1.Ощие сведения о пространственных покрытиях

ЛЕКЦИЯ 2
Тема: ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СТЕРЖНЕВЫЕ ПОКРЫТИЯ
1.Ощие сведения о пространственных покрытиях
Пространственные большепролетные конструкции покрытия включают в себя:
1 тип - перекрестно-ребристые покрытия (структуры), стержневые конструкции, плоские складчатые покрытия;
2 тип своды, оболочки, купола;
3 тип – висячие покрытия (вантовые, мембранные, пневматические и тентовые
конструкции).
Плоские складчатые покрытия, оболочки, перекрестно-ребристые покрытия и
стрежневые конструкции (структуры) выполняются из жестких материалов (железобетон, металлические профили, дерево и др.) За счет совместной работы конструкций пространственные жесткие покрытия имеют небольшую массу, что снижает
расходы как на устройство покрытия, так и на устройство опор и фундаментов.
Висячие (вантовые), мембранные, пневматические и тентовые покрытия выполняются из нежестких материалов (металлические тросы, металлические листовые мембраны, мембраны из синтетических пленок и тканей). Они в значительно
большей степени, чем пространственные жесткие конструкции, обеспечивают снижение объемной массы конструкций, позволяют быстро возводить сооружения.
Пространственные конструкции дают возможность создавать самые разнообразные формы зданий и сооружений. Однако возведение пространственных конструкций требует более сложной организации строительного производства и высокого
качества всех строительных работ. Уже известные в мировой строительной практике
системы конструкций пространственного типа позволяют перекрывать здания и сооружения практически с любой конфигурацией плана.
Пространственные конструкции могут быть:
- плоскими (плиты),
- криволинейными (оболочки).
Плоские пространственные системы для обеспечения необходимой жесткости
должны быть двухслойными. Оболочки могут быть однослойными и двухслойными.
Наибольшее распрострвнение получили решетчатые пространственные
конструкции, образующие сетчатую систему. Однослойные конструкции имеют
криволинейную сетчатую поверхность и называются односетчатыми.
Двухслойные конструкции имеют криволинейную сетчатую поверхность и
называются односетчатыми. Двухслойные конструкции имеют две паралельные
сетчатые поверхности, соединенные между собой жесткими, решетчатыми связями.
Они получили название двухсетчатых.
В пространственных сетчатых конструкциях принцип концентрации материала
заменен принципом многосвязности системы, вследствие чего конструктивная
форма ространственных систем существенно отличается от обычных плоскостных.
Осуществлени таких конструкций обычно связано с повышением трудоемкости,
требует специальных приемов изготовления и монтажа, что является одной из
причин ограничнного применения пространственных конструкций.
2. Структуры и складки
В современном строительстве получили распространение сетчатые системы
регулярного строения, называемые структурными конструкциями.
Структурные конструкции применяются главным образом в виде плоских покрытий большепролетных общественных и производственных зданий (рис. ). Иногда применяются в криволинейных покрытиях (куполах и сводах) (рис. ).
Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрестных ферм (рис. ).
Количество пересекающихся в одном узле ферм, а также их вертикальное и
наклонное положение дают самые разнообразные структурные построения. В каждой структуре можно выделить свой многократно повторяющийся объемный элемент – так называемый кристалл.
Структуры, образованные из перекрестных ферм (рис.а), идущих в трех направлениях, имеют статически неизменяемые кристаллы, могут работать на кручение и поэтому являются наиболее жесткими. Структуры, образованные из ферм,
идущих в двух направлениях имеют статически неизменяемых кристаллы, они не
работают на кручение и поэтому менее жестки (рис. б).
Рис. Система решеток структурных покрытий: а – с поясными сетками из равносторонних треугольных ячеек; б – с поясными сетками из квадратных ячеек; в – то же,
усиленных диагоналями в угловых зонах;
1 – верхние пояса; 2 – нижние пояса; 3 – наклонные раскосы; 4 – верхние диагонали;
5 – нижние диагонали; 6 – опорный контур
Структуру из ферм, идущих в двух направлениях, можно усилить диагоналями
в угловых зонах (рис. ). С точки зрения уменьшения веса конструкции наиболее рациональной является жесткая структура образованная перекрестными фермами трех
направлений (рис. ). Однако такая система является наиболее сложной в конструктивном отношении и трудоемкости и монтаже. Исследования показали, что экономия металла при ее применении достигает 10-15%.
