. Это структуры с поясными сетками из квадратных ячеек.

3) Структуры, образованные из ферм, также идущих в двух направлениях, но усиленных диагоналями в угловых зонах. Поэтому они более жёсткие.

Достоинства структур:

Большая пространственная жёсткость: можно перекрывать большие пролёты при различных опорных контурах или сетках колонн; получать выразительные архитектурные решения при высоте структуры.

Hструктур=1/12 - 1/20 L

Повторяемость стержней - из стандартных и однотипных стержней можно монтировать покрытия разных пролётов и конфигураций в плане (прямоугольные, квадратные, треугольные и криволинейные).

Позволяет крепить подвесной транспорт и изменять при необходимости направление его движения.

Системы покрытий из структур могут быть как одно-, так и многопролётными с опиранием как на стены, так и на колонны.

Устройством консольных свесов за линией опор уменьшают расчётный пролётный изгибающий момент и существенно облегчают конструкцию покрытия.

Рис. 6 - Схемы решёток структурных покрытий (а - с поясными сетками из равносторонних треугольных ячеек; б - с поясными сетками из квадратных ячеек; в - то же, усиленных диагоналями в условных зонах: 1 - верхние пояса,

2 - нижние пояса, 3 - наклонные раскосы, 4 - верхние диагонали, 5 -нижние диагонали, 6 - опорный контур).

Недостатки структур - повышенная трудоёмкость изготовления и монтажа. Пространственные узлы сопряжений стержней (см. рис. 7) - самые сложные элементы в структурах:

Шаровая вставка (а);

На винтах (б);

Цилиндрический сердечник с прорезями, стянутый одним болтом с шайбами (в, г);

Сварной узел сплюснутых концов стержней (д).

Рис. 7 - Узлы сопряжений стержней структур

Структурные конструкции представляют собой многократно статически неопределённые системы. Точный расчёт их сложен и выполняется на ЭВМ.

При упрощённом подходе структуры рассчитывают способами строительной механики - как изотропные плиты или как системы перекрёстных ферм без учёта крутящих моментов.

Величины моментов и поперечных сил определяют по таблицам для расчёта плит: Mплиты; Qплиты - далее переходят к расчёту стержней.

1.6 Оболочные покрытия

Для покрытий зданий применяют односетчатые, двухсетчатые цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны.

Цилиндрические оболочки (см. рис. 8) выполняют в виде сводов с опиранием:

а) прямолинейным образующим контура

б) на торцовые диафрагмы

в) на торцовые диафрагмы с промежуточными опорами

Рис.8 - Схемы опирания цилиндрических оболочек (1 - оболочка;

2 - торцовая диафрагма; 3 - связи; 4 - колонны).

Односетчатые оболочки применяют при пролётах В не более 30м.

Двухсетчатые - при больших пролётах В>30м.

По цилиндрической поверхности расположены стержни, образующие сетки различной системы (см. рис. 9):

Ромбическая сетка (а);

Ромбическая сетка с продольными рёбрами (б);

Ромбическая сетка с поперечными рёбрами (в);

Ромбическая сетка с поперечными и продольными рёбрами (г).

Наиболее простая сетка ромбического рисунка, которую получают из лёгких стандартных стержней (∟, ○, □) прокатных профилей. Однако такая схема не обеспечивает необходимой жёсткости в продольном направлении при передаче нагрузки на продольные стены.

Рис. 9 - Система сеток односетчатых оболочек

Жёсткость конструкции значительно увеличивается при наличии продольных стержней (схема "б") - конструкция может работать как оболочка пролётом L. В этом случае опорой могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовыми диафрагмами.

Наиболее жёсткими и выгодными являются сетки (схема "в"), у которых есть и продольные и поперечные рёбра (стержни), а решётка сетки направлена под углом 45 .

Расчёт оболочек выполняют методами теории упругости и методами теории оболочек. Оболочки без поперечных рёбер рассчитывают как безмоментные складки (способ Эллерса). При наличии поперечных рёбер , обеспечивающих жёсткость контура, - по моментной теории Власова (она сводится к решению восьмичленных уравнений).

При расчёте сквозных сетчатых оболочек, сквозные грани конструкций заменяются сплошными пластинами эквивалентной толщины при работе на сдвиг, осевое растяжение и сжатие.

Более точный расчёт сетчатых оболочек выполняют на ЭВМ по специально разработанным программам.

Двухсетчатые оболочки применяют при перекрытии пролётов шириной более B>30м.

Конструктивные схемы их аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит - структур. Как и в структурах, они образуются системами перекрёстных ферм, связанных по верхним и нижним поясам специальными связями - решёткой. Но при этом в оболочках основная роль в восприятии усилий принадлежит криволинейным сетчатым плоскостям, соединяющая их решётка меньше участвует в передаче усилий, но придаёт конструкции большую жёсткость.

По сравнению с односетчатыми двухсетчатые оболочки обладают большей жёсткостью и несущей способностью. Ими можно перекрывать пролёты зданий от 30 до 700м.

Проектируют их в виде цилиндрической поверхности, опирающиеся на продольные стены или на металлические колонны. По торцам оболочки опираются на жёсткие диафрагмы (стены, фермы, арки с затяжкой и т.д.).

Наилучшее распределение усилий в оболочке при B=L.

Расстояние между сетчатыми поверхностями h=1/20÷1/100R при f/B=1/6÷1/10.

Как и в структурах, наиболее сложным является узел сопряжения стержней.

Расчёт двухсетчатых оболочек производят на ЭВМ по специально составленным программам.

Для приближённого расчёта оболочки необходимо стержневую систему привести к эквивалентной сплошной оболочке и установить модуль сдвига среднего слоя, эквивалентного по жёсткости соединительной решётке.

1.7 Купольные покрытия

Конструкции куполов бывают четырёх видов (см. рис.6): ребристые (а), ребристо-кольцевые (б), сетчатые (в), радиально-балочные (г).

Рис. 10 - Схемы куполов

Ребристые купола

Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных рёбер в виде балок, ферм или полуарок, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами.

Верхние пояса рёбер образуют поверхность купола (обычно сферическую). По прогонам устраивают кровлю.

В вершине для перестыковки рёбер устраивают жёсткое кольцо, работающее на сжатие. Рёбра к центральному кольцу могут крепиться шарнирно или иметь жёсткое закрепление. Пара рёбер купола, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных центральным кольцом, рассматривается как единая, например арочная, конструкция (двухшарнирная, трёхшарнирная или бесшарнирная).

Ребристые купола являются распорными системами. Распор воспринимается стенами или специальным распорным кольцом в форме окружности или многогранника с жёсткими или шарнирными сопряжениями в углах.

Между рёбрами с определённым шагом укладывают кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Погоны, помимо своего основного назначения, обеспечивают общую устойчивость верхнего пояса ребер из плоскости, уменьшая их расчётную длину.

Для обеспечения общей жёсткости купола в плоскости прогонов устраиваются с определённым шагом скатные связи между рёбрами, а также вертикальные связи для развязки внутреннего пояса арки - между вертикальными связями устраивают распорки.

Расчётные нагрузки - собственный вес конструкции, вес оборудования и атмосферные воздействия.

Расчётными элементами купольного покрытия являются: рёбра, опорное и центральное кольцо, прогоны, скатные и вертикальные связи.

Если распор купола воспринимают распорным кольцом, то при расчёте арки кольцо может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары полуарок (образующих плоскую арку).

При расчёте опорного кольца - при частом расположении арок (рёбер) купола действия их распоров можно заменить эквивалентной равномерно распределённой нагрузкой:

Ребристо-кольцевые купола

В них погоны с рёбрами составляют одну жёсткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб от нагрузки на покрытие, но и от реакций промежуточных рёбер и воспринимают растягивающие или сжимающие кольцевые усилия, возникающие от распоров в месте опирания многопролётных полуарок.

Вес рёбер (арок) в таком куполе уменьшается благодаря включению в работу кольцевых прогонов, как промежуточных опорных колец. Кольцевые рёбра в таком куполе работают так же, как и опорное кольцо в ребристом куполе, и при расчёте арок могут быть заменены условными затяжками.

При симметричной нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых рёбер (прогонов).

Сетчатые купола

Если в ребристом или ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением стержней в узлах.

В сетчатых куполах между рёбрами (арками) и кольцами (кольцевыми прогонами) располагают раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола. Стержни в этом случае работают в основном только на осевые силы, что уменьшает вес рёбер (арок) и колец.

Стержни сетчатых куполов выполняют из замкнутых профилей (круглого, квадратного или прямоугольного сечения). Узлы соединений стержней как и в структурах или сетчатых оболочках.

Расчёт сетчатых куполов производят на ЭВМ по специально разработанным программам.

Приблизительно их рассчитывают по безмоментной теории оболочек - как сплошную осесимметричную оболочку по формулам из соответствующих расчётно-теоретических справочников.

Радиально-балочные купола

Представляют собой ребристые купола, составленные из сегментных полу-ферм, расположенных радиально. В центре сегментные полуфермы присоединяются к жёсткому кольцу (решётчатому или сплошностенчатому с диафрагмами жёсткости).

1.8 Висячие покрытия

Висячими называются покрытия, в которых основные несущие элементы работают на растяжение.

В этих элементах наиболее полно используются высокопрочные стали, поскольку их несущая способность определяется прочностью, а не устойчивостью.

Несущие растянутые стержни - ванты - могут выполняться гибкими или жёсткими.

Жёсткие - выполняют из выгнутых двутавровых балок.

Гибкие - выполняют из стальных канатов (тросов) свитых из высокопрочной проволоки с R= 120 кН/см2 ÷ 240 кН/см2.

Висячие конструкции покрытий являются одной из наиболее перспективных конструктивных форм для применения высокопрочных материалов. Конструктивные элементы висячих покрытий легко транспортировать, относительно легко монтировать. Однако сооружение висячих покрытий имеет ряд трудностей, от удачного инженерного решения которых зависит эффективность покрытия в целом:

Первый недостаток - висячие покрытия - системы распорные и для восприятия распора необходима опорная конструкция, стоимость которой может составлять значительную часть стоимости всего покрытия. Уменьшения стоимости опорных конструкций можно достичь за счёт повышения эффективности их работы - созданием покрытий круглой, овальной и других не прямолинейных форм плана;

второй недостаток - повышенная деформативность висячих систем. Это вызвано тем, что модуль упругости витых тросов меньше чем у прокатной стали (Етроса=1,5 ÷ 1,8×10 5 МПа; Е прокатных стержней = 2,06×10 5 Мпа), а область упругой работы высокопрочной стали значительно больше, чем у обычной стали. Таким образом, относительная деформация троса в упругой стадии работы ε=G/Е получается в несколько раз больше чем у элементов из обычной стали.

Большинство висячих систем покрытия являются системами мгновенной жёсткости, т.е. системами, которые работают упруго лишь на равновесные нагрузки, а при действии неравномерных нагрузок в них, помимо упругих деформаций, появляются ещё и кинематические перемещения системы, ведущие к изменению целостности геометрической системы покрытия.

Для уменьшения кинематических перемещений висячие системы покрытий часто снабжают специальными стабилизирующими устройствами и предварительно напрягают.

Типы схем висячих покрытий

1. Однопоясные системы с гибкими вантами

Такие системы покрытий в плане проектируют прямоугольными или изогнутыми, например, круглыми (см. рис.11).

Они представляют собой предварительно напряжённые железобетонные оболочки, работающие на растяжение. Напряжённой арматурой в них является система из гибких вант, на которые во время монтажа укладывают сборные железобетонные плиты. В это время на ванты даётся дополнительный пригруз, который после укладки всех железобетонных плит и замоноличивания швов снимают. Ванты обжимают железобетонные плиты и образовавшаяся железобетонная оболочка получает предварительное напряжение сжатия, позволяющее ей воспринимать растягивающее напряжение от внешних нагрузок и обеспечивает общую устойчивость конструкции. Несущая способность покрытия обеспечивается растяжением вант.

В покрытиях прямоугольного плана распор вант воспринимает опорная конструкция из оттяжек и анкеров, закреплённых в грунте.

Рис. 11 - Однопоясные покрытия с гибкими вантами

(а - прямоугольные в плане; б - круглые в плане)

В покрытиях круглого (овального) плана распор передаётся на наружное сжатое кольцо, лежащее на колоннах и внутреннее (растянутое) металлическое кольцо.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет f=1/10÷1/20 L. Такие оболочки являются пологими.

Сечение вант покрытия определяют по монтажной нагрузке. В этом случае ванты работают как отдельные нити, и распор в них можно определять без учёта их деформаций H=M/f , где M - балочный момент от расчётной нагрузки, f - стрела провисания нити.

где V - балочная реакция.

2. Однопоясные системы с жёсткими вантами

Рис. 12 - 1 - продольные изгибно-жёсткие рёбра; 2 - поперечные рёбра;

3 - мембрана алюминиевая, t = 1,5 мм

В таких покрытиях гнутые жёсткие ванты, прикреплённые к опорному поясу, работают под действием нагрузки на растяжение с изгибом. Причём при действии равномерной нагрузки доля изгиба в напряжениях невелика. При действии неравномерной нагрузки жёсткие ванты начинают сильно сопротивляться местному изгибу, чем значительно уменьшают деформативность всего покрытия.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет 1/20 ÷ 1/30 L. Однако, использование жёстких нитей возможно лишь при небольших пролётах, т.к. с увеличением пролёта значительно усложняется монтаж и увеличивается их масса. По таким жёстким вантам можно укладывать лёгкую кровлю, отсутствует необходимость в предварительном напряжении (его роль выполняет изгибная жёсткость ванты).

При равномерной нагрузке распор в ванте определяют по формуле

H = 8/3 ×[(EA)/(l 2 mо)] × (f+fо) × ∆f +Hо;

где ∆f=f–fо,

f - прогиб под нагрузкой,

fо – начальный провес;

m1=1+(16/3)/(fо/l) 2

Изгибный момент в середине ванты находят по формуле

M= q I 2 /8–Hf .

3. Однопоясные висячие покрытия, напрягаемые с помощью поперечных балок или ферм

Рис. 13

Стабилизация таких канатно-балочных систем достигается либо увеличенной массой поперечных и жёстких на изгиб элементов, либо предварительным напряжением оттяжек, которые соединяют поперечные балки или фермы с фундаментами или опорами. Таким способом напрягаются покрытия с лёгким кровельным настилом.

Благодаря изгибной жёсткости поперечных балок или ферм покрытие приобретает пространственную жёсткость, которая особенно проявляется при загружении пролётной конструкции местной нагрузкой.

4. Двухпоясные системы

Рис. 14

В покрытиях такого типа имеется две системы вант :

- Несущие - имеющие изгиб вниз;

- Стабилизирующие - имеющие изгиб вверх.

Это делает такую систему мгновенно жёсткой - способной воспринимать нагрузки, действующие в двух различных направлениях. Вертикальная нагрузка вызывает у несущей нити растяжение , а у стабилизирующей - сжатие . Отсос ветра вызывает в вантах усилия обратного знака.

В покрытиях данного типа можно применять лёгкие кровли.

5. Седловидные напряжённые сетки

Рис. 15

Покрытия такого типа применяются для капитальных зданий и временных сооружений.

Сетка покрытия: несущие (продольные) тросы изогнуты вниз, стабилизирующие (поперечные) тросы изогнуты вверх.

Такая форма покрытия позволяет предварительно напрягать сетку. Поверхность покрытия лёгкая из различных материалов: от стального листа до плёнки и тента.

Шаг сеток приблизительно один метр. Точный расчёт сеток таких покрытий возможен только на ЭВМ.

6. Металлические оболочки-мембраны

Рис. 16

По форме в плане это эллипс или круг, а форма оболочек довольно разнообразная: цилиндрическая, коническая, чашеобразная, седловидная и шатровая. Большинство из них работает по пространственной схеме, делает её весьма выгодной и позволяет применять листы толщиной 2 - 5мм.

Расчёт таких систем производят на ЭВМ.

Главное преимущество таких систем покрытий - это совмещение несущих и ограждающих функций.

Утеплитель и гидроизоляцию укладывают на несущую оболочку, не применяя кровельных плит.

Полотнища оболочки выпускают на заводе-изготовителе и доставляют на монтаж в виде рулонов, из которых на площадке строительства собирают всю оболочку без применения лесов.

Раздел 2. Листовые конструкции

Листовыми называют конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения, транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов.

К этим конструкциям относятся:

Резервуары для хранения нефтепродуктов, воды и других жидкостей.

Газгольдеры для хранения и распределения газов.

Бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов.

Трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельчённых или разжиженных твёрдых веществ.

Специальные конструкции металлургической, химической и др. отраслей промышленности:

Кожухи доменных печей

Воздухонагреватели

Пылеуловители - скрубера, корпуса электрофильтров и рукавных фильтров

Дымовые трубы

Сплошностенчатые башни

Градирни и т.д.

Такие листовые конструкции занимают 30% от всех металлических конструкций.

Условия работы листовых конструкций достаточно разнообразны:

Они могут быть надземными, наземными, полузаглублёнными, подземными, подводными;

Могут воспринимать статические и динамические нагрузки;

Работать под низким, средним и высоким давлением;

Под воздействием низких и высоких температур, нейтральных и агрессивных сред.

