Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий

Сферическое покрытие здания Новосибирского торгового центра имеет размеры в плане 102Ч102 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 39,01Ч39,01 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).

4.5 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.

4.6 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 Ч 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 Ч 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 Ч 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 Ч 64 м, выполненного из сборных железобетонных элементов. Покрытие опирается на 24 колонны, расположенные по сторонам квадрата 48 Ч 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



Рис. 27

Угол б 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.

5.1 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.

Рис. 30

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);

Рис. 33

? 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.

5.2 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).

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 Ч 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.

5.3 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).

5.4 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 Ч 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 Ч 12 м универмага в Киеве. Верхний пояс каждой ячейки системы набирается из девяти плит размером 4 Ч 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.

5.5 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.

Рис. 35

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

6.1 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.

6.2 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 Ч 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 Ч 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 Ч 1,4 Ч 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.