Системы могут быть как однопролетные, так и неразрезные многопролетные,
с опиранием на продольные опоры (стены, фермы) или на отдельно стоящие колонны с развитыми капителями в виде безбалочных покрытий.
Рациональное компоновочное решение можно получить при подвешивании
структурной плиты к вантовой системе (рис. ). В этом случае перекрытие получает
дополнительные опоры (ванты), не стесняющие перекрываемого помещения.
Рисунок. Фрагмент безбалочного структурного покрытия многопролетного здания
Стальные решетчатые складки.
При приближенных расчетах решетчатую складку можно рассматривать как
конструкцию, состоящую из отдельных ферм.
Рисунок. Складки из стальных стержней
При расчленении складки на отдельные плоские грани вертикальная сосредоточенная нагрузка раскладывается на составляющие усилия, действующие в плоскостях граней. Профиль складки может быть любым.
3. Оболочки и своды
Наиболее древняя и широко распространенная система криволинейного покрытия – сводчатое покрытие.
Цилиндрический и сомкнутый своды – простейшие формы свода, но пространство, образованное этими покрытиями, замкнуто, а форма лишена пластики.
Тонкостенные оболочки являются одним из видов пространственных конструкций и используются в строительстве зданий и сооружений с помещениями больших
площадей (ангаров, стадионов, рынков и т.п.). Тонкостенная оболочка представляет
собой изогнутую поверхность, которая при минимальной толщине и соответственно
минимальной массе и расходе материала обладает очень большой несущей способностью, потому что благодаря криволинейной форме действует как пространственная несущая конструкция.
Простой опыт с листом бумаги показывает, что очень тонкая изогнутая пластинка приобретает благодаря криволинейной форме бóльшую сопротивляемость
внешним силам, чем та же пластинка плоской формы.
По конструктивным схемам жесткие оболочки делятся на оболочки
положительной и отрицательной кривизны,
зонтичные оболочки,
своды и купола.
А.Железобетонные оболочки
Оболочки выполняются из железобетона, армоцемента, металла, дерева, пластмасс и других материалов, хорошо воспринимающих сжимающие усилия.
Рисунок. Оболочки положительной гауссовой кривизны
Оболочки положительной гауссовой кривизны могут быть одиночными (в большинстве случаев это сооружения больших, около 100 м пролетов)
или многоволновыми в одном или обоих направлениях (промышленные зд ания больших площадей с возможностью постановки промежуточных опор с
сеткой (18...36) X (18...42) м).
Наибольший интерес среди оболочек отрицательной кривизны представляют гиперболический параболоид и одно- полостной гиперболоид вращения, важнейшим свойством которых является линейчатость поверхности.
Рисунок. Покрытия из железобетонных гипаров: а - с прямолинейным контуром; б - с криволинейным
Гиперболический параболоид (гипар) получил распространение благодаря
архитектурным и конструктивным особенностям форм, большой жесткости и
несущей способности, хорошим экономическим и эксплуатационным качествам, возможности формообразования разнообразных и интересных систем,
используемых при проектировании объемно-пространственных композиций
зданий. Размеры перекрываемого плана находятся в пределах от 10 до 70 м,
достигая иногда 100 м. Гипары возводятся главным образом из железобетона.
Линейчатость поверхности позволяет упростить опалубку и армирование
конструкции. В последние годы нашли применение деревянные, металлич еские и пластмассовые оболочки, а также комбинации из этих материалов.
Гипар принадлежит к поверхностям двоякой разнозначной кривизны — центры его кривизны лежат по разные стороны поверхности.
.
Рисунок. Центрические композиции из гипаров с прямолинейным контуром: 1 —
оболочка-гипар; 2— конструкция фонаря
Пример. Первая железобетонная купол-оболочка была построена в 1925 г. в
Йене. Диаметр ее составлял 40 м, это равно диаметру купола св. Петра в Риме. Масса этой оболочки оказалась в 30 раз меньше купола собора св. Петра. Это первый
пример, который показал перспективные возможности нового конструктивного
принципа.