Для них характерно двухосновное напряжённое состояние, а в местах сопряжения с днищем и рёбрами жёсткости, в местах сопряжения оболочек различной кривизны (т.е. на границе изменения радиуса кривизны) возникают местные высокие напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков это - так называемое явление краевого эффекта.

Листовые конструкции всегда совмещают несущую и ограждающую функции.

Сварные соединения элементов листовых конструкций выполняют встык, внахлёстку и впритык. Соединения выполняют автоматической и полуавтоматической дуговой сваркой.

Большинство листовых конструкций являются тонкостенными оболочками вращения.

Рассчитывают оболочки методами теории упругости и теории оболочек.

Листовые конструкции рассчитывают на прочность, устойчивость и выносливость.

1.1 Резервуары

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы они делятся на цилиндрические (вертикальные и горизонтальные), сферические и каплевидные.

По расположению относительно планировочного уровня земли различают: надземные (на опорах), наземные, полузаглублённые, подземные и подводные.

Они могут быть постоянного и переменного объёмов.

Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.

Наибольшее распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары как самые простые при изготовлении и монтаже.

Вертикальные резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления, в которых хранят нефтепродукты при малой их оборачиваемости (10 - 12 раз в год). В них образуется избыточное давление в паро-воздушной зоне до 2кПа, а при опорожнении вакуум (до 0,25кПа).

Вертикальные резервуары с плавающей крышей и понтоном применяют при хранении нефтепродуктов при большой оборачиваемости. В них практически отсутствует избыточное давление и вакуум.

Резервуары повышенного давления (до 30кПа) используют для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10 - 12 раз в год.

Шаровидные резервуары - для хранения больших объёмов сжиженных газов.

Каплевидные резервуары - для хранения бензина с высокой упругостью паров.

Вертикальные резервуары

Рис. 17

Основные элементы:

Стенка (корпус);

Крыша (покрытия).

Все элементы конструкций изготавливают из листовой стали. Они просты в изготовлении и монтаже, достаточно экономичны по расходу стали.

Установлены оптимальные размеры вертикального цилиндрического резервуара постоянного объёма, при которых расход металла будет наименьшим. Так, резервуар со стенкой постоянной толщины имеет минимальную массу, если

[(mдн + mпок) / mст] = 2, а значение оптимальной высоты резервуара определяется по формуле

где V - объём резервуара,

∆= t дн.+t прив. покр. - сумма приведённой толщины днища и покрытия,

tст. - толщина стенки корпуса.

В резервуарах больших объёмов толщина стенки переменна по высоте. Масса такого резервуара получится минимальной, если суммарная масса днища и покрытия равна массе стенки, т.е. mдн.+mпокр.= mст.

В этом случае

где ∆= tдн. + tприв. покр.,

n - коэффициент перегрузки,

γ ж. - удельный вес жидкости.

Днище резервуара

Так как днище резервуара опирается по всей своей площади на песчаное основание, то от давления жидкости оно испытывает незначительные напряжения. Поэтому толщину листа днища не рассчитывают, а принимают конструктивно с учётом удобств монтажа и сопротивляемости коррозии.

При V≤1000м и Д<15м → tдн = 4мм; при V>1000м и Д=18-25м → tдн = 5мм; при Д > 25м → tдн = 6мм. Рис. 18

Листы полотнищ днища соединяют между собой по продольным кромкам внахлёстку с перекрытием 30 - 60мм при tдн. = 4 - 5мм, а при tдн.= 6мм - выполняются встык. Крайние листы - "окрайки" - принимают на 1-2мм толще листов средней части днища. Из завода-изготовителя всё поставляется в рулонах (Q ≤ 60т).

Конструирование стенок:

Рис. 19

Стенка резервуара состоит из ряда поясов высотой, равной ширине листа. Соединяют пояса между собой встык или внахлёстку в телескопическом или ступенчатом порядке. Сопряжение встык выполняют в основном на заводе изготовителе (реже на монтаже), внахлёстку - как на заводе, так и на монтаже.

Распространён метод строительства резервуаров методом рулонирования.

Расчёт на прочность - стенка корпуса является несущим элементом и рассчитывается по методу предельных состояний в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81

Конструктивные решения металлических покрытий большепролетных зданий могут быть балочными, арочными, пространственными, висячими Байтовыми, мембранными и др. Учитывая, что в таких конструкциях основной нагрузкой является собственный вес, следует стремиться к его уменьшению, что достигается применением сталей повышенной прочности и алюминиевых сплавов.

Балочные системы (как правило, фермы) включаются в состав поперечных рам, что улучшает статическую схему работы. При пролетах более 60-80 м целесообразно использовать арочные покрытия (рис. 1). Такие покрытия при больших пролетах целесообразно проектировать предварительно-напряженными. В арочном покрытии, представленном на рис. 2, верхний пояс предусмотрен жестким, а нижний пояс и решетка арки выполнены из тросов. После монтажа арки осуществляют принудительное смещение опорных узлов наружу, что вызывает предварительное растяжение в нижнем поясе и раскосах арки.

Рисунок 1. 1 - арка; 2 - затяжка; 3 - неподвижная шарнирная опора; 4 - подвижная шарнирная опора

Рисунок 2. 1 - трос; 2 - жесткий пояс

Пространственные решетчатые конструкции покрытий могут быть плоскими двухслойными (двухсетчатыми) и криволинейными однослойными (односетчатыми) или двухслойными. В двухсетчатых конструкциях две параллельные сетчатые поверхности соединяются между собой решетчатыми связями.

Сетчатые системы регулярного строения называются структурными и применяются, как правило, в виде плоских покрытий. Они представляют собой различные системы перекрестных ферм (рис. 3). Структурные плоские перекрытия благодаря большой пространственной жесткости имеют небольшую высоту (1/16-1/20 пролета), ими можно перекрывать большие пролеты. Устройством консольных свесов за линией опор достигается уменьшение изгибающих моментов и веса покрытия.

Рисунок 3. 1,2 - верхняя и нижняя поясные сетки; 3 - раскосы; 4 - тетраэдр; 5 - октаэдр; 6 - опорная капитель

Криволинейные пространственные покрытия имеют, как правило, цилиндрическую или купольную поверхность.

Цилиндрические покрытия могут быть односетчатыми или двухсетчатыми (криволинейные структуры). Они в поперечном направлении работают как свод, распор которого воспринимается стенами или затяжками.

Купольные покрытия могут иметь ребристую (или ребристо-кольцевую) конструктивную схему (рис. 4а) или сетчатую (рис. 4б). В ребристых куполах радиально расположенные ребра соединены между собой кольцевыми прогонами. Если последние составляют с ребрами единую жесткую пространственную систему, то тогда кольцевые прогоны работают не только на местный изгиб, но в составе купольной системы воспринимают также кольцевые сжимающие или растягивающие усилия. В сетчатых куполах в состав конструкции кроме ребер и кольцевых элементов входят раскосы, что создает условия, при которых стержни работают только на осевые усилия.

Рисунок 4. а - ребристое; б - сетчатое

Висячие покрытия состоят из опорного контура и основных несущих элементов в виде вант или тонких стальных листов, работающих на растяжение. Поскольку основные элементы покрытия работают на растяжение, их несущая способность определяется прочностью (а не устойчивостью), что позволяет эффективно использовать высокопрочные канаты или листовую сталь. Такие покрытия весьма экономичны, однако повышенная деформативность ограничивает их применение для покрытий производственных зданий. Кроме того, учитывая большую распорность таких систем, форму в плане целесообразно принимать круглой, овальной или многоугольной, что облегчает восприятие распора. В связи с этим они применяются, в основном, для покрытий спортивных зданий, крытых рынков, выставочных павильонов, складов, гаражей и других зданий больших пролетов.

В состав вантовых висячих покрытий входят гибкие ванты (стальные канаты или арматурные стержни), располагаемые в радиальном направлении (рис. 5а), в ортогональных направлениях (рис. 5б) или параллельно друг другу в одном направлении (рис. 6). Криволинейные замкнутые опорные контуры работают преимущественно на сжатие, а центральное кольцо - на растяжение. В этих случаях на поддерживающие покрытие конструкции (стены, колонны, рамы) передаются только вертикальные силы. В отличие от этого при незамкнутых контурах распор передается на несущие конструкции здания, что требует устройства анкерных фундаментов, работающих на выдергивание, или стен с контрфорсами и т. п. На систему вант укладываются плиты из легкого железобетона или металлические с полимерным утеплителем, трехслойные и др.

Рисунок 5. а - радиальное расположение вант; б - ортогональное; 1 - ванты; 2 - опорный контур; 3 - центральное кольцо

Рисунок 6. 1,2 - ванты соответственно в середине и в торце; 3 - опорный контур; 4 - железобетонные плиты; 5 - анкерный фундамент

Системы висячих вантовых покрытий отличаются большим разнообразием. Нередко применяют шатровую вантовую систему, при которой центральное кольцо покоится на колонне и поднимается на более высокую отметку, чем опорное контурное.

Примером такой системы может служить покрытие автобусного парка в Киеве диаметром 161м. Описанные выше системы являются однопоясными. Кроме них применяются также двухпоясные системы (особенно при больших ветровых нагрузках), в которых стабилизация покрытия осуществляется с помощью контура обратной кривизны. В таких системах несущие ванты имеют выгиб вниз, а стабилизирующие - вверх. Стабилизирующие ванты с установленным на них настилом могут быть расположены над несущими, что вызывает сжатие распорок (рис. 7а). При расположении стабилизирующих тросов под несущими вантами связи между ними будут растянутыми (рис. 7б). Возможен и третий вариант, при котором несущие и стабилизирующие тросы пересекаются, а стойки сжаты в средней части покрытия и растянуты - в крайних (рис. 7б).

Рисунок 7. 1 - стабилизирующие ванты; 2 - стойки; 3 - несущие ванты

Большое распространение в зарубежной и отечественной практике получили также висячие тонколистовые системы - мембранные покрытия.

Они представляют собой пространственную конструкцию из тонкого металлического листа (стального или из алюминиевых сплавов) толщиной в несколько миллиметров, закрепленного по периметру в опорном контуре. Их преимущества состоят в совмещении несущей и ограждающей функций, а также в повышенной индустриальности изготовления. В некоторых случаях вместо сплошной мембраны покрытие образуется из отдельных, не соединяемых друг с другом, тонких стальных лент. Располагаемые в двух взаимоперпендикулярных направлениях ленты могут переплетаться, что предотвращает их расслаивание.

Сплошное мембранное покрытие успешно применено для универсального стадиона на проспекте Мира в Москве, размеры, в плане которого достигают 183x224 м (рис. 8).

Рисунок 8. Конструктивная схема покрытия универсального стадиона на проспекте Мира в Москве (стальная мембрана толщиной 5 мм): а - план; б - продольный разрез; в - поперечный

В состав спортивного комплекса, построенного в г. Бишкеке, входит зал на 3 тысячи зрителей, покрытие которого решено в виде предварительно напряженной мембранно-балочной висячей системы (рис. 9). Каркас здания выполнен из монолитного здания железобетона в виде раскосных ферм, расположенных по периметру размерами в плане 42,5x65,15 м. Покрытие состоит из собственно мембраны толщиной 2 мм, продольных прогонов и поперечных балок - распорок. Утеплитель в виде минераловатных матов подвешен к мембране снизу, потолок выполнен из штампованных алюминиевых элементов.

Мембранные покрытия использованы и в ряде других большепролетных зданиях. Так, в Санкт-Петербурге универсальный спортивный зал диаметром 160 м перекрыт мембранной оболочной толщиной 6 мм. Подобными оболочками перекрыты также универсальный спортивный зал с размерами в плане 66x72 м на 5 тысяч зрителей в Измайлово (Москва), здание плавательного бассейна «Пионер» с размерами в плане 30x63 м в Харькове и др.

Складчатые своды покрытий - пространственная конструкция, которая может быть выполнена из металла (стали, алюминиевых сплавов), железобетона, пластмасс.

Особенно эффективны такие покрытия из алюминиевых сплавов. Основным конструктивным элементом в последних может служить лист ромбовидной формы (рис. 10), согнутый вдоль большей диагонали. Сопряжения ромбовидных элементов между собой может осуществляться при помощи цилиндрических шарниров или жесткими фланцевыми сочленениями. Для повышения пространственной жесткости покрытия (особенно при шарнирных сопряжениях) необходимо

предусматривать установку продольных затяжек по выступающим узлам складчатого свода.

Рисунок 9. 1 - каркас здания; 2 - мембрано-балочная висячая система

Рисунок 10.

Архитектурный облик большепролетных зданий в значительной степени определяется их ролью в композиции фрагмента окружающей городской застройки, функциональными особенностями зданий и примененными конструкциями покрытий.

Общественные функции зданий зального типа требуют выделять перед ними значительные свободные пространства различного назначения для: перемещения больших потоков зрителей перед началом или по окончании зрелищ (перед зрелищными или демонстрационными спортивными сооружениями); размещения открытой части экспозиции (перед выставочными павильонами): сезонной торговли (перед крытыми рынками) и т. д. Перед любыми из этих зданий отводят также территории для паркования индивидуальных автомашин. Таким образом, независимо от назначения здания его размещение в застройке дает возможность целостно воспринимать объем сооружения с удаленных точек зрения. Это обстоятельство определяет общие композиционные требования к архитектуре зданий: целостность и монументальность их облика и преимущественно крупный масштаб основных членений объема.

Такую особенность градостроительной роли общественных зданий зального типа часто учитывают в композиции их облика. Вспомогательные и обслуживающие помещения, которые могут быть размещены в отдельных объемах, приблокированных к основному (как, например, во Дворце спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге), по большей части не блокируют, а вписывают в основной объем здания. Для этого вспомогательные и обслуживающие помещения спортивных зданий располагают в нижних этажах или в подтрибунном пространстве, в зданиях крытых рынков и выставочных павильонов - в цокольном и подвальном этажах и т. п.

Характерными примерами реализации подобного объемно-планировочного принципа компоновки здания служат такие внешне различные объекты, как универсальный Олимпийский зал «Дружба» в Лужниках в Москве и здание спортивного центра префектуры Такамацу в Ниигате (Япония).

Зал «Дружба» имеет основной демонстрационный зал вместимостью 1,5-4 тыс. зрителей (при трансформации) с ареной 42X42 м, рассчитанной на 12 видов спорта при оптимальной видимости всех соревнований (предельное удаление 68 м). Зал покрыт пологой сферической оболочкой, опертой на 28 наклонных опор из сборно-монолитных складчатых оболочек двоякой кривизны. Наклонное расположение опор позволило увеличить габариты первого этажа и за счет этого разместить в нем четыре тренировочных зала и четыре спортивные площадки, вписанные в единый центрально-симметричный объем с ярко выраженной тектоничностью архитектурной формы ( ).

Из обоих примеров видно влияние конструктивной формы покрытия на архитектурную форму. И это не случайно, так как конструкция покрытия составляет от 60 до 100% наружных ограждений зданий.

Из числа функциональных параметров на выбор формы покрытия наибольшее влияние оказывают принятые план, вместимость, характер размещения зрительских мест (в спортивных и зрелищных зданиях) и величины пролетов покрытий ( ). В мировой практике для выставочных, многофункциональных зрительных и спортивных залов используют ограниченное число форм планов: прямоугольник, трапецию, овал, круг, многоугольник.

Однако форма плана зала и величины его пролетов не предопределяют однозначно форму покрытия. Большое влияние на ее выбор оказывают не только план, но и обусловленная функциональными особенностями форма здания. Как известно, в демонстрационных спортивных залах вместимость и расположение трибун определяют асимметричную или центрально-симметричную композицию здания, с которой должен быть согласован выбор формы покрытия. С асимметричной формой здания хорошо гармонируют висячие покрытия, с осесимметричной - как сводчатые, так и висячие. Для центричных в плане зданий применимы центричные же конструкции покрытий ( , ).

Окончательный выбор формы покрытия помимо функциональных определяется конструктивными, технологическими, технико-экономическими и архитектурно-художественными требованиями. Согласно последним, конструкция уникального большепролетного здания должна способствовать созданию выразительной тектоничной, индивидуальной, масштабной архитектурной формы. Внедрение пространственных висячих конструкций и конструкций из жестких оболочек дало беспрецедентные и многовариантные архитектурные возможности. Комбинируя различные типы, число, размеры элементарных оболочек, архитектор с помощью конструктора может добиться требуемого масштабного членения формы и индивидуализации ее облика, оригинально разместить проемы верхнего света в покрытии.

Так, например, только для покрытия треугольного в плане помещения могут быть применены пологая оболочка на выпуклом контуре, комбинированное покрытие из четырех треугольных в плане оболочек положительной кривизны, из трех - отрицательной и одной - положительной кривизны и т. д. Одним из наиболее оригинальных по конструкции и выразительных по архитектурной форме является покрытие треугольного в плане выставочного здания в Париже комбинированной оболочкой в виде сомкнутого из трех лотков свода пролетом 206 м. Лотки состоят из двух волнистых оболочек, раскрепленных через каждые три волны диафрагмами жесткости. Использование волнистой формы позволило решить не только чисто конструктивную задачу (достигнуть устойчивости тонкой оболочки), но и обеспечило масштабность композиции этого уникального здания, а традиционная для архитектуры камня система сомкнутого свода получила индивидуальную и остро современную тектоническую трактовку. Столь же индивидуальной и современной оказалась композиционная трактовка железобетонного крестового свода покрытия над квадратным планом здания крытого Олимпийского катка в Гренобле.

