Архитектура большепролетных зданий и сооружений. Конструктивные решения зданий. История большепролетных конструкций

Современные инженерные и строительные технологии позволяют возводить уникальные большепролетные сооружения и пространственные конструкции, которые имеют расстояния между несущими опорами более 40 метров, делая их надежными и функциональными. Чаще всего это бывают заводские машиностроительные и судостроительные цеха, ангары, автостоянки, стадионы, здания вокзалов, театров и галерей.

Большепролетные металлические конструкции имеют упругость, позволяют создавать разнообразные виды сопряжений для построения выразительных геометрических форм и архитектурных решений любой сложности. При этом они содержат множество концентраторов напряжений. Правильное и равномерное распределение высокой несущей нагрузки между конструктивными элементами важно, поскольку под действием естественной тяжести конструкции и вилянием внешних факторов могут возникать опасные повреждения.

Сооружения, в основе которых заложены большепролетные балки, при строительстве и в процессе эксплуатации подвержены особенному риску возникновения деформаций и трещин, в последующем ведущих к разрушению. Поэтому требуют постоянного мониторинга в реальном времени и наблюдения за их состоянием для обеспечения условий безопасности.

Типичные причины, которые вызывают проблемы большепролетных зданий:

• неграмотно проведенные геофизические и геодезические изыскания, замена экспериментальных расчетов моделированием;
• ошибки проектирования, просчеты при определении нагрузок и точек расположения геометрических центров, смещения осей, нарушения принципов прямолинейности или жесткости элементов;
• нарушение технологий изготовления или правил монтажа конструкций, неправильные узловые соединения, использование неподходящих строительных материалов (например, выбор вида стали, непригодного для конкретных условий);
• неравномерные осадочные процессы, влияющие на устойчивость и целостность фундаментов, опорных элементов, сводов и перекрытий;
• неправильная эксплуатация, ненормированные нагрузки и аварийные воздействия;
• временной износ;
• влияние неблагоприятных природных факторов (ветрового давления, смещений почвенных пластов и движения грунтовых вод, сейсмических процессов, температурно-влажностных условий, в которых происходит ржавление металлических элементов конструкций, разрушение бетона и т.д.);
• вибрации, создаваемые движением транспорта и ведущимися вблизи строительными работами.

В результате влияния этих факторов и причин происходят деформации основных опор и потеря ими несущих способностей, прогибы и смещения пролетных балок, прогрессирующие разрушения. Это создает опасность для жизни людей и приводит к экономическим потерям, связанным с необходимостью компенсации ущерба от аварий и проведением ремонта.

Мониторинг состояния объектов

Мониторинг большепролетных зданий и сооружений позволяет отслеживать физический износ, снижение несущих способностей инженерных конструкций, выявлять неблагоприятные изменения, появление дефектов и повреждений, обнаруживать опасные напряженно-деформационные состояния, контролировать их выход за предусмотренные проектом предельные значения, вовремя замечать превышения установленных коэффициентов надежности и предельно допустимых величин отклонений наблюдаемых параметров.

Мониторинг осуществляется при помощи специальных высокоточных измерительных инструментов, контрольных приборов, регистраторов значимых параметров и показателей надежности, улавливающих электромагнитные и ультразвуковые колебания, датчиков и геодезических маркеров, компьютеризированных диспетчерских пультов, автоматического оборудования и сигнальных систем оповещения.
Большепролетные здания оборудуются инженерными системами мониторинга и управления, которые информационно связаны с дежурно-диспетчерскими службами МЧС. Такие системы позволяют производить сбор данных одновременно от многих передатчиков и по разным параметрам. Эта информация стекается в единый центр, интегрируется, анализируется при помощи заданных алгоритмов и в итоге выдается схематично и наглядно оформленный результат, свидетельствующий о состоянии исследуемой конструкции.

На основе этого специалисты по мониторингу могут составлять заключения, прогнозы и отчеты с обоснованной диагностикой объектов, рекомендациями и программами эффективных мер по устранению имеющихся дефектов и дестабилизирующих факторов, минимизации рисков и угроз наступления аварийных ситуаций, их избежанию и предотвращению ущерба. В случае возникновения чрезвычайных и нештатных ситуаций, о них оперативно информируются спасательные службы.