Оболочки имеют и еще ряд преимуществ:
– в покрытии они выполняют одновременно две функции: несущей конструкции и кровли;
– они огнестойки, что во многих случаях ставит их в более выгодное положение
даже при равных экономических условиях;
– они не имеют себе равных по разнообразию и оригинальности форм в истории архитектуры;
– наконец, по сравнению с прежними сводчатыми и купольными конструкциями, во много раз превзошли их по масштабам перекрываемых пролетов.
Железобетонные оболочки имеют круговое, эллиптическое или параболическое очертание и опираются на торцевые диафрагмы жесткости, которые могут быть
выполнены в виде стен, ферм, арок или рам. 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.
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.
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. Длинные цилиндрические оболочки целесообразно применять для покрытий больших помещений с прямоугольным очертанием в плане.
Применение длинных цилиндрических оболочек практически ограничено пролетами до 50 м. Подобные оболочки часто используются в промышленном строительстве, но находят применение в общественных зданиях.
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.
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 волно-
образным и складчатым профилям самой оболочки. Это дало возможность увеличить жесткость оболочек и снизить расход материала.
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.
Б.Стальные оболочки.
Оболочки в металле могут выполняться цельнометаллическими, где оболочка
выполняет одновременно функции несущей и ограждающей конструкции в один,
два и более слоев. При соответствующей разработке строительство оболочек может
свестись к индустриальной сборке крупных панелей. Однослойные металлические
оболочки выполняются из стального или алюминиевого листа. Для увеличения жесткости оболочек вводятся поперечные ребра. При частом расположении поперечных ребер, связанных между собой по верхнему и нижнему поясу, можно получить
двухслойную оболочку.
Жесткие оболочки могут возводиться над зданиями любой конфигурации в
плане: прямоугольной, квадратной, круглой, овальной и т.п.
Односетчатые оболочки, перекрывающие прямоугольное в плане помещение,
проектируют в виде цилиндрической поверхности, по которой расположены стержни, образующие сетки различной системы.
Наиболее проста сетка ромбического рисунка (рис. ), которую просто получить
из легких стандартных стержней. Однако ромбическая сетка, не имеющая продольных элементов, не обеспечивает необходимой жесткости конструкции в продольном
направлении.
Такая конструкция работает как свод в поперечном направлении (с пролетом
В), передавая нагрузку на продольные стены (вдоль стороны L). Распор свода должен восприниматься стенами или затяжками, соединяющими обвязки свода, укладываемые на стены.
Рисунок. Односетчатые цилиндрические оболочки
Двухсетчатые оболочки.Конструктивные схемы двухсетчатых оболочек аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит – структур (рис. ). Как и в плоских
структурах, двухсетчатые оболочки образуются системами перекресных ферм, связанных по верхним и нижним поясам дополнительными связями – решеткой.
Двухсетчатыми оболочками можно перекрывать пролеты до 500м, используя
для стержней прокатные уголковые профили из стали.
Двухсетчатые и односетчатые оболочки чаще всего проектируют в виде цилиндрической поверхности, опирающейся на продольные стены (свод) или на металлические колонны.
Отношение расстояния между сетчатыми поверхностями может быть принято
равным 1/20…1/100 при f/B=1/6…1/10. Наивыгоднейшее распределение усилий
можно получить при B=L.
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.
Купола проектируют:
сферические и многогранные,
ребристые, гладкие,
гофрированные, волнистые.
В штате Монтана (США) над зданием спортивного центра на 15 тыс. зрителей в
1956 г. был возведен деревянный купол диаметром 91,5 м со стрелой подъема 15,29
м. Несущий остов купола состоит из 36 меридиональных ребер сечением 17,5 × 50
см. Ребра опираются на выполненное из прокатных профилей нижнее опорное кольцо и на сжатое верхнее металлическое кольцо. Купол установлен на железобетонные
колонны высотой 12 м. В каждой ячейке, образованной ребрами и прогонами, по
диагонали крест-накрест натянуты стальные тяжи. Монтаж купола производился
спаренными полуарками вместе с прогонами и тяжами. Каждая полуарка длиной 45
м собиралась на земле из трех частей.
А.Стальные купола.
Купола разделяют:
- ребристые,
- ребристо-кольцевые,
- сетчатые.
Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных ребер, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами. Верхние пояса ребер в большинстве случаев образует поверхность
купола, обычно сферическую. Несущая конструкция купола может поддерживать
кровлю, выполненную в виде специальной надстройки. Тогда она может иметь более простое очертание.