Естественно, однако, что в наибольшей степени современный характер архитектуре большепролетных покрытий железобетонными жесткими оболочками придают присущие только им комбинации геометрических форм в виде волнистых куполов и сводов, элементарных или комбинированных фрагментов оболочек с поверхностями отрицательной кривизны или комбинации из оболочек произвольной геометрической формы.

Архитектурно-композиционные возможности висячих систем покрытий непосредственно связаны с их конструктивной формой, возможностями ее индивидуализации и тектоничного выявления в объемной форме здания. В этом отношении наибольшими возможностями обладают висячие покрытия шатрового типа, покрытия на пространственном контуре, а также различные варианты комбинированных висячих систем. В чрезвычайном разнообразии внешнего облика зданий, которое обеспечивает применение висячих покрытий на замкнутом пространственном контуре, можно убедиться, сопоставив такие олимпийские объекты Москвы, как крытый велотрек и спортивный зал в Измайлове. К сожалению, мало способствует индивидуальности внешнего облика здания применение ряда технически наиболее эффективных висячих конструкций, например одно- или двухпоясных систем с горизонтальным кольцевым опорным контуром над круглыми или эллиптическими в плане зданиями. Несущая конструкция с малой стрелой провиса не выявляется во внешней форме здания, а в интерьере обычно бывает скрыта подвесными потолками или осветительными установками. Здания с покрытиями такого типа обычно имеют композицию в виде круглого периптера, антаблемент которого - кольцо опорного контура, а колонны - поддерживающие его стойки (Дворец спорта «Юбилейный» и Олимпийский зал в Санкт-Петербурге, Олимпийский дворец спорта на проспекте Мира в Москве и др.).

Наряду с несущими конструкциями покрытий в композиции зальных общественных зданий значительную роль играют наружные, как правило, ненесущие стены. Образным выражением их ненесущей функции может служить выполнение их с незначительным отклонением от вертикали, придающее зданию характерный силуэт (сужающийся или расширяющийся книзу).

Значительную часть поверхности наружных стен зальных зданий занимают светопрозрачные витражные конструкции. Их композиционные свойства и членения обогащаются при сочетании в конструкции двух-трех светопрозрачных материалов, например профильного и листового стекла.

Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий

Санкт-Петербург

здание покрытие балка купол

Введение

Историческая справка

Классификация

Плоскостные большепролетные конструкции покрытий

Пространственные большепролетные конструкции покрытий

1 Складки

3 Оболочки

Висячие (вантовые) конструкции

1 Висячие покрытия

4 Комбинированные системы

Трансформируемые и пневматические покрытия

1 Трансформируемые покрытия

Используемая литература

Введение

При проектировании и строительстве зданий с зальными помещениями возникает комплекс сложных архитектурных и инженерных задач. Для создания комфортных условий в зале, обеспечения требований технологии, акустики, изоляции его от других помещений и окружающей среды определяющее значение приобретает конструкция покрытия зала. Знание математических законов формообразования позволило делать сложные геометрические построения (парабол, гипербол, и т.д.), с использованием принципа произвольного плана.

В современной архитектуре формообразование плана является результатом развития двух тенденций: свободного плана, ведущего к конструктивной каркасной системе, и произвольного плана, требующего конструктивной системы, позволяющей организовать весь объем здания, а не только планировочную структуру.

Зал - основное композиционное ядро большинства общественных зданий. Наиболее часто встречающаяся конфигурация плана - прямоугольник, круг, квадрат, эллипсовидные и подковообразные планы, реже трапециевидные. При выборе конструкций покрытия зала решающее значение имеет необходимость связать зал с внешним миром посредством открытых остекленных поверхностей или наоборот полностью изолировать его.

Пространство, освобожденное от опор, перекрытое большепролетной конструкцией, придает зданию эмоциональную и пластическую выразительность.

1. Историческая справка

Большепролетные конструкции покрытий появились в древние времена. Это были каменные купола и своды, деревянные стропила. Так, например, каменное купольное покрытие Пантеона в Риме (1125 г.) имело диаметр около 44 м, купол мечети Айя - София в Стамбуле (537 г.) - 32 м, купол Флорентийского собора (1436 г.) - 42 м, купол Верхнего Совета в Кремле (1787 г.) - 22,5 м.

Строительная техника того времени не позволяла строить в камне легкие сооружения. Поэтому большепролетные каменные сооружения отличались большой массивностью, а сами сооружения возводились в течение многих десятилетий.

Деревянные строительные конструкции были дешевле и проще в возведении, чем каменные, давали возможность перекрывать также большие пролеты. Примером могут служить деревянные конструкции покрытия здания бывшего Манежа в Москве (1812 г.), пролетом 30 м.

Развитие черной металлургии в XVIII - XIX вв. дало строителям материалы более прочные, чем камень, дерево - чугун и сталь.

Во второй половине XIX в. большепролетные металлические конструкции получают широкое применение.

В конце XVIII в. появился новый материал для большепролетных зданий - железобетон. Совершенствование железобетонных конструкций в XX в. привело к появлению тонкостенных пространственных конструкций: оболочек, складок, куполов. Появилась теория расчета и конструирования тонкостенных покрытий, в которой приняли участие и отечественные ученые.

Во второй половине XX в. широко применяются висячие покрытия, а также пневматические и стержневые системы.

Применение большепролетных конструкций дает возможность максимально использовать несущие качества материала и получить за счет этого легкие и экономичные покрытия. Уменьшение массы конструкций и сооружений является одной из основных тенденций в строительстве. Уменьшение массы означает уменьшение объема материала, его добычи, переработки, транспортировки и монтажа. Поэтому вполне естественен интерес, который возникает у строителей и архитекторов к новым формам конструкций, что дает особенно большой эффект в покрытиях.

2. Классификация

Большепролетные конструкции покрытий можно разделить по их статической работе на две основных группы систем большепролетных покрытий:

·плоскостные (балки, фермы, рамы, арки);

·пространственные (оболочки, складки, висячие системы, перекрестно-стержневые системы и др.).

Балочные, рамные и арочные, плоскостные системы большепролетных покрытий проектируются обычно без учета совместной работы всех несущих элементов, так как отдельные плоские диски соединяются друг с другом сравнительно слабыми связями, не способными существенно распределить нагрузки. Это обстоятельство, естественно приводит к увеличению массы конструкций.

Для перераспределения нагрузок и снижения массы пространственных конструкций необходимы связи.

По материалу, применяемому для изготовления большепролетных конструкций, их разделяют на:

·деревянные

·металлические

·железобетонные

ØДревесина имеет хорошие несущие свойства (расчетное сопротивление сосны на сжатие и изгиб 130-150 кг/м2) и малую объемную массу (для воздушно-сухой сосны 500 кг/м3).

Существует мнение, что деревянные конструкции недолговечны. Действительно при плохом уходе деревянные конструкции могут очень быстро выйти из строя из-за поражения древесины различными грибками и насекомыми. Основным правилом для сохранения деревянных конструкций является создание условий для их вентиляции или проветривания. Важно также обеспечить, сушку древесины перед ее применением в строительстве. В настоящее время деревообрабатывающая промышленность может обеспечить эффективную сушку современными методами, в том числе токами высокой частоты и т.д.

Улучшение биологической стойкости древесины легко достигается с помощью давно разработанных и освоенных методов пропитки ее различными эффективно действующими антисептиками.

Еще чаще возникают возражения против использования древесины по соображениям пожарной безопасности.

Однако соблюдение элементарных правил противопожарной безопасности и надзора за сооружениями, а также использование антипиренов, повышающих огнестойкость древесины, позволяет значительно повысить противопожарные свойства древесины.

В качестве примера долговечности деревянных конструкций можно привести упоминавшийся уже Манеж в Москве, которому более 180 лет, шпиль в Адмиралтействе в Ленинграде высотой около 72 м, построенный в 1738 г., сторожевую башню в Якутске, возведенную около 300 лет тому назад, многие деревянные церкви во Владимире, Суздале, Кижах и других городах и селах Северной России, насчитывающие несколько столетий.

ØМеталлические конструкции, главным образом стальные, применяются широко.

Их достоинства: высокая прочность, относительно небольшая масса. Недостатком стальных конструкций является подверженность коррозии и низкая пожарная стойкость (потеря несущей способности при высоких температурах). Для борьбы с коррозией стальных конструкций существует много средств: окраска, покрытие полимерными пленками и т.д. В целях пожарной безопасности ответственные стальные конструкции можно обетонировать или осуществить набрызг на поверхность стальных конструкций теплоустойчивых бетонных смесей (вермикулит и т.д.).

ØЖелезобетонные конструкции не подвержены гниению, ржавлению, обладают высокой пожарной стойкостью, но они тяжелы.

Поэтому при выборе материала для большепролетных конструкций необходимо отдавать предпочтение тому материалу, который в конкретных условиях строительства наилучшим образом отвечает поставленной задаче.

3. Плоскостные большепролетные конструкции покрытий

В общественных зданиях массового строительства для покрытия зальных помещений применяются преимущественно традиционные плоскостные конструкции: настилы, балки, фермы, рамы, арки. Работа этих конструкций основана на использовании внутренних физико-механических свойств материала и передаче усилий в теле конструкции непосредственно на опоры. В строительстве плоскостной тип покрытий хорошо изучен и освоен в производстве. Многие из них пролетом до 36 м разработаны как сборные типовые конструкции. Идет постоянная работа по их усовершенствованию, снижению массы и материалоемкости.

Плоскостная конструкция покрытия зала в интерьерах общественных зданий почти всегда, ввиду ее низких эстетических качеств, закрывается дорогостоящим подвесным потолком. Этим в здании создаются излишние пространства и объемы в зоне конструкции покрытия, в редких случаях используемые под технологическое оборудование. В экстерьере сооружения такие конструкции из-за их невыразительности обычно спрятаны за высокими парапетами стен.

Балки изготавливаются из стальных профилей, железобетонными (сборными и монолитными), деревянными (на клею или на гвоздях).

Стальные балки таврового или коробчатого сечения (рис. 1, а, б) требуют большого расхода металла, имеют большой прогиб, который обычно компенсируется строительным подъемом (1/40-1/50 от пролета).

Примером может служить закрытый искусственный каток в Женеве, выстроенный в 1958 г. (рис. 1,в). Покрытие зала размерами 80,4 × 93,6 м выполнено из десяти цельно сваренных сплошных стальных балок переменного сечения, установленных через 10,4 м. За счет устройства консоли с оттяжкой на одном конце балки создается предварительное натяжение, способствующее уменьшению сечения балки.

Железобетонные балки имеют большой изгибающий момент и большую собственную массу, но просты в изготовлении. Они могут выполняться монолитными, сборно-монолитными и сборными (из отдельных блоков и цельные). Выполняются из железобетона с предварительным напряжением арматуры. Отношение высоты балки к пролету колеблется в пределах от 1/8 до 1/20. В практике строительства встречаются балки пролетом до 60 м, а с консолями - до 100 м. Сечение балок - в виде тавра, двутавра или коробчатое (рис. 2, а, б, в, г, д, ж).

а - стальная балка двутаврового сечения (составная);

б - стальная балка коробчатого сечения (составная);

в - искусственный закрытый каток в Женеве (1958). Покрытие имеет размеры 80,4 × 93,6 м.

Главные балки двутаврового сечения расположены через 10,4 м.

По главным балкам уложены алюминиевые прогоны.

Рис. 1 (продолжение)

г - схемы унифицированных горизонтальных ферм

с параллельными поясами. Разработаны ЦНИИЭП зрелищных и

спортивных сооружений;

д - схемы двускатных стальных ферм: полигональной и треугольной

ж - зал конгрессов в Ессене (ФРГ). Размеры покрытия 80,4 × 72,0.

Покрытие опирается на 4 решетчатых стойки. Главные фермы имеют пролет 72,01 м, второстепенные - 80,4 м с шагом 12 м

Рис. 2. Железобетонные балки и фермы

а - железобетонная односкатная балка с параллельными поясами

таврового сечения;

б - железобетонная двухскатная балка двутаврового сечения;

в - железобетонная балка горизонтальная с параллельными поясами

двутаврового сечения;

г - составная железобетонная горизонтальная балка с параллельным и

поясами таврового сечения;

д - железобетонная горизонтальная балка коробчатого сечения

Рис. 2 (продолжение)

е - составная двухскатная железобетонная ферма, состоящая из

двух полуферм с предварительно-напряженным нижним поясом;

ж - здание Британской заморской авиационной компании (ВОАС) в Лондоне 1955 г. Железобетонная балка имеет высоту 5,45 м, сечение балки - прямоугольное;

з - гимнастический зал средней школы в г. Спрингфилде (США)

В практике массового строительства в нашей стране широкое применение находят балки, приведенные на рис. 2, а, б, в.

Деревянные балки применяются в местностях, богатых лесом. Обычно они используются в зданиях III класса из-за их малой огнестойкости и долговечности.

Деревянные балки подразделяются на гвоздевые и клееные длиной до 30-20 м. Гвоздевые балки (рис. 3, а) имеют сшитую на гвоздях стену из двух слоев досок, наклоненных в разные стороны под углом 45°. Верхний и нижний пояса образуют за счет нашитых с обеих сторон вертикальных стенок балки продольных и поперечных брусьев. Высота гвоздевых балок 1/6-1/8 от пролета балки. Вместо дощатой стенки можно применять стенку из многослойной фанеры.

Клееные балки в отличие от гвоздевых обладают высокой прочностью и повышенной огнестойкостью даже без специальной пропитки. Сечение клееных деревянных балок может быть прямоугольным, двутавровым, коробчатым. Они изготавливаются из реек или досок на клею, уложенных плашмя или на ребро.

Высота таких балок 1/10-1/12 от пролета. По очертанию верхнего и нижнего поясов клееные балки могут быть с горизонтальными поясами, одно- или двухскатные, криволинейные (рис. 3, б).

Рис. 3 (продолжение)

Фермы, как и балки, могут изготавливаться из металла, железобетона и дерева. Стальные фермы в отличие от металлических балок за счет решетчатой конструкции требуют меньше металла. При подвесном потолке создается проходной чердак, обеспечивающий пропуск инженерных коммуникаций или свободный проход по чердаку. Фермы выполняют, как правило, из стальных профилей, а пространственные трехгранные фермы - из стальных труб.

Зал Конгрессов и спорта в Эссене имеет покрытие размером 80,4 × 72 м (рис. 1, ж). Покрытие опирается на четыре решетчатых стоики, состоящие из четырех ветвей. Одна из стоек жестко закреплена в фундамент, две стойки имеют катковые опоры, четвертая стойка выполнена качающейся и может перемещаться в двух направлениях. Две главные полигональные клепаные фермы опираются на опорные стойки и имеют пролет 72 м и высоту 5,94 и 6,63 м в середине пролета и соответственно 2,40 и 2,54 м - на опорах. Пояса главных ферм имеют коробчатое сечение шириной более 600 мм, раскосы - составные, двутаврового сечения. Двухконсольные, сварные второстепенные фермы пролетом 80,4 м опираются на главные фермы с шагом 12 м. Верхний пояс этих ферм имеет сечение в виде тавра, нижний - в виде двутавра с широкими полками. Для обеспечения свободных вертикальных деформаций на расстоянии 11 м от краев крыши устроены сквозные шарниры как в ограждающей конструкции покрытия, так и в фермах и в подвесном потолке. Концы ферм длиной 11 м опираются на легкие качающиеся стойки, расположенные на трибунах. Крестовые ветровые горизонтальные связи расположены между главными и между крайними второстепенными фермами, а также вдоль продольных стен на расстоянии 3,5 м от края покрытия. Прогоны и обрешетка изготовлены из двутавров. Здание покрыто плитами из прессованной соломы толщиной 48 мм, по которым уложен гидроизоляционный ковер из четырех слоев горячего битума на стекловолокне.

Фермы могут иметь различное очертание как верхнего, так и нижнего пояса. Наиболее распространены фермы треугольные и полигональные, а также горизонтальные с параллельными поясами (рис. 1, г, д, ж).

Железобетонные фермы изготавливаются: цельными - длиной до 30 м; составными - с предварительным напряжением арматуры, при длине более 30 м. Отношение высоты фермы к пролету 1/6-1/9.

Нижний пояс выполняется обычно горизонтальным, верхний пояс может иметь горизонтальное, треугольное, сегментное или полигональное очертания. Наибольшее распространение получили железобетонные полигональные (двухскатные) фермы, изображенные на рис. 2, ж. Максимальная длина запроектированных железобетонных ферм составляет около 100 м при шаге 12 м.

Недостатком железобетонных ферм является большая конструктивная высота. Для уменьшения собственной массы ферм необходимо применять высокопрочные бетоны и внедрять легкие плиты покрытия из эффективных материалов.

