Пространственные конструкции покрытий больших пролетов

Для перекрытия больших пролетов наиболее целесообразны пространственные конструкции, которые в эстетическом отношении превосходят плоские линейные конструкции — балки, фермы, рамы и арки. Пространственные конструкции выполняют в металле, железобетоне, дереве. Наиболее простые из них — это складки, т. е. пространственные балки, составленные из отдельных плоских элементов.

Рис. 4.3.1. 8. Железобетонные складчатые покрытия: а — трапециевидная складка; б — треугольная складка; в — усложненная треугольная складка;

Геометрические формы складчатых конструкций различны: отдельные складки могут иметь треугольное и трапециевидное сечение и иметь друг с другом параллельные, веерные или встречные сочетания. Складки получают применение в покрытиях пролетом до 40 м и в высоких стенах при необходимости повышения их жесткости. Получило распространение сочетание складчатых стен и покрытий с жесткими сопряжениями между ними в виде пространственной рамной конструкции. Складки используют в арочных и шатровых покрытиях для помещений с прямоугольным, трапециевидным, многоугольным или криволинейным планом.

Рис. 4.3.2. Складчатые покрытия, а — формы и габариты сечения монолитных и сборных складок; б — схемы размещения устройств верхнего света. Формы покрытий: в — параллельными складками; г — то же, веерными; д — встречными; е — складчатые рамы; примеры фрагментов покрытий; ж — встречными складками; з — сочетанием веерных и встречных складок.

Металлические складчатые покрытия, особенно, перекрестно-стержневые позволяют получить значительный архитектурный и экономический эффект при пролетах до 50 м. Такие решетчатые (перекрестно-стержневые) складки, составленные из трехметровых трубчатых стержней, при высоте 2,12 м позволяют перекрывать пролет до 30 м, а при устройстве двух и трехрешетчатой системы с увеличением высоты конструкций — до 54 м. Перекрестно-стержневая конструкция при плане помещения, приближающейся к квадрату, превращается в пространственную сетку, состоящую из перекрещивающихся поясных стержней и пространственной решетки, поставленной по диагонали квадратных ячеек.

Возможности такой конструкции (структуры) очень широки, т. к. ее можно опирать на колонны в любой точке. Модульная сетка пространственных перекрестно-стержневых конструкций строится по ортогональной (преимущественно 3Ч3 м) треугольной или шести угольной системам. Такие конструкции применяют для самых разнородных покрытий с опиранием по контуру на внутриконтурные колонны.

Рис. 4.3.3. Перекрестно — стержневые конструкции Типы перекрестно-стержневых конструкций: а — покрытия большого пролета; б — пространственная конструкция покрытия 36Ч36 м. Типы сеток и опирание: в-e — павильонные покрытия; ж — неразрезная конструкция покрытия; з, и, к — с треугольной сеткой. Применение перекрестно-стержневых конструкций: л — пространственная конструкция теплицы; м — пространственная конструкция выставочного павильона; н — рамная конструкция спортивного зала.

Для разгрузки основного пролета целесообразно устройство консольных свесов структурной плиты с вылетом консолей в 0,2 — 0,25 основного пролета. Структурные конструкции выполняют с пролетами от 18 до 200 м и применяют для перекрытий общественных зданий. Возможно применение перекрестно — стержневых конструкций в качестве несущей части стен большой высоты.

Другим примером перекрестной конструкции может служить перекрытие над зрительным залом Дворца съездов в Кремле.

Рис. 4.3.4. Схема расположения в плане конструкции перекрытия зала Дворца съездов в Кремле: 1 — распорки; 2 — главные продольные балки; 3 — пор тал сцены; 4 — главные поперечные балки; 5 — прогоны; 6 — зал приемов; 7 — зрительный зал.

Перекрытие состоит из стальных поперечных балок, с шагом 6,4 м, и двух продольных стальных балок, отстоящих от опор 12,8 м. Поперечные балки сплошные двутавровой формы, продольные — решетчатые; высота балок 3,5 м. Расстояние между осями поперечник диафрагм называемой пролетом оболочки, а между осями бортовых элементов — длиной волны. Цилиндрический свод-оболочка — безраспорная конструкция, работающая на поперечный изгиб как балка пространственной формы, свод — распорная конструкция, работающая преимущественно на осевые усилия. Для обеспечения последнего условия кривая свода принимается пологой, в то время как для повышения жесткости свода — оболочки целесообразна большая кривизна формы, наконец, продольная ось длинного цилиндрического свода — оболочки размещается параллельно перекрываемому пролету, а продольная ось свода — перпендикулярно ему. Стабильность формы цилиндрической оболочки обеспечивается торцовыми диафрагмами жесткости. Статическая работа, геометрическая форма и размещение в пространстве цилиндрического свода-оболочки существенно отличаются от работы свода. Цилиндрические и коноидальные своды-оболочки используются по большей части в многоволновых однои многопролетных сочетаниях; применяют консольные и бесконсольные, параллельные и веерные оболочки, разнообразные формы жесткости элементов.

