Большепролетные пространственные структуры и оболочки в эпоху «золотого века тонких оболочек» (1922-1965)

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • выдающиеся пространственные сооружения различных стран;
• • потребности современного общества в сооружениях, обладающих большой пространственной свободой форм;
• • основные принципы конструирования тентовых, пневматических, мембранных, висячих покрытий и вантовых конструкций;
• • основные принципы конструирования железобетонных, металлических и деревянных оболочек;
• • имена наиболее известных архитекторов, инженеров и ученых-механиков, внесших значительный вклад в проектирование и возведение уникальных пространственных сооружений, ставших прототипами для целого ряда последующих объектов;

уметь

• • выбрать соответствующие строительные конструкции для проектирования и возведения зданий и сооружений различного назначения;
• • использовать в реальном проектировании знание физико-механических свойств конструкционных материалов строительных конструкций;
• • выбирать рациональную форму здания из нескольких предложенных вариантов, опираясь на знание картины распределения внутренних силовых факторов, технологические и эргономические требования к сооружению;
• • ориентироваться в существующем потоке информации по архитектурно-строительным конструкциям и сооружениям различного назначения;
• • творчески перерабатывать достижения архитектурной мысли первой половины XX в.;

владеть

• • информацией по истории развития архитектуры пространственных структур;
• • пространственным воображением для создания виртуального геометрического объемного образа сооружения;
• • знаниями методов проектирования инженерных сооружений, их конструктивных элементов, включая методики инженерных расчетов систем, объектов и сооружений;
• • методами инновационного потенциала, риска коммерциализации проекта, технико-экономического анализа проектируемых объектов и продукции.

Термины и определения

Приступая к рассмотрению и изучению реально построенных пространственных структур и оболочек, приведем определения некоторых терминов, которые будут встречаться в данной главе и последующих главах.

Период времени с 1922 по 1965 г. принято называть " золотым веком тонких оболочек" , так как именно в это время появились важные инженерные решения, дававшие возможность увеличить пролеты покрытий для промышленных и общественных зданий, были построены оболочки из различных строительных материалов и разработаны методики их возведения. Наиболее известными проектировщиками и архитекторами оболочек в то время были П. Л. Нерви, Е. Торроха, Г. Инслер, А. Тедеско и Ф. Кандела.

Большепролетная пространственная структура — это сооружение, перекрывающее большую площадь без промежуточных опор, причем габаритные размеры структуры в плане равны или превышают стрелу подъема пространственной структуры. Стрела подъема — это расстояние от уровня опор пространственной структуры до ее высшей точки, не считая фонарей, надстроек и т. д. Обычно под большепролетными пространственными структурами понимают структурные плиты с перекрестными ребрами, стержневые структурные плиты и другие стержневые конструкции, структурные пластинчатые плиты, конструкции с жесткими вантами и комбинированные вантовые покрытия.

Оболочка — эго пластина, искривленная в одном или в двух взаимно ортогональных направлениях. Жесткая оболочка — это оболочка, выполненная из сплошного материала и имеющая большую жесткость па изгиб. Безмоментная оболочка — это оболочка, выполненная из сплошного материала и имеющая малую жесткость на изгиб. У тонких оболочек толщина намного меньше габаритных размеров оболочки. Оболочка считается тонкой, если Rmin > 20h, где h — толщина оболочки; R — радиус кривизны срединной поверхности оболочки. Контурные элементы представляют собой жесткие или податливые опоры, воспринимающие вес оболочки и нагрузки, действующие на нее.

Конические, цилиндрические поверхности, поверхности вращения и переноса обычно называют каноническими поверхностями. Оболочки, очерченные по другим поверхностям, называют оболочками неканонической формы.

Армоцементные оболочки — вид тонкостенных оболочек из железобетона, в состав которого входят высокопрочный цементно-песчаный раствор с армирующими сетками из тонкой проволоки диаметром 0,1−1 мм с мелкими ячейками до 1? 1 см.

Сетчатая оболочка — несущая строительная конструкция, очерченная по выбранной поверхности и состоящая из жестких стержней, соединенных в однотипных узлах. Используются сетчатые оболочки-покрытия, сетчатые оболочки-башни и сложные сетчатые оболочки, имеющие форму неаналитических поверхностей.

Висячие железобетонные оболочки состоят из совместно работающих вант, железобетонного покрытия и опорной конструкции. Основные несущие элементы в висячих оболочках — это ванты из высокопрочной стали, работающие только на растяжение. Покрытия висячих железобетонных оболочек выполняют из сборных железобетонных плит из легкого бетона, которые крепят к вантам с помощью выпусков рабочей арматуры или специальных крюков. Расчет висячих железобетонных оболочек слагается из расчета несущих вант, опорных конструкций и покрытия по вантам. Он производится как для стадии монтажа, так и для эксплуатации. Предполагается, что вертикальная нагрузка воспринимается одними вантами, работающими подобно нитям только на растяжение.

Висячими называют покрытия, в которых несущая пролетная конструкция работает на растяжение. Несущими элементами растянутых конструкций служат тросы, канаты, проволока, круглая сталь, гибкие металлические, сетки из переплетенных нитей или мембраны в виде тонких листов из металла, полимерных материалов, тканей и т. п. К висячим покрытиям относят мембранные и вантовые покрытия, висячие железобетонные оболочки и покрытия на гибких нитях и тросовых сетках.

Вантовые конструкции представляют собой системы, где ванты поддерживают или придают устойчивость соединенным с ними изгибаемым или сжимаемым жестким элементам (балкам, фермам, плитам, аркам). Если функция поддержания играет главную роль, то такие системы называют подвесными вантовыми, если же главной является функция обеспечения устойчивости, то систему называют просто вантовой. Ванта — прямолинейная нить, поддерживающая конструкции (балки, арки, фермы), непосредственно воспринимающие внешнюю нагрузку (см. рис. 1.5). Наиболее распространенной вантовой конструкцией является вантово-балочная конструкция, где балка жесткости поддерживается вантами в одной или нескольких точках. Наклонные ванты расходятся от верхней точки опорных пилонов или идут параллельно друг другу.

Тросовые сетки — висячие покрытия отрицательной гауссовой кривизны, состоящие из двух семейств взаимно пересекающихся гибких нитей и образующие четырехугольные ячейки. Провисающие нити одного семейства — несущие, другого — стабилизирующие. Оказывая при предварительном натяжении взаимное давление друг на друга, они образуют единую седловую поверхность.

Однослойное сплошное покрытие из металлических листов или полос, образующих заданную поверхность одинарной или двойной гауссовой кривизны, называется мембранным. Мембранные покрытия совмещают в себе несущие и ограждающие функции.

Плоская стержневая структура — это геометрически неизменяемая стержневая система, состоящая из стержней, лежащих в одной плоскости и соединенных между собой с помощью жестких узлов или шарниров. Стержневые пространственные структуры — это геометрически неизменяемые стержневые системы, состоящие из закономерно расположенных стержней, образующих трехмерную конструкцию.