Деревянные фермы - могут быть представлены в виде бревенчатых или брусчатых висячих стропил. Деревянные фермы применяют для пролетов более 18 м и при условии выполнения профилактических мероприятий по пожарной безопасности. Верхний (сжатый) пояс и раскосы деревянных ферм изготавливают из брусьев квадратного или прямоугольного сечения со стороной, равной 1/50-1/80 от пролета, нижний (растянутый) пояс и подвески выполняют как из брусьев, так и из стальных тяжей с винтовыми нарезками на концах для натяжения их с помощью гаек с подкладными шайбами.

Устойчивость деревянных ферм обеспечивают деревянные раскосы и связи, установленные по краям и в середине фермы перпендикулярно их плоскости, а также кровельные настилы, образующие жесткий диск покрытия. В практике отечественного строительства применяют фермы пролетом 15, 18, 21 и 24 м, верхний пояс которых выполняется из неразрезного пакета досок шириной 170 мм на клею ФР-12. Раскосы выполняются из брусков такой же ширины, нижний пояс из прокатных уголков, а подвеск - из круглой стали (рис 3, в).

Металлодеревянные фермы - были разработаны ЦНИИЭП учебных зданий, ЦНИИЭП зрелищных зданий и спортивных сооружений и ЦНИИСК Госстроя СССР в 1973 г. Эти фермы устанавливаются через 3 и 6 м и могут быть использованы для кровельных покрытий в двух вариантах:

а) с теплым эксплуатируемым подвесным потолком и холодными кровельными панелями;

б) без подвесного потолка и теплыми кровельными панелями.

Рамы являются плоскостными распорными конструкциями. В отличие от безраспорной балочно-стоечной конструкции, ригель и стойка в рамной конструкции имеют жесткое соединение, которое является причиной появления в стойке изгибающих моментов от воздействия нагрузок на ригель рамы.

Рамные конструкции выполняют с жесткой заделкой опор в фундамент, если отсутствует опасность появления неравномерных осадок основания. Особая чувствительность рамных и арочных конструкций к неравномерным осадкам приводит к необходимости устройства шарнирных рам (двухшарнирных и трехшарнирных). Схемы арок на рис. 4, а, б, в, г.

Учитывая то, что рамы не имеют достаточной жесткости в своей плоскости, при устройстве покрытия необходимо обеспечить продольную жесткость всего покрытия путем замоноличивания элементов покрытия или установки рам диафрагм нормально к плоскости, или связей жесткости.

Рамы могут изготавливаться из металла, железобетона или дерева.

Металлические рамы могут выполняться как сплошного, так и решетчатого сечения. Решетчатое сечение характерно для рам с большими пролетами, так как оно более экономично благодаря небольшой собственной массе и способности одинаково хорошо воспринимать как сжимающие, так и растягивающие усилия. Высота сечения ригелей решетчатых рам принимается в пределах 1/20-1/25 пролета, а рам сплошного сечения 1/25-/30 пролета. Для уменьшения высоты сечения ригеля как сплошного, так и решетчатого металлических рам применяются разгружающие консоли, иногда снабженные специальными оттяжками (рис. 4, г).

Рамы: а - безшарнирная; б - двухшарнирная; в - трехшарнирная; г - двухшарнирная;

д - бесшарнирная; е - двух шарнирная; ж - трехшарнирная; и - двухшарнирная с разгружающими консолями; к - двухшарнирная с затяжкой, воспринимающей распор; h - высота рамы; I - стрела подъема арки; l - пролет; r1 и r2 - радиусы кривизны нижней и верхней грани арки; 0,01 и 02 центры кривизны; - шарниры; s - затяжка; d - вертикальные нагрузки на консоли.

Металлические рамы активно применяются в строительстве (рис. 5, 1,а, б, в, г, д; рис. 6, а, в).

Стальные, железобетонные и деревянные рамы

Железобетонные рамы - могут быть бесшарнирными, двухшарнирными, реже трехшарнирными.

При пролетах рам до 30-40 м их выполняют сплошными, двутаврового сечения с ребрами жесткости, при больших пролетах - решетчатыми. Высота ригеля сплошного сечения составляет около 1/20-1/25 пролета рамы, решетчатого сечения 1/12-1/15 пролета. Рамы могут быть однопролетными и многопролетными, монолитными и сборными. При сборном решении соединение отдельных элементов рамы целесообразно выполнить в местах минимальных изгибающих моментов. На рис. 5, 2, и, к, и рис.е 6, в приведены примеры из практики строительства зданий с использованием железобетонных рам.

Деревянные рамы подобно деревянным балкам выполняют из гвоздевых или клееных элементов для пролетов до 24 м. Их выгодно делать трехшарнирными для облегчения монтажа. Высота ригеля из гвоздевых рам принимается около 1/12 пролета рамы, у клееных рам - 1/15 пролета. Примеры строительства зданий с использованием деревянных рам приведены на рис 5, л, м, рис. 7.

Рис. 7 Каркас складского здания с деревянными клеефанерными рамами

Арки, как и рамы, являются плоскостными распорными конструкциями. Они еще более чувствительны к неравномерным осадкам, чем рамы и выполняются как бесшарнирными, так и двухшарнирными и трехшарнирными (рис. 4, д, е, ж, и, к) Устойчивость покрытия обеспечивается жесткими элементами ограждающей части покрытия. Для пролетов 24-36 м возможно применение трехшарнирных арок из двух сегментных ферм (рис. 8, а). Во избежание провисания затяжки устанавливают подвески.

а - трехшарнирная деревянная арка из многоугольных ферм;

б - решетчатая деревянная арка

Металлические арки выполняются сплошного и решетчатого сечения. Высота ригеля сплошного сечения арок применяется в пределах 1/50-1/80 , решетчатого 1/30-1/60 пролета. Отношение стрелы подъема к пролету у всех арок находится в пределах 1/2-1/ 4 при параболическом очертании кривой и 1/4-1/8 при круговой кривой. На рис. 8, а, рис. 9, рис. 1, рис. 10, а, б, в, представлены примеры из практики строительства.

Железобетонные арки, как и металлические, могут иметь сплошное и решетчатое сечение ригеля.

Конструктивная высота сечения ригеля сплошных арок составляет 1/30-1/40 пролета, решетчатых арок 1/25-1/30 пролета.

Сборные арки больших пролетов выполняются составными, из двух полуарок, бетонируемых на рис.е в горизонтальном положении, а затем поднимаемых в проектное положение (пример на рис. 9, 2, а, б, в).

Деревянные арки выполняются из гвоздевых и клееных элементов. Отношение стрелы подъема к пролету у гвоздевых арок составляет 1/15-1/20, у клееных - 1/20-1/25 (рис. 8, а, б, рис. 10, в, г).

а - арка с затяжкой на колоннах; б - опирание арки на рамы; или контрфорсы; в - опирание арки на фундаменты

4. Пространственные большепролетные конструкции покрытий

Большепролетные конструктивные системы разных эпох объединяет ряд существенных признаков, что дает возможность рассматривать их как технический прогресс в строительстве. С ними связана мечта строителей и архитекторов, покорить пространство, перекрыть максимально большую площадь. Объединяющим исторически сложившихся и современных криволинейных конструкций является поиск целесообразный формы, стремление к максимальному снижению их веса, поиск оптимальных условий распределения нагрузок, что приводит к открытию новых материалов и потенциальных возможностей.

Пространственные большепролетные конструкции покрытия включают в себя плоские складчатые покрытия, своды, оболочки, купола, перекрестно-ребристые покрытия, стержневые конструкции, пневматические и тентовые конструкции.

Плоские складчатые покрытия, оболочки, перекрестно-ребристые покрытия и стрежневые конструкции выполняются из жестких материалов (железобетон, металлические профили, дерево и др.) За счет совместной работы конструкций пространственные жесткие покрытия имеют небольшую массу, что снижает расходы как на устройство покрытия, так и на устройство опор и фундаментов.

Висячие (вантовые), пневматические и тентовые покрытия выполняются из нежестких материалов(металлические тросы, металлические рисовые мембраны, мембраны из синтетических пленок и тканей). Они в значительно большей степени, чем пространственные жесткие конструкции, обеспечивают снижение объемной массы конструкций, позволяют быстро возводить сооружения.

Пространственные конструкции дают возможность создавать самые разнообразные формы зданий и сооружений. Однако возведение пространственных конструкций требует более сложной организации строительного производства и высокого качества всех строительных работ.

Конечно, рекомендации по применению тех или иных конструкций покрытия для каждого конкретного случая дать нельзя. Покрытие как сложное подсистемное образование, находится в структуре сооружения в тесной связи со всеми его другими элементами, с внешними и внутренними воздействиями среды, с экономическими, техническими, художественными и эстетически-стилевыми условиями его формирования. Но некоторый опыт применения пространственных конструкций и результаты, которые он дал, могут помочь в понимании места той или иной конструктивной и технологической организации общественных зданий. Уже известные в мировой строительной практике системы конструкций пространственного типа позволяют перекрывать здания и сооружения практически с любой конфигурацией плана.

1 Складки

Складкой называют пространственное покрытие, образованное плоскими взаимно пересекающимися элементами. Складки состоят из ряда повторяющихся в определенном порядке элементов, опирающихся по краям и в пролете на диафрагмы жесткости.

Складки бывают пилообразные, трапецеидальные, из однотипных треугольных плоскостей, шатровые (четырехугольные и многогранные) и другие (рис. 11, а, б, в, г).

Складчатые конструкции, применяемые в цилиндрических оболочках и куполах, рассматриваются в соответствующих разделах.

Складки могут быть выпущены за пределы крайних опор, образуя консольные свесы. Толщину плоского элемента складки принимают около 1/200 пролета, высоту элемента не менее 1/10, а ширину грани - не менее 1/5 пролета. Складками обычно покрывают пролеты до 50-60 м, а шатрами до 24 м.

Складчатые конструкции имеют целый ряд положительных качеств:

простота формы и соответственно простота их изготовления;

большие возможности заводского сборного изготовления;

экономия высоты помещения и др.

Интересным примером применения плоской складчатой конструкции пилообразного профиля является покрытие лаборатории института бетона в Детройте (США) размером 29,1 × 11,4 (рис 11, д) проект архитекторов Ямасаки и Лейнвебера, инженеров Аммана и Уитни. Покрытие опирается на два продольных ряда опор, образующих средний коридор и имеет консольные выносы в обе стороны от опор длиной 5,8 м. Покрытие представляет комбинацию складок, направленных в противоположные стороны. Толщина складок 9,5 см.

В 1972 г. в Москве при реконструкции Курского вокзала была применена трапецеидальная складчатая конструкция, позволившая перекрыть зал ожидания размером 33 × 200 м (рис. 11, е).

Наиболее древняя и широко распространенная система криволинейного покрытия - сводчатое покрытие. Свод - конструктивная система, на основе которой был создан ряд архитектурных форм прошлого (вплоть до ХХ в.), позволивших решать проблему перекрытия разнообразных зальных помещений с различным функциональным назначением.

Цилиндрический и сомкнутый своды - простейшие формы свода, но пространство, образованное этими покрытиями, замкнуто, а форма лишена пластики. Введением распалубок в конструкции ложков этих сводов достигается зрительное ощущение легкости. Внутренняя поверхность сводов, как правило, украшалась богатым декором или имитировалась ложной конструкцией деревянного подвесного потолка.

Крестовый свод образуется вырезкой из пересечения двух цилиндрических сводов. Им перекрывали огромные залы терм и базилик. Большое применение крестовый свод нашел в готической архитектуре.

Крестовый свод - одна из распространенных форм покрытия в русском каменном зодчестве.

Широко применялись такие разновидности сводов, как парусный, свод-купол, балдахин.

3 Оболочки

Тонкостенные оболочки являются одним из видов пространственных конструкций и используются в строительстве зданий и сооружений с помещениями больших площадей (ангаров, стадионов, рынков и т.п.). Тонкостенная оболочка представляет собой изогнутую поверхность, которая при минимальной толщине и соответственно минимальной массе и расходе материала обладает очень большой несущей способностью, потому что благодаря криволинейной форме действует как пространственная несущая конструкция.

Простой опыт с рисом бумаги показывает, что очень тонкая изогнутая пластинка приобретает благодаря криволинейной форме большую сопротивляемость внешним силам, чем та же пластинка плоской формы.

Жесткие оболочки могут возводиться над зданиями любой конфигурации в плане: прямоугольной, квадратной, круглой, овальной и т.п.

Даже весьма сложные по конфигурации конструкции могут быть разделены на ряд однотипных элементов. На заводах строительных деталей создаются отдельные технологические линии для изготовления отдельных элементов конструкций. Разработанные методы монтажа позволяют возводить оболочки и купола с помощью инвентарных опорных башен или вообще без вспомогательных лесов, что существенно сокращает сроки возведения покрытий и удешевляет монтажные работы.

По конструктивным схемам жесткие оболочки делятся на: оболочки положительной и отрицательной кривизны, зонтичные оболочки, своды и купола.

Оболочки выполняются из железобетона, армоцемента, металла, дерева, пластмасс и других материалов, хорошо воспринимающих сжимающие усилия.

В обычных несущих системах, рассмотренных нами ранее, сопротивление возникающим усилиям сосредотачивается непрерывно по всей их криволинейной поверхности, т.е. так как это свойственно пространственным несущим системам.

Первая железобетонная купол-оболочка была построена в 1925 г. в Йене. Диаметр ее составлял 40м, это равно диаметру купола св. Петра в Риме. Масса этой оболочки оказалась в 30 раз меньше купола собора св. Петра. Это первый пример, который показал перспективные возможности нового конструктивного принципа.

Появление напряженно-армированного железобетона, создание новых методов расчета, измерение и испытание конструкций с помощью моделей наряду со статической и экономической выгодой их применения - все это способствовало быстрому распространению оболочек во всем мире.

Оболочки имеют и еще ряд преимуществ:

в покрытии они выполняют одновременно две функции: несущей конструкции и кровли;

они огнестойки, что во многих случаях ставит их в более выгодное положение даже при равных экономических условиях;

они не имеют себе равных по разнообразию и оригинальности форм в истории архитектуры;

наконец, по сравнению с прежними сводчатыми и купольными конструкциями, во много раз превзошли их по масштабам перекрываемых пролетов.

Если строительство оболочек в железобетоне получило достаточно широкое развитие, то в металле и дереве эти конструкции имеют пока ограниченное применение, так как не найдены еще достаточно простые свойственные металлу и дереву, конструктивные формы оболочек.

Оболочки в металле могут выполняться цельнометаллическими, где оболочка выполняет одновременно функции несущей и ограждающей конструкции в один, два и более слоев. При соответствующей разработке строительство оболочек может свестись к индустриальной сборке крупных панелей.

Однослойные металлические оболочки выполняются из стального или алюминиевого рис.а. Для увеличения жесткости оболочек вводятся поперечные ребра. При частом расположении поперечных ребер, связанных между собой по верхнему и нижнему поясу, можно получить двухслойную оболочку.

Оболочки бывают одинарной и двоякой кривизны.

К оболочкам одинарной кривизны относятся оболочки с цилиндрической или конической поверхностью (рис. 12, а, б).

Рис. 12. Наиболее распространенные формы оболочек

а - цилиндр: 1 - круг, парабола, синусоида, эллипс (направляющие); 2 -прямая (образующая); б - конус: 1 - любая кривая; 2 - прямая (образующая); г - поверхность переноса: 1 - парабола (направляющая); 2 - эллипс, круг (образующая); в - поверхность вращения (купол): 1-вращения; 2 - круг, эллипс, парабола (образующая); Поверхность вращения или переноса (сферическая оболочка): 1, 2 - круг, парабола (образующие или направляющие); 3 - круг, парабола(образующая); 4 - ось вращения д - образование оболочек двоякой кривизны одного направления: гиперболический параболоид: АВ-СД, АС-ВД - прямые (направляющие); 1 - парабола (направляющая).

Цилиндрические оболочки имеют круговое, эллиптическое или параболическое очертание и опираются на торцевые диафрагмы жесткости, которые могут быть выполнены в виде стен, ферм, арок илирам. В зависимости от длины оболочек их делят на короткие, у которых пролет по продольной оси не более чем полторы длины волны (пролет в поперечном направлении), и на длинные, у которых пролет по продольной оси более, чем полторы волны (рис. 13, а, в, д).

По продольным краям длинных цилиндрических оболочек предусматриваются бортовые элементы (ребра жесткости), в которых размещается продольная арматура, позволяющая работать оболочке вдоль продольного пролета подобно балке. Кроме того, бортовые элементы воспринимают распор от работы оболочек в поперечном направлении и поэтому должны обладать достаточной жесткостью и в горизонтальном направлении (рис. 13, а, д).

Длина волны длинной цилиндрической оболочки обычно не превышает 12 м. Отношение стрелы подъема к длине волны принимается не менее 1/7 пролета, а отношение стрелы подъема к длине пролета - не менее 1/10.

Сборные длинные цилиндрические оболочки членятся обычно на цилиндрические секции, бортовые элементы и диафрагму жесткости, арматура которых в процессе монтажа сваривается между собой и замоноличивается (рис. 13, д).