Специалисты по инженерно-строительному мониторингу

Компания СМИС Эксперт разрабатывает системные решения для проведения оценки уязвимости и диагностики проблем большепролетных сооружений, мониторингового сопровождения строительства и эксплуатации зданий различного назначения. Имеем большой опыт и высокую квалификацию специалистов. Используем современные научные знания и инновационные технологии. Обеспечиваем профессиональный геодезический мониторинг и исследование любых видов объектов для установления степени их надежности, безопасности и долговечности. Реализуем высокоточное измерительное оборудование и приборы.

Большепролетные покрытия бывают плоскими, пространственными и пневматическими. Эти покрытия применяются в общественных и промышленных зданиях.

Плоские конструкции выполняются из балок, ферм, рам, арок, которые изготовляют из клееной древесины, стального проката, монолитного и сборного железобетона.

Железобетонные балки применяют для перекрытия пролетов до 24 м. Балки используют таврового и П-образного сечения.

Фермами и рамами (бесшарнирными и шарнирными) из дерева, стали и железобетона перекрывают пролеты до 60 м.

Бесшарнирные рамы жестко заделываются в фундамент. Они очень чувствительны к неравномерным осадкам. Поэтому их применяют на прочных и однородных грунтах. Шарнирные рамы менее чувствительны к неравномерным осадкам грунтов. Бывают одно-, двух- и трехшарнирные рамы. Одношарнирные - шарнир в середине пролета. Двухшарнирные - шарниры в опорах.

Арки - эффективные конструкции для перекрытия больших пролетов, т.к. их очертания можно приблизить к кривой давления и за счет этого оптимально использовать материал. Горизонтальные усилия (распор), возникающие в арочных конструкциях, уменьшаются при увеличении радиуса очертания арки. При этом увеличивается стрела подъема арки, а, следовательно, и строительный объем здания. Это ведет к увеличению затрат на отопление и приведенных затрат. Арки широко распространены в покрытиях спортивных зданий больших пролетов.

Пространственные конструкции - перекрестные покрытия, купола, оболочки, висячие покрытия.

Перекрестные покрытия бывают складчатые и сетчатые.

Для покрытий больших пролетов применяют складчатые покрытия из железобетона (до 50 м) и армоцемента (до 60 м). Они образуются плоскими взаимопересекающимися элементами поперек пролета. Складки бывают: прямоугольные и цилиндрические; пилообразные; в виде треугольных плоскостей; призматического типа; трапециевидного профиля и т.д.

Сетчатые покрытия из железобетона проектируют при пролетах до 50 м, а из стальных элементов - до 100 м. В этих покрытиях пересекаются железобетонные и стальные треугольники. Элементы работают в двух направлениях поэтому их высота меньше, чем балочных, - это уменьшает объем здания.

Перекрестные конструкции и системы с плоскими фермами и рамами делают открытыми внутрь помещений. Часто делают подвесные потолки, которые укрепляют к низу ферм.

Купол - наиболее древняя конструкция. Его применяли, т.к. можно подобрать такие очертания, при которых в элементах свода не возникают растягивающие усилия. В залах, где желательно создать большое воздушное пространство (рынки, спортзалы) и где нет больших текущих затрат на отопление, применяют различного вида купольные конструкции из монолитного или сборного железобетона, куполы-мембраны из стального листа толщиной 3 мм с подклеенным снизу утеплителем. Во временных залах выставок - из клеенопластиковых конструкций.

Висячие покрытия перекрывают пролеты до 100 м. Основные элементы этих покрытий работают на растяжение и передают нагрузки от покрытия на анкеры. Они имеют криволинейные очертания и представляют собой гибкие или жесткие нити, мембраны или висячие фермы. По конструктивным особенностям различают висячие покрытия: однопоясные; двупоясные; гипары (гиперболические параболоиды) и вантовые.