Рисунок. Схемы куполов:
а – ребристый; б – ребристо-кольцевой; в – сетчатый; г – радиально-балочный
Ребристые купола являются распорными системами. Распор может быть воспринят конструкцией стен или специальным опорным кольцом (металлическим или
железобетонным).
Опорное кольцо может иметь в плане форму окружности или многоугольника с
жестким или шарнирным сопряжением в углах. Круглое кольцо проектируют при
достаточно частом расположении ребер. На нижележащие конструкции или основание кольцо укладывают свободно и должно быть закреплено лишь от горизонтального смещения при действии ветровой нагрузки.
Наиболее целесообразно устраивать жесткое многоугольное кольцо с опорами в
углах, подвижными в радиальном направлении.
Сетчатые купола из алюминия применяют в качестве покрытий резервуаров для
хранения нефтепродуктов.
Б. Деревянные купола
Пример. Цирк в Иваново. Проект цирка на 3000 мест (крупнейшего на тот
момент в СССР и в Европе) был разработан архитектором С.А. Минофьевым и ин-
женером Б.В.Лопатиным. Оба автора прошли школу промышленного проектирования в Иваново-Вознесенском государственном текстильном тресте.
Рис. Макет цирка
Проект был опубликован в мае 1931 года. Он удачно сочетал современные архитектурные формы того времени и новаторскую, но реальную по исполнению конструкцию.
Здание цирка имело небывалую по оригинальности конструкцию полусферического купола из 32 деревянных ферм-полуарок типа "Гау". Диаметр купола составлял 50 м, высота - 24,8 м. Снаружи купол имел дощатую обшивку, на которую укладывалась металлическая кровля.
Деревянный цирк проработал без единого капитального ремонта. Представления продолжались до весны 1975 года. Затем Горсовет принял решение о сносе здания. В 1977 году его взорвали. В настоящее время на этом месте стоит каменный
цирк.
В. Применение в куполах железобетона и армоцемента
Железобетонные купола могут быть гладкими или ребристыми по форме поверхности, круглыми или многоугольными по форме плана. Армоцемент предназначается для изготовления тонкослойных конструкций (оболочки, волнистые своды,
речные и морские суда, резервуары, трубы).
Дворец Спорта или Паласпорт - это еще одно здание прошлого века в квартале
Эур, выстроенное архитектором Пьером Луиджи Нерви. Дворец был создан специально для летних Олимпийских игр 1960 года (открыт в 1957 году), и имеет вместимость до 3500 человек.
Купол арены был собран в рекордно короткие сроки - всего за 40 дней. Дворец
спорта является домашней ареной ведущей римской команды по баскетболу Lottomatica Roma.
В здании присутствуют армоцементные конструкции. Армоцементные конструкции – вид железобетонных конструкций из бетона в состав, которого входит цементно-песчаный бетон с армированными сетками из тонкой проволоки диаметром
0,5…1 мм с мелкими ячейками размером до 10х10 мм.
Проволочные сетки равномерно распределены между собой, расстояние между
ними составляет 3-5 мм. Это позволяет получить достаточно однородный по свойствам материал.
Рисунок. Современный вид здания с купольным покрытием
Примеры применения волнистых куполов-оболочек
Государственный цирк в Бухаресте. Проект выполнен институтом "ПроектБухарест". Купольное покрытие конструктивно не связано с амфитеатром.
Сегменты воли купола в радиальном и поперечном направлении имеют форму
параболы. Толщина железобетонных оболочек 70…120 мм.
Купол опирается на16 столбов, связанных полигональным железобетонным
поясом на уровне верха опор.
Рисунок. Государственный цирк в Бухаресте
Купол является одной из наиболее рациональных форм покрытий, поэтому не
случайно архитекторы используют его с древнейших времен. Но только с внедрением железобетона, обеспечивающего пространственную жесткость куполов в сочетании с малой массой и высокой огнестойкостью, раскрылись новые архитектурные
возможности куполов.
Сравнивая приведенные толщины кирпичных и железобетонных куполов, К.
Зигель приводит следующие данные: купол собора св. Петра в Риме при пролете 40
м имеет приведенную толщину 1/13, выставочного зала в Париже при пролете 205 м
(1/100).