Длинные цилиндрические оболочки целесообразно применять для покрытий больших помещений с прямоугольным очертанием в плане. Длинные оболочки обычно располагают параллельно короткой стороне перекрываемого прямоугольного пространства для сокращения величины пролета оболочек вдоль продольной оси (рис. 13, е). Развитие длинных цилиндрических оболочек идет по линии поисков возможно более плоской дуги при небольшой величине стрелы подъема, что ведет к облегчению условий производства строительных работ, снижению объема здания и улучшению условий эксплуатации.

Особенно выгодно, в смысле конструктивной работы, устройство последовательного ряда плоских цилиндрических оболочек, так как в этом случае изгибающие усилия, действующие в горизонтальном направлении, погашаются соседними оболочками (кроме крайних).

Приведем примеры применения в строительстве длинных цилиндрических оболочек.

Многоволновая длинная цилиндрическая оболочка выполнена в гараже в Бурнемауте (Англия).

Размеры оболочки 45 × 90 м, толщина 6,3 см проект выполнен инженером Морганом (рис. 14, а).

в - ангар аэродрома в Карачи (Пакистан, 1944). Покрытие образованно длинными цилиндрическими оболочками длиной 39,6 м, шириной 10,67 м и толщиной 62,5 мм. Оболочки опираются на прогон длиной 58 м, являющемся перемычкой над воротам ангара; г - ангар Министерства авиации в АН! лип (1959). Для покрытия ангара были применены три цилиндрических оболочки, расположенные параллельно проему ворот ангара. Длина оболочек - 55 м. Глубина ангара - 32,5 м. Рандбалки, воспринимающие распор, имеют коробчатое сечение

Покрытие спортивного зала в Мадриде (1935 г.) выполнено по проекту архитектора Зуазо и инженера Торрохи. Покрытие представляет комбинацию двух длинных цилиндрических оболочек, опирающихся на торцевые стены и не требует опирания на продольные стены, которые по этой причине выполнены из легких материалов. Длина оболочки 35 м, пролет 32,6 м, толщина 8,5 см. (рис. 14, б).

Ангар аэродрома в Карачи, построенный в 1944 г., представлен оболочками длина которых 29,6 м, ширина 10,67 м и толщина 6,25 см. Оболочки опираются на прогон пролетом 58 м, который является перемычкой над воротами ангара (рис. 14, в).

Применение длинных цилиндрических оболочек практически ограничено пролетами до 50 м, так как за этим пределом высота бортовых элементов (рандбалок) получается чрезмерно большой.

Подобные оболочки часто используются в промышленном строительстве, но находят применение в общественных зданиях. В "Калининградгражданпроекте" разработаны длинные цилиндрические оболочки пролетами 18 × 24 м, шириной 3 м. Они изготавливаются сразу на пролет вместе с утеплителем - древесноволокнистой плитой. Сверху в заводских условиях на готовый элемент наносится слой гидроизоляции.

Длинные цилиндрические оболочки выполняются из железобетона, армоцемента, стали и алюминиевых сплавов.

Так для покрытия в Санкт-Петербурге Московского вокзала применена цилиндрическая оболочка, изготовленная из рис.ового алюминия. Длина температурного блока 48 м, ширина 9 м. Покрытие подвешено к железобетонным опорам, установленным на междупутье.

Короткие цилиндрические оболочки по сравнению с длинными оболочками имеют более значительную величину волны и стрелу подъема. Кривизна коротких цилиндрических оболочек соответствует направлению наибольшего пролета перекрываемого помещения. Эти оболочки работают как своды.

Форма кривой может быть представлена дугой круга или параболой. В связи с опасностью выпучивания в коротких оболочках в большинстве случаев вводятся поперечные ребра жесткости. Кроме бортовых элементов такие оболочки должны иметь затяжки для восприятия горизонтальных поперечных сил (рис. 13, в, д).

Широко известны короткие цилиндрические оболочки для зданий с сеткой колонн 24 × 12 м и 18 ×12 м. Они состоят из ферм-диафрагм, ребристых панелей 3 × 12 м и бортовых элементов (рис. 15, а-г).

Конструкции на указанные пролеты признаны типовыми.

Применение коротких цилиндрических оболочек не требует применения подвесного потолка.

Конические оболочки обычно используются для покрытий трапецеидальных в плане зданий или помещений. Конструктивные особенности этих оболочек такие же как и длинных цилиндрических (рис. 12, а). Примером интересного использования этой формы может служить покрытие ресторана на берегу озера в штате Джорджия (США), выполненное в виде ряда железобетонных грибовидных конусов диаметром 9,14 м. Пустотелые ножки грибов используются для отвода дождевой воды с поверхности покрытия. Треугольники, образованные краями трех соприкасающихся грибов, перекрыли железобетонными плитами с круглыми отверстиями для световых фонарей в виде куполов из пластмассы.

Рис. 15 Примеры применения коротких цилиндрических оболочек, выполненных в железобетоне

В волнообразных и складчатых оболочках с большими пролетами возникают значительные изгибающие моменты, вызываемые временными нагрузками от ветра, снега, изменений температуры и т.д.

Необходимое усиление таких оболочек достигалось устройством ребер. Снижение усилий было достигнуто переходом к волнообразным и складчатым профилям самой оболочки. Это дало возможность увеличить жесткость оболочек и снизить расход материала.

Такие конструкции дают возможность подчеркнуть контраст между плоскостью ограждающей стены, которая может быть независима от несущих опор и опирающимся на нее покрытием. Это дает возможность в этих конструкциях делать большие консольные вылеты для устройства подпорок и т.д. (Курский вокзал в Москве).

Складки и волны это интересная пластинчатая форма для потолка, а иногда и для стен в интерьерах.

Волнистая оболочка, когда для нее найдены масштаб, кривизна, форма, исходя из требований архитектурной эстетики, может быть достаточно выразительной. Этот тип конструкций разработан для пролетов более 100 м, которые были применены для покрытий самых различных объектов.

Многогранные складчатые своды-оболочки являются примером повышения жесткости цилиндрической оболочки путем придания многогранной формы.

Переход от оболочек одинарной кривизны к оболочкам двоякой кривизны знаменует собой новый этап в развитии оболочек, так как действие изгибающих усилий в них сводится к минимуму.

Такие оболочки применяются в зданиях с различными планами: квадратными, треугольными, прямоугольными и т.д.

Разновидностью таких оболочек на круглом или овальном плане является купол.

Оболочки двоякой кривизны могут выполняться как с вспарушенными так и пологими контурами.

К их недостаткам можно отнести: завышенный объем перекрываемого здания, большую поверхность кровли, не всегда благоприятные акустические характеристики. В покрытии возможно применение световых фонарей главным образом, в центре.

Такие оболочки могут выполняться в монолитном и сборно-монолитном варианте железобетона.

Пролеты этих зданий варьируются в пределах 24-30 м. Устойчивость оболочки обеспечивается системой предварительно-напряженных балок жесткости с сеткой 12×12 м. Контур оболочки опирается на преднапряженный пояс.

В ряде случаев целесообразно перекрывать зальные помещения шатровыми оболочками, имеющими форму усеченной пирамиды, выполненными из железобетона. Опираться они могут по контуру, по двум сторонам или углам.

Наиболее распространенные в строительной практике типы оболочек двоякой кривизны представлены на рис. 12, е, ж, з.

Купол представляет собой поверхность вращения. Усилия в нем действуют в меридиональном и широтном направлении. По меридиану возникают сжимающие напряжения. По широтам, начиная от вершины, возникают, также сжимающие усилия, переходящие постепенно в растягивающие, которые достигают своего максимума у нижнего края купола. Купольные оболочки могут опираться на опорное кольцо, работающее на растяжение, на колонны - через систему диафрагм или ребер жесткости, если оболочка имеет в плане квадратную или многогранную форму.

Купол возник в странах Востока и имел, прежде всего, утилитарное назначение. При отсутствии дерева покрытием для жилищ служили глиняные и кирпичные купола. Но постепенно, благодаря своим исключительным эстетическим и тектоническим качествам, купол приобрел самостоятельное смысловое содержание как архитектурная форма. Развитие формы купола связано с постоянным изменением характера его геометрии. От сферической и шаровой формы строители переходят к остроконечной со сложными параболическими очертаниями.

Купола бывают сферические и многогранные, ребристые, гладкие, гофрированные, волнистые (рис. 16, а). Рассмотрим наиболее характерные примеры купольных оболочек.

Покрытие дворца спорта в Риме (1960 г), построенного по проекту профессора П.Л. Нерви для Олимпийских игр, представляет собой сферический купол, выполненный из сборных армоцементных элементов шириной 1,67 до 0,34 м, имеющих сложную пространственную форму (рис. 17, а). 114 сегментов купола опираются на 38 наклонных опор (3 сегмента на 1 опору). После выполнения монолитных конструкций и замоноличивания сборных сегментов, конструкция купола стала работать как единое целое. Здание было построено за 2,5 месяца.

Купольное покрытие концертного зала в Мацуяма (Япония), выполненного в 1954 г. по проекту архитектора Кенцо Танге и инженера Цибон, представляет собой сегмент шара диаметром 50 м, стрелой подъема 6,7 м (рис. 17, б). В покрытии устроено 123 круглых отверстия диаметром 60 см для верхнего освещения зала.

Толщина оболочки в середине 12 см, у опор 72 см. Утолщенная часть оболочки заменяет опорное кольцо.

Купол над зрительным залом театра в Новосибирске (1932 г.) имеет диаметр 55,5 м, стрела подъема 13,6 м. Толщина оболочки 8 см (1/685 пролета). Она опирается на кольцо сечением 50 × 80 см (рис 17, в).

Купол выставочного павильона в Белграде (Югославия) сооружен в 1957 г. Диаметр купола 97,5 м со стрелой подъема 12-84 м. Купол представляет собой конструкцию, состоящую из монолитной центральной части диаметром 27 м, и кольцевой, полой, трапецеидального сечения железобетонной балки, на которую опирается 80 сборных железобетонных полуарок двутаврового сечения, раскрепленных тремя рядами кольцевых оболочек (рис 17, г).

Купольное покрытие стадиона в Опорто (Португалия), сооруженного в 1981 г. имеет диаметр 92 м.

Покрытие выполнено из 32 меридианально-расположенных ребер, опирающихся на треугольные рамы, и 8 железобетонных колец. Диаметр купола в зоне опирания его на треугольные рамы - 72 м, высота купола 15 м. По железобетонному каркасу выполнена оболочка купола из бетона на пробковом заполнителе.

В вершине купола сооружен световой фонарь (рис 17, д).

На рис. 18 приведены примеры куполов-оболочек, выполненных в металле. Опыт строительства таких зданий показал, что они не лишены недостатков. Так, главным из них является большой строительный объем зданий и чрезмерно большая масса строительных конструкций.

В последние годы появились первые купольные здания с раздвижной кровлей.

Например, для стадиона в Питсбурге (рис. 18) применены скользящие радиально по поверхности купола секторные элементы оболочки, изготовленные из алюминиевых сплавов.

В деревянных куполах (рис. 19, а, б, в) несущими конструкциями являются деревянные пиленые или клееные элементы. В современных пологих куполах основные элементы каркаса работают на сжатие, ввиду чего применение дерева особенно целесообразно.

Начиная со средних веков, дерево в куполостроении применяется в качестве конструкционного материала. Много деревянных куполов, относящихся к эпохе Средневековья, сохранилось до настоящеговремени в странах Западной Европы. Они часто представляют собой надчердачное покрытие над основным куполом, выполненное в кирпиче. Эти купола имели могучую систему связей жесткости. К числу таких куполов принадлежит, например, главный купол Троицкой церкви в Ленинграде. Купол диаметром 25 м и стрелой подъема 21, 31 м, возведен в 1834 г. и существует до настоящего времени. Из деревянных куполов того времени, этот купол был наибольшим в мире. Он имеет типичную брусчатую конструкцию, состоящую из 32 меридиональных ребер, соединенных несколькими брусами кольцевых связей.

Рис. 18 Примеры куполов-оболочек, выполненных в металле

В 1920-30 гг. в нашей стране было возведено несколько деревянных куполов значительных размеров. Деревянными тонкостенными куполами были перекрыты газгольдеры диаметром 32 м на Березниковском и Бобриковском химкомбинатах. В Саратове, Иванове и Баку деревянными куполами были перекрыты цирки диаметрами соответственно 46, 50 и 67 м. Эти купола имели ребристую конструкцию,где ребра представляли собой решетчатые арки (рис. 19, б).

Современная техника склейки древесины прочными водостойкими синтетическими клеями и большой опыт производства клееной древесины, и ее применение в строительстве, позволили ввести древесину как новый высококачественный материал в большепролетные сооружения. Конструкции из древесины прочны, долговечны, огнестойки и экономичны.

Рис 19. Примеры применения деревянных куполов оболочек

Купола из клееной древесины используются для перекрытия выставочных и концертных залов, цирков, стадионов, планетариев и других общественных зданий. Архитектурно-конструктивные типы куполов из клееной древесины очень разнообразны. Наиболее часто применяются ребристые купола, купола с треугольной сеткой и сетчатые купола с решеткой кристаллического типа, разработанные профессором М.С. Туполевым.

В США и Англии сооружен ряд куполов из клееной древесины.

В штате Монтана (США) над зданием спортивного центра на 15 тыс. зрителей в 1956 г. был возведен деревянный купол диаметром 91,5 м со стрелой подъема 15,29 м (рис. 19, в). Несущий остов купола состоит из 36 меридиональных ребер сечением 17,5×50 см. Ребра опираются на выполненное из прокатных профилей нижнее опорное кольцо и на сжатое верхнее металлическое кольцо. Купол установлен на железобетонные колонны высотой 12 м. В каждой ячейке, образованной ребрами и прогонами, по диагонали крест-накрест натянуты стальные тяжи. Монтаж купола производился спаренными полуарками вместе с прогонами и тяжами. Каждая полуарка длиной 45 м собиралась на земле из трех частей.

Складчатые купола монтируются из армоцементных пространственных скорлуп, расположенных в один или два яруса, или их выполняют монолитными (рис. 19, а).

Волнообразные купола применяют при пролетах более 50 м. Волнообразную форму поверхности купола придают для обеспечения большей жесткости и устойчивости (рис. 20, а, б).

Покрытие крытого рынка в Руайене (Франция) построенного по проекту архитекторов Симона и Морисео, инженера Сарже в 1955 г. представляет собой волнообразную сферическую оболочку из радиально расположенных 13 синусообразных параболоидов (рис. 20, а). Диаметр купола - 50 м, высота 10,15 м, ширина волны 6 м, толщина 10,5 см. Нижние края волн непосредственно опираются на фундамент.

Покрытие цирка в Бухаресте (1960 г.), выполнено по проекту института "Проект-Бухарест", представляет собой волнообразный купол диаметром 60,6 м, состоящий из 16 параболических волнсегментов (рис 20, б). Толщина оболочки 7 см в вершине, 12 см - у опор. Купол опирается на 16 столбов, связанных между собой полигональным предварительно-напряженным железобетонным поясом, воспринимающим усилия распора в куполе.

Оболочки с поверхностью переноса применяют при покрытии прямоугольных или многоугольных в плане помещений. Опираются такие оболочки на диафрагмы по всем сторонам многоугольника. Поверхность оболочки переноса образуется, при поступательном движении одной кривой по другой при условии, что обе кривые выгнуты кверху и находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 12, е).

Оболочки переноса (рис. 12, д) работают в поперечном и продольном направлении подобно сводам.

Мощные затяжки, подвешенные под продольными ребрами, воспринимают распор в направлении пролета. В поперечном направлении распор от оболочки в крайних пролетах воспринимают диафрагмы жесткости и бортовые элементы, а в средних пролетах распор погашается соседними оболочками. Поперечные сечения оболочек переноса по всей длине свода, кроме опорных зон, чаще принимают круговыми (рис. 16, б).

Примером оболочки с поверхностью переноса является покрытие резиновой фабрики в Бринморе (Южный Уэльс, Англия), построенной в 1947 г. (рис. 21, б). Покрытие состоит из 9 прямоугольных эллиптических оболочек размером 19 × 26 м. Толщина оболочек 7,5 см. Жесткость оболочек обеспечена боковыми диафрагмами.

В опорных зонах оболочка может заканчиваться коноидальными элементами, обеспечивающими переход от кругового поперечного сечения средней зоны к прямоугольному по линии опирания.

По этой системе в Ленинграде построено покрытие над автогаражом пролетом 96 м, состоящее из 12 сводов шириной 12 м каждый.

Сферические парусные оболочки образуются в том случае, если сферическая поверхность ограничивается вертикальными плоскостями, построенными на сторонах квадрата. Диафрагмы жесткости в этом случае одинаковы для всех четырех сторон (рис 12, в, д, рис. 16).

Сборные ребристые сферические оболочки размером 36×36 м находят использование при строительстве многих промышленных объектов (рис. 21, д). В этом решении применяются плиты четырех типоразмеров: в средней части квадратные 3×3 м, а к периферии - оболочки ромбические, близкие к размеру квадрата. Эти плиты имеют диагональные рабочие ребра и небольшие утолщения по контуру.

