Большепролетные покрытия. 
Основы архитектуры и строительных конструкций

Большепролетные покрытия современных промышленных зданий, а также таких крупных общественных зданий, как спортивные залы, дворцы спорта, здания современных супери 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. Стальные стропильные фермы:

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. Перекрестные системы покрытий:

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; LK - 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.

Далее рассмотрим криволинейные конструкции.

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 бо? льшие 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. Криволинейные конструктивные системы:

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 — 8 м (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. Рим, Пантеон (II в. н.э.):

а — общий вид: б — разрез.

Рис. 13.53. Собор Св. Софии в Константинополе (VI в. н.э.):

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. Аквапарк в Воронеже.

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. Складки и шатры:

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. Висячие конструктивные системы:

а — плоская: б — пространственная двоякой кривизны: в — пространственная горизонтальная.

Рис. 13.57. Опоры висячего покрытия над залом в Бремене (Германия).

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. Однопоясные, сетчатые, вантовые покрытия:

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. Двухпоясные, предварительно напряженные и струнные покрытия:

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? 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. Мембранная оболочка над конькобежным центром в г. Коломне:

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. Типы пневматических покрытий:

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.