Рис. 4.3.5. Многоволновые оболочки, а — консолированные; б — веерные; в — с серповидными диафрагмами жесткости; г — на отдельных опорах.

Рис. 4.3.6. Своды-оболочки: а-в — цилиндрические оболочки; г — свод главного павильона выставочного центра в Турине, продольный поперечный разрезы, деталь; д — свод покрытия дворца международных выставок в Ницце (Франция); е — свод автобусной стоянки в Ленинграде.

Оболочки представляют собой тонкостенные жесткие конструкции с криволинейной поверхностью. Толщина оболочек весьма мала по сравнению с другими ее размерами. Тонкостенность конструкции исключает возможность работы оболочки на поперечный изгиб и обеспечивает ее работу на осевые усилия. Геометрические и статические свойства оболочек зависят от их кривизны и ее непрерывности. Знак кривизны зависит от расположения центров радиусов кривизны по отношению к поверхности. При расположении центров по одну ее сторону имеет положительное значение, по обе стороны — отрицательное.

К оболочкам положительной гауссовой кривизны относятся все купольные оболочки (сферодид или эллипсоид вращения и т. п.), оболочки переноса (бочарные своды) и т. п. Характерным примером поверхности отрицательной кривизны является гиперболический параболоид, формируемый перемещением параболы с ветвями вверх по параболе с ветвями вниз Если поверхность оболочки в одном из направлений имеет конечную величину кривизны, а в перпендикулярном ему — нулевую, то ее называют оболочкой одинарной кривизны (цилиндрическая и коническая оболочка — коноид). Оболочки являются пространственными конструкциями как по форме, так и по существу статической работы. Их большая по сравнению с плоскостными конструкциями несущая способность определяется не дополнительным расходом материалов, а только изменением формы конструкции, способствующей повышению ее жесткости.

Большой интерес представляют сборные железобетонные оболочки двоякой кривизны, которые по расходу материалов выгоднее, чем оболочные одинарной кривизны. Распространенным типом покрытия подобного рода является пологая двояковыпуклая оболочка.

Контурными диафрагмами оболочки служат железобетонные арки, свод имеет форму многогранника. Каждая грань представляет собой ромбовидную плоскую плиту с контурным и диагональными ребрами. Свод оболочки опирается на четыре колонны, расположенные по углам, благодаря чему, площадь 1600 мІ, не имеет промежуточных опор.

К оболочкам двоякой кривизны относятся также оболочки типа гиперболических параболоидов (гипары). Это очень эффективные конструкции для покрытий больших пролетов: они дают возможность создать довольно тонкую оболочку и получить экономию в материале по сравнению с другими оболочками того же пролета. Форма гипаров в плане может быть квадратной, прямоугольной, овальной и т. д.

Рис. 4.3.7. Сетчатые конструкции.

Для перекрытия круглых в плане помещений наряду с гладкими применяют ребристые, складчатые или волнистые своды и купола.

Рис. 4.3.8. Тонкостенные оболочки двоякой кривизны, а — волнистый купол; б, в — оболочки переноса на прямоугольном и квадратном плане; г — сферическая парусная оболочка на треугольном плане; 1 и 2 — образующая и направляющая оболочки переноса; 3 — диафрагма жесткости.

Волнистые своды и купола представляют собой варианты оболочек, гладкая поверхность которых заменена волнистой. Применение волнистой поверхности может быть вызвано статическими (устройство светопрозрачных включений по боковой поверхности волн или в их торцах) или композиционными требованиями. Наибольший пролет (206 м) перекрытий такими конструкциями в здании Дворца выставок в Париже. Перекрытие опирается только на три точки и состоит из трех взаимно пересекающихся волнистых парусных фрагментов, образующих сомкнутый свод. Для повышения жесткости и устойчивости конструкции железобетонная оболочка свода выполнена двухслойной с вертикальными связями-диафрагмами.

Рис. 4.3.9. Общий вид Главного павильона Национального центра промышленности и техники в Париже. Расстояние между опорами — 205,5 м, высота оболочки в ее верхней точке — 46,3 м. Покрытие представляет собой треугольный купол, выполненный по принципу крестового свода.

Купольные покрытия являются наиболее эффективными с инженерной точки зрения, позволяя с незначительным расходом материалов перекрывать большие пространства. Конструкции куполов могут быть гладкими, ребристыми, ребристо-кольцевыми, кристаллическими, звездчатыми и т. д.

При проектировании купольных покрытий необходимо обращать внимание на создание благоприятных акустических условий, так как в залах с купольным покрытием создается концентрация отраженного звука, что вынуждает принимать дополнительные меры по звукопоглощению. Купольное покрытие состоит из оболочки купола, опорного кольца, а иногда и верхнего кольца, если вверху купола имеется центральный проем.