Концы арматуры диагональных ребер оголены. При монтаже их сваривают с помощью накладных стержней. В швы между плитами в зоне угловых стыков закладывают стержни с надетой на них спиральной арматурой. После этого швы замоноличивают.

Сферическое покрытие здания Новосибирского торгового центра имеет размеры в плане 102×102 м, подъем контурных арок равен 1/10 пролета. Такой же подъем имеет образующая кривая оболочки.

Общий подъем оболочки равен 20,4 м. Разрезка поверхности оболочки выполнена с учетом схемы переноса. На угловых участках плиты покрытия расположены диагонально в целях размещения в продольных (диагональных) швах напряженной арматуры.

Опорные части угловых участков покрытия, испытывающие наибольшие напряжения, решены в монолитном железобетоне.

Покрытия зала собраний на 1200 мест Массачусетского технологического института в Бостоне (США) выполнено по проекту архитектора Эро Сааринера. Оно представляет собой сферическую оболочку диаметром 52 м и имеет в плане форму треугольника.

Сферическая оболочка покрытия представляет собой 1/8 часть шаровой поверхности. По контуру оболочка опирается на три криволинейных несущих пояса, которые передают усилия на опоры, расположенные в трех точках (рис. 21, г). Толщина оболочки от 9 до 61 см.

Столь большая толщина оболочки у опор объясняется значительными изгибающими моментами, возникающими в оболочке из-за больших вырезов, что говорит о неудачном конструктивном решении.

Покрытие торгового центра в Каноэ (Гавайские острова, США) выполнено в виде сферической оболочки с гладкой поверхностью размером 39,01×39,01 м. Оболочка не имеет диафрагмы жесткости и опирается углами на 4 устоя. Толщина оболочки 76-254 мм. (рис. 21, а).

Покрытие (Испания) крытого рынка в Алхесиросе, построенного в 1935 г. по проекту инженера Торрохи и архитектора Аркаса, представляет собой восьмигранную сферическую оболочку диаметром 47,6 м.

Восемь опор, на которые опирается оболочка, связаны между собой полигональным поясом, воспринимающим распор от оболочки (рис. 21, в).

5 Оболочки с противоположным направлением кривизны

Оболочки с противоположным направлением одной и другой кривизны образуются путем перемещения прямой линии (образующей) по двум направляющим кривым. К ним относятся коноиды, однополые гиперболоиды вращения и гиперболические параболоиды (рис. 12, е, ж, з).

При образовании коноида образующая прямая опирается на кривую и на прямую линии (рис. 12, ж). В результате получается поверхность с противоположным направлением одной кривизны. Коноид применяется главным образом для шедовых крыш и дает возможность получать множество разнообразных форм. Направляющая кривой коноида может быть параболой или круговой кривой. Коноидная оболочка в шедовом покрытии позволяет обеспечить естественное освещение и проветривание помещений (рис. 16, г, д).

Опорными элементами коноидных оболочек могут являться арки, рандбалки и других конструкции.

Пролет таких оболочек составляет от 18 до 60 м. Возникающие в оболочке коноида растягивающие напряжения, передаются на жесткие диафрагмы. Нагрузка оболочки коноида воспринимается четырьмя опорами, размещенными обычно в четырех угловых точках оболочки.

Примером может служить приемный и складской корпус крытого рынка в Тулузе (Франция), построенный по проекту инженера Прата. Рынок перекрыт конструкцией, состоящей из параболических железобетонных арочных ферм пролетом 20 м, со стрелой подъема 10 м и коноидных оболочек толщиной 70 мм, расстояние между арками - 7 м. Расположенные вдоль продольных сторон здания погрузочные площадки перекрыты цилиндрическими оболочками в виде консолей длиной 7 м, удерживаемых с помощью вант, опирающихся на арки (рис.22, а).

Образующая прямая однополого гиперболоида вращения оборачивается вокруг оси, с которой она пересекается в наклонном положении (рис. 12, з). При перемещении этой прямой возникают как бы две системы образующих, пересекающихся на поверхности оболочки.

Примером применения этой оболочки являются трибуны ипподрома Зарзуэла в Мадриде (рис. 22, б) и рынок в Со (Франция) (рис. 22, в).

Образование поверхности гиперболического параболоида (гипара) определяется системами непараллельных и непересекающихся прямых (рис. 12, з), которые называются направляющими линиями. Каждая точка гиперболического параболоида является точкой пересечения двух образующих, входящих в состав поверхности.

Рис. 22 Примеры применения коноидальных оболочек и гиперболоидов вращения

При равномерно распределенной нагрузке напряжения во всех точках поверхности гипара имеют постоянную величину. Это объясняется тем, что усилия растяжения и сжатия одинаковы для каждой точки. Вот почему гипары имеют большую сопротивляемость к выпучиванию. Когда оболочка под действием нагрузки стремится прогнуться, растягивающее напряжение в направлении, нормальном к этому давлению, автоматически возрастает. Это позволяет выполнять оболочки малой толщины, часто безбортовых элементов.

Первые статические исследования гипаров опубликовал в 1935 г. француз Лафай, но практическое применение в работах они нашли лишь после второй мировой войны. Борони в Италии, Рубана в Чехословакии, Канделы в Мексике, Сальвадори в США, Сарже во Франции. Эксплуатационные и экономические достоинства гипаров и неограниченные эстетические возможности создают для их применения огромный простор.

На рис. 16, е, ж, з, и показаны возможные комбинации из поверхностей плоских гипаров.

Рис. 23 Примеры применения гипаров в строительстве

Покрытие городского театрального зала в Шизуске (Япония) архитектор Кенцо Танге, инженер Шошикацу Пауоби (рис. 23, а). В зале предусмотрено 2 500 мест для зрителей. Здание в плане квадратное, со стороной равной 54 м. Оболочка имеет форму гипара, поверхность которого усилена ребрами жесткости, расположенными параллельно сторонам квадрата через 2,4 м. Вся нагрузка от покрытия передается на две железобетонные опоры, связанные друг с другом под полом зала железобетонными прогонами. Дополнительными опорами рандбалок оболочки являются тонкие качающиеся стойки по фасадам здания. Ширина рандбалки 2,4 м, толщина 60 см, толщина оболочки 7,5 см.

Часовня и парковый ресторан в Мехико выполнены по проектам инженера Феликса Канделы. Вэтих сооружениях использованы сочетания нескольких гиперболических параболоидов (рис. 23, б, в)

По проекту Ф. Канделы выполнен также ночной клуб в Акапулько (Мексика). В этой работа применено 6 гипаров.

Мировая практика строительства богата примерами различных форм гипаров в строительстве.

6 Перекрестно-ребристые и перекрестно-стержневые покрытия

Перекрестно-ребристые покрытия представляют собой систему балок или ферм с параллельными поясами, перекрещивающимися в двух, а иногда и в трех направлениях. Эти покрытия по своей работе приближаются к работе сплошной плиты. За счет создания перекрестной системы появляется возможность уменьшить высоту ферм или балок до 1/6-1/24 пролета. Следует отметить, что перекрестные системы эффективны лишь для прямоугольных помещений с отношением сторон в пределах от 1:1 до 1,25:1. При дальнейшем увеличении этого отношения конструкция теряет свои преимущества, превращаясь в обычную балочную систему. В перекрестных системах очень выгодно применять консоли с вылетом до 1/5-1/4 пролета. Рациональное опирание перекрестных покрытий, использующее пространственный характер их работы, позволяет оптимизировать их применение и возводить разнообразные по габаритам и опиранию покрытия из однотипных сборных элементов заводского изготовления.

В перекрестно-ребристых покрытиях расстояние между ребрами применяется от 1,5 м до 6 м. Перекрестно-ребристые покрытия могут быть стальными, железобетонными, деревянными.

Перекрестно-ребристые покрытия, выполненные из железобетона в виде кессонов, рационально применять с пролетами до 36 м. При больших пролетах следует переходить на использование стальных или железобетонных ферм.

Деревянные перекрестные покрытия размером до 24 × 24 м выполняются из фанеры и брусков на клею и гвоздях.

Примером использования перекрестных ферм может быть проект Зала конгрессов в Чикаго выполненный в 1954 г. архитектором Ван Дер Роэ (США). Размеры покрытия зала 219,5 × 219,5 м (рис. 24, а).

Рис. 24 Перекрестно-ребристые покрытия, выполненные в металле

Высота зала до верха конструкций - 34 м. Перекрестные конструкции выполнены из стальных ферм с параллельными поясами с раскосной решеткой высотой 9,1 м. Вся конструкция опирается на 24 опоры (по 6 опор на каждой стороне квадрата).

В выставочном павильоне в Сокольниках (Москва) выстроенном в 1960 г. по проекту "Моспроекта", применена перекрестная система покрытия размером 46 × 46 м из алюминиевых ферм, опирающихся на 8 колонн Шаг ферм 6 м, высота - 2,4 м. Кровля выполнена из алюминиевых панелей длиной 6 м (рис. 24, б)

Институт ВНИИЖелезобетон совместно с ЦНИИЭПжилища разработали оригинальную конструкцию перекрестно-диагонального покрытия размером 64 × 64 м, выполненного из сборных железобетонных элементов. Покрытие опирается на 24 колонны, расположенные по сторонам квадрата 48 × 48 м, и состоит из пролетной части и консольной с выносом 8 м. Шаг колонн 8 м.

Данная конструкция нашла свое применение при строительстве Дома Мебели на Ломоносовском проспекте в Москве (авторы А. Образцов, М. Контридзе, В. Антонов и др.) Все покрытие выполнено из 112 сборных сплошных железобетонных элементов двутаврового сечения длиной 11,32 м и 32 аналогичных элементов длиной 5,66 м (рис. 25). Ограждающим элементом покрытия является легкий сборный утепленный щит, по которому укладывается многослойный гидроизоляционный ковер.

Стержневые пространственные конструкции из металла это дальнейшее развитие плоскостных решетчатых конструкций. Принцип стержневой пространственной конструкции известен человечеству с древнейших времен, он использован и в монгольских юртах и в хижинах жителей тропической Африки, и в каркасных постройках Средневековья, а в наше время - в конструкциях велосипеда, самолета, подъемного крана и т.д.

Стержневые пространственные конструкции получили широкое распространение во многих странах мира. это объясняется простотой их изготовления, легкостью монтажа, а самое главное - возможностью промышленного изготовления. какова бы ни была форма стержневой пространственной конструкции, в ней всегда можно выделить три типа элементов: узлы, соединительные стержни и зоны. соединенные между собой в определенном порядке, эти элементы образуют плоские пространственные системы.

К пространственным системам стержневых конструкций относятся:

Стержневые структурные плиты (рис. 26);

Сетчатые оболочки (цилиндрические и конические оболочки, оболочки переноса и купола) (рис. 27).

Стержневые пространственные конструкции могут быть однопоясными, двухпоясными и многопоясными. например, структурные плиты выполняют двухпоясными, а сетчатые купола и цилиндрические оболочки при обычных пролетах - однопоясными.

Узлы и соединительные стержни формируют пространство, заключенное между ними (зону). зоны могут быть в виде тетраэдра, гексаэдра (куба) октаэдра, додекаэдра, и т.д. форма зоны может обеспечивать или не обеспечивать жесткость стержневой системы, так например, тетраэдр, октаэдр и икосаэдр являются жесткими зонами. Проблема устойчивости для однослойных сетчатых оболочек связана с возможностью так называемого "прощелкивания" их подобно тонкостенным оболочкам (рис. 26).

Рис. 26 Стержневые конструкции из металла

Угол ? может быть значительно меньше ста градусов. Само прощелкивание не приводит к обрушению всей сетчатой конструкции, конструкция в этом случае приобретает другую устойчивую равновесную конструкцию.

Узловые соединения, применяемые в стержневых конструкциях, зависят от конструкции стержневой системы. так, в однослойных сетчатых оболочках должны применяться узловые соединения с жестким защемлением стержней в направлении нормальном к поверхности, чтобы избежать "прощелкивание" узлов, а в структурных плитах, как и вообще в многопоясных системах, жесткого соединения стержней в узлах не требуется. конструкция узлового соединения зависит от пространственного расположения стержней и возможностей завода-изготовителя.

Наиболее распространенные системы стержневых соединений, применяемые в мировой практике следующие:

Система "меко" (соединение на резьбе с помощью фасонного элемента - шара), получила широкое распространение благодаря простоте изготовления и монтажа (рис. 28, в);

Система "спейс-дек" из пирамидальных, сборных элементов, которые в плоскости верхнего пояса соединяются между собой на болтах, а в плоскости нижнего пояса связываются растяжками (рис. 28, а);

Соединение стержней на сварке с помощью кольцевых или шаровых фасонных деталей (рис. 28, б);

Соединение стержней с помощью гнутых фасонок на болтах и др. (рис. 28, г); стержневые (структурные) плиты имеют следующие основные геометрические схемы:

Двухпоясная структура с двумя семействами поясных стержней;

Двухпоясная структура с тремя семействами поясных стержней;

Двухпоясная структура с четырьмя семействами поясных стержней.

Первая структура - простейшая и чаще всего применяемая в настоящее время конструкция. Она характеризуется простотой узловых соединений (в одном узле сходятся не более девяти стержней), удобна для перекрытий помещений, прямоугольных в плане. Конструктивная высота структурной плиты принитается равной 1/20 … 1/25 пролета. при обычных пролетах до 24 м высота плиты равна 0,96 … 1,2 м. если конструкция выполняется из стержней одинаковой длины, эта длина равна 1,35 … 1,7 м. ячейки структурной плиты при таких размерах могут быть перекрыты обычными кровельными элементами (холодными или утепленными) без дополнительных прогонов или обрешетки. при значительных пролетах плиты необходимо устройство прогонов под кровлю, так как при пролете 48 м высота плиты составит около 1,9 м, а длина стержней около 2,7 м. Примеры применения в строительстве структурных плит приведены на рис. 29. Сетчатые цилиндрические оболочки выполняются в виде стержневых сеток с одинаковыми ячейками (рис. 27). Простейшая сетчатая цилиндрическая оболочка образуется изгибом плоской треугольной сетки. но цилиндрическая сетчатая оболочка может быть легко получена и при ромбической форме сетки. В этих оболочках узлы располагаются на поверхности различного радиуса, что подобно двойной кривизне, повышает несущую способность оболочки. Этого эффекта можно добиться и в треугольной стержневой сетке.

Рис. 28 Некоторые виды узловых соединений в стержневых конструкциях

Сетчатые купола, имея поверхность двоякой кривизны, как правило, выполняются из стержней различной длины. форма их весьма разнообразна (рис. 27, а). Геодезические купола, творцом которых является инженер Футтлер (США), представляют собой конструкцию, в которой поверхность купола разбита на равносторонние сферические треугольники, образованные либо стержнями различной длины, либо панелями различных размеров. Сетчатые конические оболочки по конструктивному решению аналогичны сетчатым куполам, уступая, однако, им в жесткости. Преимущества их - развертывающаяся поверхность, облегчающая раскрой элементов кровельного покрытия. Геометрическая структура сетчатых конических оболочек может быть построена на формах правильных многоугольников, при этом в вершине конуса могут сходиться три, четыре или пять равносторонних треугольников. Все стержни системы имеют одинаковую длину, но углы в смежных горизонтальных поясах оболочки изменяются. Другие формы сетчатых оболочек приведены на рис.е 27, б, в, д. кровельные покрытия в пространственных стержневых конструкциях, типа структурных плит, мало отличаются от обычно используемых для стальных конструкций. покрытия сетчатых оболочек одинарной и двоякой кривизны решены по другому. При применении легких теплоизоляционных материалов эти покрытия, как правило, не соответствуют теплотехническим требованиям (зимой холодно, летом жарко). в качестве теплоизоляции можно рекомендовать оптимальный материал - пенопорис.иролбетон.

Он может быть монолитным (наливной способ устройства кровли) и сборным, может укладываться непосредственно в формы, в которых изготавливаются железобетонные сборные элементы покрытий и т.д. этот материал легкий (плотность 200 кг/м3), трудносгораемый и не требует цементной стяжки. Также применяются другие полужесткие и мягкие синтетические утеплители.

Наиболее перспективным в настоящее время следует считать применение мастичных цветных кровель, так как они одновременно с проблемой гидроизоляции решают вопросы и внешнего вида конструкций, что особенно существенно для покрытий двоякой кривизны в нашей стране применяется мастика "кровелит", позволяющая получать различные цветовые оттенки кровли (разработана ниипроектполимеркровля). В конструкциях, где поверхность кровли не видна, могут применяться рубероидный ковер или синтетические пленки и ткани. хорошие результаты дает применение кровельных пакетов из гофрированных алюминиевых рис.ов с заштампованным в них жестким синтетическим утеплителем.

Покрытие кровли из металлических рис.овых материалов нецелесообразно экономически. Водоотвод с поверхности кровель решается в каждом случае индивидуально.

