Материал: Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий

Далее будут рассмотрены в соответствующих разделах примеры строительства оболочек с применением металла и дерева.

Оболочки бывают одинарной и двоякой кривизны.

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

Рис. 12. Наиболее распространенные формы оболочек

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

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

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

Рис. 13

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

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

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

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

Приведем примеры применения в строительстве длинных цилиндрических оболочек.

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

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

Рис. 14

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Конструкции на указанные пролеты признаны типовыми.

Применение коротких цилиндрических оболочек не требует применения подвесного потолка.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Разновидностью таких оболочек на круглом или овальном плане является купол.

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

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

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

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

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

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

.4 Купола

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

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

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

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

Рис. 16

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

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

Рис. 17

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

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

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

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

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

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

В последние годы появились первые купольные здания с раздвижной кровлей.

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

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

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

Рис. 18 Примеры куполов-оболочек, выполненных в металле

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

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