Висячие конструкции. Основными несущими элементами висячих конструкций являются гибкие тросы, ванты, цепи или кабели. Они работают только на растяжении и несут подвешенные к ним ограждающие горизонтальные, а иногда и вертикальные конструкции. Висячие конструкции могут быть плоскими и пространственными. В плоскостных системах помимо одиночных параллельных несущих тросов используют опорные пилоны, через которые перекинуты тросы и специальные анкерные крепления тросов к фундаментам, воспринимающим вертикальные и горизонтальные опорные реакции. В пространственных системах обязательным конструктивным элементом помимо рабочих тросов является жесткий опорный контур (железобетонный или стальной), воспринимающий распор от системы тросов, которые образуют криволинейную поверхность для укладки покрытия. Вертикальные реакции покрытия передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или другие вертикальные конструкции.

Примером одного из наиболее простых висячих покрытий является покрытие гаранта в г. Красноярске, в котором тросы подвешены к торцевым рамам, а на них уложены тонкостенные железобетонные плиты. Для обеспечения наименьшего положения несущих тросов они натянуты на разной высоте, образуя поперечный свод. Стабилизирующие тросы притягивают основную систему к бортовым элементам продольных стен. Напряжение тросов вызывает в стойках рам большее горизонтальные усилия, для восприятия которых к верхней части стен присоединены мощные заокеанские наклонные балки, на которые уложены стеновые панели.

Рис. 4.3.10. Сетчатые конструкции.

Рациональным типом составных покрытий является купольно-складчатые оболочки. Это конструкции, в верхней части которых располагаются элементы жесткости в виде центральной оболочки положительной кривизны или кольца, образующего световой проем, а в нижней — боковые складчатые оболочки, опертые по периметру (многоугольник, окружность, овал) на фундаменты или контр форсы. Такие покрытия можно использовать при пролетах до 150 м. В сборном варианте предпочтительней конструктивные схемы, в которых применяются железобетонные цилиндрические плиты 3×6 м.

Исходя из архитектуры фасада, контурными элементами могут служить арки с опиранием на фундаменты, воспринимающие распор, или арки с затяжками. В составных оболочках, опертых на колонны, чаще всего применяют контур в виде криволинейного ригеля. Особый вид представляют составные висячие покрытия. Они образуются сочетанием оболочек с различной геометрией поверхности и достаточно сложной формой плана с включением в работу ребер жесткости, контурных элементов, затяжек и др. Конструктивные схемы висячих покрытий получаются из схем полигональных оболочек. Их работа приближается к традиционным висячим конструкциям.

С целью увеличения несущей способности и пространственной жесткости создают покрытия, представляющие собой комбинации оболочек и составных складок. Комбинированные складчатые покрытия могут быть вспарушенного или висячего типа.

• — В первом случае покрытие образуют складкой и центральной оболочкой, которая подкрепляет складку, увеличивая при этом жесткость конструкции.
• — Во втором случае многоволновое покрытие, включающее центральную оболочку и боковые элементы, снабжено вантами, закрепленными на опорах. Пролеты таких конструкций могут составлять 80 — 100 м. Комбинированное покрытие в виде складки с криволинейными гранями — боковыми и торцевыми оболочками — может использоваться при пролетах 120 — 150 м. Составное покрытие комбинированного типа с циклическим планом может быть выполнено из двух концентрически расположенных на наружной и внутренней частей, представляющих собой сопряженные трапециевидные или треугольные оболочки.

Другим вариантом является купольно-складчатое покрытие в виде сопряженных складок висячего типа, снабженное радиальной системой чередующихся вант и арочных ребер. Такую систему можно скомпоновать из цилиндрических элементов или складок с поверхностью гипара. Эта конструктивная схема позволяет перекрывать пролеты 120 — 150 м.

Рис. 4.3.11. Схемы составных висячих покрытий: а — оболочка с квадратным планом (1 — колонны; 2 — боковые оболочки отрицательной кривизны; 3 — ванты; 4 -центральные криволинейные ребра; 5 — центральная оболочка положительной кривизны; 6 — наружный контур покрытия; 7 — дополнительные тросы; 8 — распорки; 9 — плиты); б — оболочка центрической композиции (1 — радиальные несущие элементы — вантовые фермы; 2 — центральное кольцо; 3 — наружное полигональное кольцо; 4 — составляющая оболочка положительной кривизны); в, г, д, е — складчатые оболочки с радиальными вантами (1 — складчатая оболочка; 2 — опора; 3,4 — верхний и нижний пояса радиальных двухпоясных вант; 5,6 — внутренние и наружные кольцевые элементы; 7 — оболочки положительной кривизны)

По законам красоты должна развиваться каждая сфера человеческой деятельности (и особенно строительная), отражающая культуру нашего общества. Долг инженера и архитектора — создавать такие инженерные сооружения, которые отражают высокие достижения одновременно и в технике, и в архитектуре. Существует много примеров, свидетельствующих о том, что не каждая форма, совершенная в техническом отношении, эстетична. Необходимо целенаправленно искать красоту, чистоту форм, пути художественного выражения конструкции. Только тогда сооружения можно рассматривать как произведение строительного искусства, как памятники, свидетельствующие об уровне нашего технического и духовного развития.