5. Висячие (вантовые) конструкции

В 1834 г. был изобретен проволочный трос - новый конструктивный элемент, нашедший очень широкое применение в строительстве, благодаря своим замечательным свойствам - высокой прочности, малой массе, гибкости, долговечности. В строительстве проволочные тросы были впервые применены в качестве несущих конструкций висячих мостов, а затем уже получили распространение в большепролетных висячих покрытиях.

Развитие современных вантовых конструкций началось в конце XIX в. На строительстве нижегородской выставки 1896 г. русский инженер в.г. Шухов впервые применил пространственно работающую металлическую конструкцию, где работа жестких элементов на изгиб была заменена работой гибких вант на растяжение.

1 Висячие покрытия

Висячие покрытия применяются на зданиях практически любых по конфигурации планов. Архитектурный облик сооружений с висячими покрытиями разнообразен. Для висячих покрытий используются проволоки, волокна, стержни, выполненные из стали, стекла, пластмасс и дерева. В нашей стране с начала века построено более 120 зданий с висячими покрытиями. Отечественной наукой создана теория расчета висячих систем и конструкций с применением ЭВМ.

В настоящее время существуют покрытия пролетом около 500 м. В висячих покрытиях на несущие элементы (тросы) расходуется примерно 5-6 кг стали на 1 м2 перекрываемой площади. Вантовые конструкции имеют высокую степень готовности, а монтаж их несложен.

Устойчивость висячих покрытий обеспечивается за счет стабилизации (предварительного натяжения) гибких тросов (вант). Стабилизация тросов может быть достигнута путем пригрузки в однопоясных системах, созданием двухпоясных систем (тросовых ферм) и самонапряжением тросов при перекрестных системах (тросовых сетках). В зависимости от способа стабилизации отдельных тросов можно создать различные плиты висячих конструкций (рис. 30, 1).

Висячие покрытия одинарной кривизны - это системы из одиночных тросов и двухпоясные вантовые системы. Система из одиночных тросов (рис. 30, 1, а) представляет собой несущую конструкцию покрытия, состоящую из параллельно расположенных элементов (тросов), образующих вогнутую поверхность.

Для стабилизации тросов этой системы применяют сборные железобетонные плиты. В случае замоноличивания тросов в конструкции покрытия получается висячая оболочка. Величина растягивающих усилий в тросах зависит от их провеса в середине пролета. оптимальное значение стрелы провеса составляет 1/15-1/20 пролета. Вантовые покрытия с параллельными одиночными тросами применяют для прямоугольных в плане зданий. Располагая точки подвеса тросов к опорному контуру в различных уровнях или давая им различную стрелу провеса, можно выполнить покрытие с кривизной в продольном направлении, что позволит осуществить наружный водоотвод с покрытия. Двухпоясная вантовая система, или тросовая ферма, состоит из несущего и стабилизирующего тросов, имеющих кривизну разного знака. Покрытия по ним могут иметь небольшую массу (40-60 кг/м2). Несущий и стабилизирующий тросы связывают между собой стержнями круглого сечения или тросовыми растяжками. достоинство двухпоясных вантовых систем с диагональными связями состоит в том, что они весьма надежны при динамических воздействиях и обладают малой деформативностью. Оптимальная величина стрелы провеса (подъема) поясов тросовых ферм для верхнего пояса 1/17-1/20, для нижнего пояса 1/20-1/25 пролета (рис. 30, рис. 1, в). На рис. 31 показаны примеры вантовых покрытий одинарной кривизны. Вантовые покрытия двоякой кривизны, могут быть представлены системой одиночных тросов и двухпоясными системами, а также перекрестными системами (тросовыми сетками). Покрытия, с применением систем из одиночных тросов, чаще всего выполняют в помещениях с круглым планом и радиальным размещением тросов. Ванты крепятся одним концом к сжатому опорному кольцу, а другим - к растянутому центральному кольцу (рис. 30, рис. 1, б). Возможен вариант установки в центре опоры. Двухпоясные системы принимают аналогично перекрытиям одинарной кривизны.

Рис. 31 Примеры вантовых покрытий одинарной кривизны

В покрытиях с круглым планом возможны следующие варианты взаимного расположения несущего и стабилизирующего тросов: тросы расходятся или сходятся от центрального кольца к опорному, тросы пересекаются между собой, расходясь в центре и у периметра покрытия (рис. 30). Перекрестная система (тросовые сетки) образуются двумя пересекающимися семействами параллельных тросов (несущих и стабилизирующих). Поверхность покрытия в этом случае имеет седловидную форму (рис. 30, рис. 1, г). Усилие предварительного напряжения в стабилизирующих тросах передается на несущие тросы в виде сосредоточенных сил, приложенных в узлах пересечения. применение перекрестных систем позволяет получить разнообразные форм вантовых покрытий. для перекрестных вантовых систем оптимальная величина стрелы подъема стабилизирующих тросов составляет 1/12-1/15 пролета, а стрела провеса несущих тросов - 1/25-1/75 пролета. возведение таких покрытий трудоемко. Впервые было применено мэтью новицким в 1950 г. (северная каролина). Перекрестная система позволяет применять легкие кровельные покрытия в виде сборных плит из легкого бетона или армоцемента.

На рис. 31 и 32 представлены примеры вантовых покрытий одинарной и двоякой кривизны. Форма вантового покрытия и очертание плана перекрываемого сооружения определяют геометрию опорного контура покрытия и, следовательно, форму опорных (поддерживающих) конструкций. Эти конструкции представляют собой плоские либо пространственные рамы (стальные или железобетонные) со стойками постоянной или переменной высоты. элементами опорной конструкции являются ригели, стойки, подкосы, тросовые оттяжки и фундаменты. опорные конструкции должны обеспечивать размещение анкерных креплений тросов (вант), передачу реакций от усилий в тросах на основание сооружения и создание жесткого опорного контура покрытия для ограничения деформаций вантовой системы.

В покрытиях с прямоугольным или квадратным планом тросы (тросовые фермы) обычно расположены параллельно друг другу. Передача распора может быть осуществлена несколькими способами:

Через жесткие балки, расположенные в плоском покрытии на торцевые диафрагмы (сплошные стены или контрфорсы); промежуточные стойки воспринимают лишь часть вертикальных составляющих усилий в тросах (рис. 33, в);

Передача распора на рамы, расположенные в плоскости тросов, с передачей усилий распора непосредственно на жесткие рамы или контрфорсы, состоящие из растянутых или сжатых стержней (стоек, подкосов). Возникающие в подкосах рамных контрфорсов большие растягивающие усилия воспринимаются с помощью специальных анкерных устройств в грунте в виде массивных фундаментов или конических (полых или сплошных) железобетонных анкеров (рис. 33, б);

Передача распора через тросовые оттяжки наиболее экономный способ восприятия распора; оттяжки могут крепиться к самостоятельным стойкам и анкерным фундаментам или объединяться по несколько оттяжек на одну стойку или одно анкерное устройство (рис. 33, а).

В круговых покрытиях тросы или тросовые фермы располагаются радиально. При действии на покрытие равномерно распределенной нагрузки усилия во всех тросах одинаковы, а наружное опорное кольцо равномерно сжато. В этом случае отпадает необходимость в устройстве анкерных фундаментов. При неравномерной нагрузке в опорном кольце могут возникать изгибающие моменты, которые необходимо учитывать и не допускать избыточных моментов.

Для круговых покрытий применяют три основных варианта опорных конструкций:

С передачей распора на горизонтальное наружное опорное кольцо (рис. 33, г);

С передачей усилий в тросах на наклонное наружное кольцо (рис. 33, д);

С передачей распора на наклонные контурные арки, опирающиеся

на ряд стоек, которые воспринимают вертикальные усилия от покрытия (рис. 33, е, ж).

Для восприятия усилий в арках их пяты опирают на массивные фундаменты, либо связывают затяжками. Теория расчета ферм из тросов в настоящее время разработана достаточно полно, имеются рабочие формулы и программы для ЭВМ.

2 Подвесные вантовые конструкции

В отличие от других видов висячих покрытий в подвесных покрытиях несущие ванты находятся над поверхностью кровли.

Несущую систему подвесных покрытий составляют ванты с вертикальными или наклонными подвесками, которые несут либо легкие балки, либо непосредственно плиты покрытия.

Ванты закреплены на стойках, расчаленных в продольном и поперечном направлениях.

Подвесные перекрытия могут иметь любую геометрическую форму и выполняются из любых материалов.

В подвесных вантовых конструкциях несущие стойки могут располагаться в один, два или несколько рядов в продольном или поперечном направлениях (рис. 34).

При устройстве подвесных вантовых конструкций вместо оттяжек можно применять консольные выносы покрытий, уравновешивающих натяжение в вантах.

Несколько примеров из практического строительства.

Подвесное покрытие с кровлей из прозрачной пластмассы было построено впервые в 1949 г. над автобусной станцией в Милане (Италия). Наклонное покрытие системой вант подвешено к наклонным же несущим стойкам. Равновесие достигается специальными оттяжками, прикрепленными к краям покрытия.

Подвесное покрытие над олимпийским стадионом в Скво-велли (США). Стадион вмещает 8000 зрителей. Размеры его в плане 94,82 × 70,80 м. подвесное покрытие представляет собой восемь пар наклонных коробчатых балок переменного сечения, поддерживаемых вантами. Ванты опираются на 2 ряда стоек, установленных через 10,11 м. по балкам уложены прогоны, а по ним коробчатого сечения плиты длиной 3,8 м. несущие ванты - тросы имеют диаметр 57 мм. При проектировании подвесных конструкций существенными вопросами являются защита подвесок от коррозии на открытом воздухе и решение узлов прохода подвесок через кровлю. Для этого целесообразно применять оцинкованные канаты закрытого профиля или профильную сталь, доступную для периодического осмотра и покраски во избежание коррозии.

3 Покрытия с жесткими вантами и мембраны

Жесткая ванта представляет собой ряд стержневых элементов из профильного металла, шарнирно соединенных между собой и образующих при закреплении крайних точек на опорах свободно провисающую нить. Соединение жестких вант между собой и с опорными конструкциями не требует применения сложных анкерных устройств и высоко квалифицированной рабочей силы.

Основным достоинством этого покрытия явилась его высокая устойчивость к воздействию ветрового отсоса и флаттера (изгибно-крутильных колебаний) без установки специальных ветровых связей и предварительного напряжения. Это достигнуто благодаря применению жестких вант и повышению постоянной нагрузки на покрытие.

Висячие оболочки из различных рис.овых материалов (сталь, алюминиевые сплавы, синтетические ткани и т.д.) принято называть мембранами. Мембраны могут выполняться на заводе и доставляться на стройку свернутыми в рулоны. В одном конструктивном элементе совмещаются несущие и ограждающие функции.

Эффективность мембранных покрытий возрастает, если для повышения их жесткости вместо тяжелых кровель и специального пригруза применить предварительное натяжение. Стрела провиса мембранных покрытий принимается 1/15-1/25 пролета.

По контуру мембрана подвешивается к стальному или железобетонному опорному кольцу.

Мембрана применяется при любой геометрической форме плана. Для мембран на прямоугольном плане применяют цилиндрическую поверхность покрытия, на круглом плане - сферическую или коническую (пролет ограничен до 60 м).

4 Комбинированные системы

При проектировании большепролетных сооружений встречаются здания, в которых целесообразно применить комбинацию простого конструктивного элемента (например, балки, арки, плиты) с натянутым тросом. Некоторые плиты комбинированных конструкций известны давно. Это шпренгельные конструкции в которых пояс-балка работает на сжатие, а металлический стержень или трос воспринимает растягивающие усилия. В более сложных конструкциях появилась возможность упростить конструктивную схему и за счет этого получить экономический эффект по сравнению с традиционными большепролетными конструкциями. Арочновантовая ферма была применена при возведении дворца спортивных игр "зенит" в ленинграде. здание в плане прямоугольное размерами 72 × 126 м. несущий каркас этого зала решен в виде десяти поперечных рам с шагом 12 м и двух торцевых фахверковых стен. каждая из рам выполнялась в виде блока из двух наклонных v-образных колонн-подкосов, четырех колонноттяжек и двух арочно-вантовых ферм. ширина каждого блока 6 м. железобетонные колонны-подкосы защемлены в подошве и шарнирно примыкают к арочно-вантовой ферме. Колонны-оттяжки вверху и внизу закреплены шарнирно. уравновешивание сил распора происходит, в основном, в самом покрытии. Этим данная система выгодно отличается от чисто вантовых конструкций, которые на прямоугольном плане требуют постановки оттяжек, контрфорсов или других специальных устройств. Предварительное напряжение вант обеспечит значительное снижение моментов в арке, возникающих при некоторых видах нагрузок.

Сечение стальной арки двутавровое высотой 900 мм. Ванты выполнены из канатов закрытого типа с заливными анкерами.

Железобетонная плита, подкрепленная шпренгелями, применена для покрытия девяти секций с размерами в плане 12 × 12 м универмага в Киеве. Верхний пояс каждой ячейки системы набирается из девяти плит размером 4 × 4 м. нижний пояс выполнен из перекрестных арматурных стержней. Эти стержни шарнирно закреплены к диагональным ребрам угловых плит, что позволяет замкнуть усилия системы внутри нее, передавая на колонну лишь вертикальную нагрузку.

5 Конструктивные элементы и детали вантовых покрытий

Проволочные тросы (канаты). основной конструктивный материал вантовых покрытий - изготавливаются из стальной холоднотянутой проволоки диаметром 0,5-6 мм, с пределом прочности до 220 кг/мм2. Различают несколько типов тросов:

Спиральные тросы (рис. 35, 1, а), состоящие из центральной проволоки, на которую спирально навиты последовательно в левом и правом направлении несколько рядов круглых проволок;

Многопрядевые тросы (рис. 35, рис. 1, б), состоящие из сердечника (пенькового каната или проволочной пряди), на который навиты односторонней или перекрестной круткой проволочные пряди (пряди могут иметь спиральную свивку) в этом случае трос будет называться спирально-прядевым;

Закрытые или полузакрытые тросы (рис. 35, рис. 1, в, г), состоящие из сердечника (например, в виде спирального троса), вокруг которого навиты ряды проволок фигурного сечения, обеспечивающие их плотное прилегание (при полузакрытом решении трос имеет один ряд навивки из круглых и фигурных проволок);

Тросы (пучки) из параллельных проволок (рис. 35, рис. 1, д), имеющие прямоугольное или многоугольное сечение и связанные между собой через определенные расстояния или заключенные в общую оболочку;

Плоские ленточные тросы (рис. 35, рис. 1, е), состоящие из ряда витых тросов (обычно четырехпрядевых) с попеременной правой или левой круткой, связанных между собой одинарной или двойной прошивкой проволокой или тонкими проволочными прядями, требуют надежной защиты от коррозии. возможны следующие способы антикоррозийной защиты тросов: оцинкование, лакокрасочные покрытия или смазки, покрытие пластмассовой оболочкой, покрытие оболочкой из рис.овой стали с нагнетением в оболочку битума или цементного раствора, обетонирование.

Окончания тросов должны быть выполнены таким образом, чтобы обеспечивать прочность окончания не меньше прочности троса и передачу усилий от троса на другие элементы конструкции. Традиционный вид концевого крепления тросов - петля со сплеткой (рис. 35, рис. 2, а), когда конец троса распускается на пряди, которые вплетаются в трос. для обеспечения равномерной передачи усилия в соединении в петлю вкладывают коуш. по длине тросы сращивают также сплеткой, кроме закрытых соединений. Вместо сплетки для скрепления и сращивания тросов часто применяют зажимные соединения:

Запрессовывание обеих ветвей троса при петлевом креплении в овальную муфту из легкого металла, внутренние размеры которой соответствуют диаметру троса (рис. 35, рис. 2, б);

Винтовые соединения, когда конец троса распускают на пряди, которые укладывают вокруг стержня с винтовой нарезкой, а затем запрессовывают в муфту из легкого металла (рис. 35, рис. 2, в);

Крепление посредством хомутов (рис. 35, рис. 2, д, к), не рекомендуемых для напряженных тросов вантовых покрытий, так как они с течением времени ослабевают;

Крепление тросов с заливкой металлом (рис. 35, рис. 2, е, ж), когда конец троса расплетают, очищают, обезжиривают и помещают в коническую внутреннюю полость специальной муфты-наконечника, а затем заливают муфту расплавленным свинцом или сплавом свинца с цинком (возможна заливка бетоном);

Клиновые крепления тросов, редко применяемые в строительстве;

Стяжные муфты (рис. 35, рис. 2, г), применяемые для корректировки длины тросов при монтаже и их предварительного натяжения. Анкерные узлы служат для восприятия усилий в тросах и передачи их на опорные конструкции. в предварительно напряженных вантовых покрытиях они используются также для предварительного натяжения тросов. На рис.е 35, рис. 2, и показана анкеровка радиального троса кругового вантового покрытия в сжатом опорном кольце. чтобы обеспечить свободное перемещение троса при изменении угла его наклона, в опорном кольце и примыкающей к нему оболочке покрытия устроены конические гильзы, заполненные битумом. жесткое опорное кольцо и гибкая оболочка разделены деформационным швом.

Покрытия и кровли в зависимости от типа вантовой системы применяют тяжелую или легкую конструкцию покрытия.

Тяжелые покрытия выполняют из железобетона. их масса достигает 170-200 кг/м2, при сборных покрытиях применяют плоские или ребристые плиты прямоугольного или трапециевидного очертания. сборные плиты обычно подвешивают между тросами, а швы между плитами замоноличивают.

Легкие покрытия массой 40-60 кг/м2 обычно выполняются из крупноразмерных стальных или алюминиевых профилированных рис.ов, которы служат одновременно и несущими элементами ограждения и кровлей, если теплоизоляция отсутствует или крепится снизу. при размещении теплоизоляции поверх рис.ов необходимо устройство дополнительного кровельного покрытия. легкие покрытия целесообразно выполнять из легких металлических панелей с размещением утеплителя внутри панелей.

6. Трансформируемые и пневматические покрытия

1 Трансформируемые покрытия

Трансформируемые покрытия - это покрытия, легко поддающиеся сборке, перевозке на новое место и даже полной замене конструкции на новое конструктивное решение.

Причины развития таких конструкций в архитектуре современных общественных зданий многообразны. К ним относятся: быстрое моральное старение функций сооружений, появление новых легких и прочных строительных материалов, тенденция сближения людей с окружающей средой, тактичное вписывание сооружений в ландшафт и наконец растущее число зданий временного назначения или нерегулярного пребывания в них людей.

Для того, чтобы создать легкие сборно-разборные конструкции, потребовалось прежде всего отказаться от ограждающих конструкций из железобетона, армоцемента, стали, дерева и перейти на легкие тканевые и пленочные покрытия, позволяющие защищать помещения от погодных факторов (дождя, снега, солнца и ветра), но почти не решающих комфортно психологических задач: надежности защиты от непогоды, долговечности, теплоизоляционной функции и др. несущие функции трансформируемых конструкций выполняются различными приемами. В соответствии с этим их можно подразделять на три основные группы: тепловые покрытия, пневматические конструкции и трансформируемые жесткие системы.

2 Тентовые и пневматические конструкции

Тентовые пневматические конструкции по сути своей мембранные покрытия, но ограждающие функции выполняют тканевые и пленочные материалы, несущие функции дополняются системами из тросов и мачт, или конструкциями жестких каркасов. В пневматических конструкциях несущая функция выполняется воздухом или другим легким газом. пневматические и тентовые конструкции относятся к классу мягких оболочек и им можно придавать любую форму. особенностью их является способность воспринимать только растягивающие усилия. Для усиления мягких оболочек применяют стальные тросы, которые изготавливают из коррозиостойких сортов стали или из обычной стали с полимерным покрытием. Весьма перспективны тросы из синтетических и натуральных волокон.

В зависимости от применяемых материалов мягки оболочки можно разделить на два основных типа:

Изотропные оболочки (из металлических рис.ов и фольги, из пленочных и рис.овых пластмасс или резин, из неориентированных волокнистых материалов);

Анизотропные оболочки (из тканей и армированных пленок, из проволочных и тросовых сеток с заполнением ячеек пленками или тканями).

По конструктивному признаку мягкие оболочки имеют следующие разновидности:

Пневматические конструкции - мягкие замкнутые оболочки, стабилизированные избыточным давлением воздуха (они в свою очередь подразделяются на пневмокаркасные, пневмопанельные и воздухоопорные конструкции);

Тентовые покрытия, при которых устойчивость формы обеспечивается соответствующим выбором кривизны поверхности (несущие тросы отсутствуют);

Вантово-тентовые представлены в виде мягких оболочек одинарной и двоякой кривизны, подкрепленные по всей поверхности и по краям системой тросов (вант), работающих совместно с тентовой оболочкой;

Вантовые покрытия имеют основную несущую конструкцию в виде системы тросов (вант) с рис.овым, тканевым или пленочным заполнителем ячеек тросовой сетки, воспринимающим лишь местные усилия и выполняющим главным образом функции ограждения.

Пневматические конструкции появились в 1946 г. Пневматическим конструкциями называются мягкие оболочки, предварительное напряжение которых достигается благодаря нагнетаемому в них воздуху. Материалы, из которых они выполняются - воздухонепроницаемые ткани и армированные пленки. Они имеют высокое сопротивление растяжению, но не способны сопротивляться никаким видам напряжения. Наиболее полное использование конструктивных свойств материала Ведет к образованию разнообразных форм, но любая из форм должна быть подчинена определенным законам. Неправильно запроектированные пневматические конструкции обнаружат ошибку архитектора образованием трещин и складок, искажающих форму, или же потерей устойчивости.

Поэтому при создании форм пневматических сооружений очень важно оставаться в определенных границах, выходить за пределы которых не позволяет сама природа мягких оболочек, напряженных внутренним давлением воздуха.

В разных странах, в том числе и в нашей стране, возведены десятки пневматических сооружений различного назначения. В промышленности их применяют для различного рода складских сооружений, в сельском хозяйстве возводят животноводческие фермы, в гражданском строительстве используют под временные помещения: выставочные залы, торговые и зрелищные, спортивные сооружения.

Пневматические конструкции классифицируются на воздухоопорные, воздухонесомые и комбинированные. Воздухоопорные пневматические конструкции - это системы, в которых создается избыточное давление воздуха в тысячные доли атмосферы. Такое давление практически не ощущается человеком и поддерживается с помощью вентиляторов или воздуходувок низкого давления. Здание воздухоопорного типа состоит из следующих конструктивных элементов: гибкой тканевой или пластмассовой оболочки, анкерных устройств для подачи воздуха и поддержания постоянной разницы давления. Герметичность сооружения обеспечивается воздухонепроницаемостью материала оболочки и плотным сопряжением с основанием. Входной шлюз имеет две попеременно открывающиеся двери, что уменьшает расход воздуха при эксплуатации оболочки. Основанием воздухоопорного сооружения служит контурная труба из мягкого материала, заполненная водой или песком, которая располагается прямо на выровненной площадке. В более капитальных сооружениях делается сплошное бетонное основание, на котором укреплена оболочка. Варианты крепления оболочки к основанию разнообразны.

Наиболее простой формой сооружений воздухоопорного типа является сферический купол, напряжения в котором от внутреннего давления воздуха во всех точках одинаковы. Большое распространение получили цилиндрические оболочки со сферическими окончаниями и тороидальные оболочки. Формы воздухоопорных оболочек определяются их планом. Размеры воздухоопорных конструкций ограничены прочностью материалов.

Для их усиления применяют систему разгружающих канатов или сеток, а также внутренние оттяжки. К воздухонесомым относятся такие пневматические конструкции в которых избыточное давление воздуха создается в герметичных полостях несущих элементов пневмокаркасов. пневмокаркасы могут быть представлены в виде арок или рам, состоящих из криволинейных или прямолинейных элементов.

Сооружения, каркасом которых служат арки или рамы, покрываются тентом или соединяются тентовыми вставками. при необходимости производится стабилизация сооружения с помощью тросов или канатов. невысокая несущая способность пневмокаркаса приводит иногда к необходимости расстановки пневмоарок вплотную друг к другу. при этом сооружение приобретает новое качество, которое можно рассматривать как особую разновидность воздухонесомых сооружений - пневмопанельные. Их достоинством является совмещение несущих и ограждающих функций, высокие теплотехнические качества, повышенная устойчивость. Еще одной разновидностью является пневмолинзовое покрытие, образованное двумя оболочками, а в пространство между ними подается воздух под давлением. Нельзя не сказать о железобетонных оболочках, возведенных с помощью пневмооболочек. для этого свежая бетонная смесь укладывается на арматурный каркас, расположенный на земле по пленке пневмооболочки. Бетон закрывается слоем пленки, а в пневмооболочку, разложенную на землю подается воздух и она вместе с бетоном поднимается в проектное положение, где бетон набирает прочность. таким образом, можно формировать купольные здания, пологие оболочки с плоским контуром и другие формы покрытий.

Трансформируемые жесткие системы. при проектировании общественных зданий иногда возникает необходимость предусмотреть раздвижку покрытия и закрытия ее в случае непогоды. первым таким сооружением явился купол покрытия над стадионом в питтсбурге (сша). створки купола, скользя по направляющим, задвигались при помощи электродвигателей за две створки, жестко закрепленные в железобетонном кольце и консольно нависающие над стадионом с помощью специальной треугольной формы. В московском архитектурном институте разработано несколько вариантов трансформируемых покрытий, в частности складное перекрестное покрытие размером в плане 12 × 12 м и высотой 0,6 м из стальных труб прямоугольного профиля. Складная перекрестная конструкция состоит из взаимно перпендикулярных плоских решетчатых ферм. Фермы одного направления - сквозные жесткого типа, фермы другого направления состоят из звеньев, расположенных в промежутке между жесткими фермами.

Раздвижные решетчатые пространственные конструкции покрытий разрабатываются также в институт. Покрытие размерами 15 × 15 м высотой 2 м запроектировано в виде двух плит, опирающихся по углам. Раздвижная решетка выполняется в виде раскосной системы, состоящей из попарно пересекающихся стержней уголкового профиля, шарнирно соединенных в точках пересечения узловых деталей, шарнирно объединяющих концы раскосов. В сложенном для транспортирования положении конструкция имеет размеры 1,4 × 1,4 × 2,9 м и массу 2,0 т. При этом ее объем меньше проектного в 80 раз.

Элементы пневматических конструкций. Воздухоопорные сооружения включают в качестве необходимых элементов конструкции: собственно оболочку, анкерные устройства для крепления сооружения к грунту, крепление самой оболочки к основанию, входные выездные шлюзы, системы поддержания избыточного давления воздуха, системы вентиляции, освещения и т.п.

Оболочки могут иметь разнообразную форму. Отдельные полосы оболочки сшиваются или склеиваются. при необходимости иметь разъемные соединения используют застежки-молнии, шнуровки и т.д. Анкерные устройства применяемые для обеспечения равновесия системы, могут быть в виде балластных грузов (сборных и монолитных бетонных элементов, балластных мешков и емкостей, шлангов с водой и т.д.), анкеров (винтовых анкеров диаметром 100-350 мм, распорных и грейферных анкеров, анкерных свай и плит) или стационарных конструкций сооружения. Крепление оболочки к основанию сооружения осуществляется либо с помощью зажимных деталей или анкерных петель, либо балластных мешков и тросов. жесткое крепление является более надежным, но менее экономичным.

Практика применения пневматических конструкций воздухоопорного типа. Идея использования "воздушных баллонов" для перекрытия помещений была выдвинута еще в 1917 г. У. Ланчестером. Впервые пневматические конструкции были использованы в 1945 г. фирмой "бэрдэр" (США) для покрытий самых разнообразных сооружений (выставочных залов, мастерских, зернохранилищ, складов, плавательных бассейнов, теплиц и т.д.). Крупнейшие полусферические оболочки этой фирмы имели диаметр 50-60 м. первые пневматические сооружения отличались формами, продиктованными не требованиями архитектурной выразительности, а соображениями простоты раскроя полотнищ. За время прошедшее со дня монтажа первого пневматического купола, пневматические сооружения быстро и широко распространились во всех странах мира, имеющих развитую промышленность химии полимеров.

Однако творческая фантазия архитекторов, обращавшихся к пневматическим конструкциям, искала новые формы. в 1960 г. ряд южноамериканских столиц объехала передвижная выставка, размещенная под пневматической оболочкой. Ее спроектировал архитектор Виктор Ланди, которого следует считать все-таки первооткрывателем пневматической архитектуры, поскольку он старался привести форму в соответствие не только с функцией сооружения, но и с общим архитектурным замыслом. И, действительно, здание имело интересную эффектную форму и привлекло внимание посетителей (рис. 36). Длина здания 92 м, наибольшая ширина 38 м, высота 16,3 м. общая перекрываемая площадь 2500 м2.

Это сооружение интересно и тем, что покрытие образуют две тканевые оболочки. Чтобы удержать их на постоянном расстоянии друг от друга, использовалась градация внутреннего давления. каждая из оболочек имеет независимые источники нагнетания. пространство между наружной и внутренней оболочкой разделено на восемь отсеков для того, чтобы обеспечить несущую способность оболочки в случае местного прорыва оболочки. воздушная прослойка между оболочками является хорошей изоляцией от солнечного перегрева, что позволило отказаться от охлаждающих установок. В торцах оболочки установлены жесткие рамы, в которые вмонтированы вращающиеся двери для входа посетителей. К диафрагмам примыкают входные навесы в виде прочных воздухонесомых сводов. Эти своды служат для установки двух временных гибких диафрагм, образующих шлюз, когда в павильон вносятся громоздкие экспонаты и оборудование.

Форма сооружения и применение тканевых оболочек обеспечивают во внутренних аудиториях хорошие акустические условия. Общая масса сооружения, включая все металлические детали (двери, воздуходувки, крепления и т.д.) составляет 28 тн. при транспортировке здание занимает объем 875 м3 и помещается в одном железнодорожном вагоне. Для возведения сооружения требуется 3-4 рабочих дня при числе работающих 12. Весь монтаж производится на земле без применения кранового оборудования. Оболочка заполняется воздухом за 30 мин и рассчитана на восприятие ветровой нагрузки до 113 км/ч. автор проекта павильона архитектор В. Ланди.

Станция космической радиосвязи в Райстинге (ФРГ), выстроена по проекту инженера у. Бэрда (США) в 1964 г., имеет мягкую оболочку диаметром 48м, выполненную из двухслойной ткани дакрон с покрытием из хайпалона. Полотнища ткани в слоях расположены под углом 45 градусов друг к другу,

Что придает оболочке некоторую жесткость при сдвиге. Внутреннее давление в оболочке может находиться в пределах 37-150 мм водяного столба (рис. 36). Выставочный павильон фирмы Фуджи на всемирной выставке в Осаке (1970 г.) создан по проекту архитектора Мурата и представляет собой пример решения здания с использованием прогрессивных технических решений. Покрытие павильона состоит из 16 воздушных рукавов-арок диаметром 4 м и длиной 72 м каждая, соединенных друг с другом через 5,0 м. наружняя поверхность их покрыта неопреновой резиной. Избыточное давление в рукавах-арках - 0,08-0,25 атм. между каждыми двумя арками уложены два напряженных стальных троса для стабилизации всего сооружения (рис. 37).

Архитектор В. Ланди и инженер Бэрд запроектировали несколько пневматических куполов для всемирной выставки в Нью-Йорке 1964 г., предназначенных для размещения ресторанов. купола были скомпанованы в виде пирамиды или сфер. оболочки из ярких цветных пленок имели фантастически нарядный вид.

Покрытие летнего театра в бостоне (США) выполненное инженером У. Брендом в 1959 г., представляет собой круглую в плане дискообразную оболочку диаметром 43,5 м и высотой в центре 6 м. в край оболочки заделан трос, который в отдельных точках прикреплен к опорному кольцу из стальных профилей. избыточное внутреннее давление воздуха в оболочке поддерживается двумя непрерывно работающими воздуходувками и составляет 25 мм водного столба. масса конструкции оболочки 1,22 кг/м2. на зиму покрытие убирается.

Павильон на сельскохозяйственной выставке в Лозанне (Швейцария). Автор проекта Ф. Отто (Штутгарт), фирма "Штромейер" (ФРГ). Покрытие в виде "парусов" гиперболопараболической формы представляет собой оболочку из армированной поливинилхлоридной пленки, усиленной системой пересекающихся предварительно напряженных тросов, которые крепятся к анкерам и стальным мачтам высотой 16,5 м. пролет 25 м (рис. 38, а). Открытая аудитория на сельскохозяйственной выставке в Маркклееберге (ГДР). Авторы: объединение "Деваг", Бауэр (Лейпциг), Рюле (Дрезден). Складчатое покрытие в виде системы предварительно напряженных проволочных тросов диаметром 8, 10 и 15 мм натянутой между ними оболочки. Покрытие подвешено к 16 гибким стальным стойкам и закреплено оттяжками к 16 анкерным болтам. Покрытие рассчитано как вантовая конструкция на ветровой напор и откос равные 60 кг/м2 (рис. 38) история многовекового развития мирового строительного искусства свидетельствует о той большой роли, которую играют пространственные конструкции в общественных зданиях. во многих выдающихся произведениях зодчества пространственные конструкции являются неотъемлемой частью, органически вписывающихся в единое целое. Усилия ученых, проектировщиков и строителей должны быть направлены на создание таких конструкций, которые открывали бы широкие возможности для различной функциональной организации зданий, на совершенствование конструктивных решений не только с инженерной стороны, но и с точки зрения улучшения их архитектурно-художественных качеств. Вся проблема должна решаться комплексно, начиная с изучения физико-механических свойств новых материалов и кончая вопросами композиции интерьера. Это позволит архитекторам и инженерам подойти к решению главной задачи - массовому строительству функционально и конструктивно оправданных, экономичных и архитектурно-выразительных общественных зданий и сооружений самого различного назначения, достойных современной эпохи.

Используемая литература

1.Здания с большепролетными конструкциями - А.В. Демина

.Большепролетные конструкции покрытий общественных и промышленных зданий - Зверев А.Н.

Интернет-ресурсы:

.#"justify">.#"justify">.#"justify">.http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-129-tehnologia/96.htm - электронная библиотека.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.