В висячих покрытиях несущими элементами являются стальные тросы. Они натягиваются через какую-либо опорную конструкцию и укрепляются растяжками. Достоинства висячих конструкций - экономия металла и более эффективное использование несущих элементов по сравнению с балочными и рамными конструкциями, т.к. тросы работают на растяжение. Недостатки: у висячих покрытий низкая жесткость, поэтому кровельный настил часто деформируется; трудно обеспечить отвод атмосферной влаги.

Однопоясные покрытия применяются чаще других, т.к. они технологичны в изготовлении, просты в монтаже. Ими можно придавать сооружению самую разную форму. Однопоясные покрытия состоят из системы радиальных или перекрещивающихся растяжек, которые передают горизонтальные усилия на жесткие рамы, рамы-стойки или балки-затяжки замкнутого контура. На растяжки навешивают плиты, и под этой нагрузкой нити-растяжки растягиваются. В это время между плитами омоноличивают швы, стыки заваривают. За счет упругих деформаций нитей происходит обжатие плит, и конструкция начинает работать как монолитная оболочка. В цилиндрических покрытиях создают небольшую кривизну покрова в направлении, перпендикулярном осям нитей. Это делается для отвода дождевых вод. С параболических систем в форме перевернутого купола вода поступает к центру покрытия и ее отводят внутренним водостоком. Стояки устраивают по периметру зала, а горизонтальные разводящие трубопроводы прячут в подвесном потолке. Самый простой отвод воды - с шатровых покрытий.

В двупоясных покрытиях применяют два вогнутых пояса, соединенных напряженными нитями. Наиболее распространены циркульные в плане конструкции. Нити по периметру крепят к внешнему кольцу, а в центре - к внутреннему. В зависимости от высоты центрального кольца систему можно делать вогнутой или выпуклой. Выпуклая система позволяет поднять центральную часть покрытия и за счет этого отвести воду к наружным стенам, не прибегая к горизонтальной разводке водостоков, и применить складчатую систему покрытия.

Гипары (гиперболические параболоиды) - это седловидные висячие покрытия. Они формируются в решетчатые мембраны двумя видами нитей. Одни нити несущие, а вторые - напрягающие. По периметру нити заделывают в замкнутый контур. По нитям укладывают плиты или диски. Их омоноличивают, предварительно подгружая балластом или натягивая несущие тросы домкратами. После этого напрягающие нити получают наибольшее напряжение и стыки плит, перпендикулярные этим нитям раскрываются. Их заделывают раствором на расширяющемся цементе. В результате конструкцию превращают в жесткую оболочку. Гипарами перекрывают сооружения, имеющие циркульное очертание плана.

Вантовые покрытия состоят из растянутых элементов - вант; конструкций, работающих на сжатие, - стоек и изгиб - балок, ферм, плит и оболочек. Эти покрытия могут иметь не только пространственную конструктивную схему, но и плоскую. В них используют прямолинейные стержни - ванты. Поэтому вантовые конструкции жестче, кинематические перемещения их элементов меньше, чем у других висячих покрытий.

Оболочки - одинарной и двоякой кривизны. Одинарной кривизны - цилиндрические или конические поверхности. Двоякой кривизны - выполняется в виде купола, эллипсоида. По структуре оболочки бывают: гладкие, ребристые, волнистые, сетчатые, монолитные и сборные.

Применяются еще пневматические перекрытия для перекрытия пролетов до 30 м. Они используются для временных сооружений. Бывают трех видов: воздухоопорные оболочки; пневматические каркасы; пневматические линзы. Воздухоопорные оболочки - это баллоны из прорезиненных или синтетических тканей. Внутри них создается избыточное давление воздуха. Применяются для спортивных сооружений, выставок. Пневматические каркасы - это удлиненные баллоны в виде отдельных арок с избыточным давлением воздуха. Арки соединяются в непрерывный свод с шагом 3-4 м. Пневматические линзы - это большие подушки, надутые воздухом, которые подвешиваются к жестким каркасным конструкциям. Используются для устройства летних цирков, театров.

Архитектурный облик большепролетных зданий в значительной степени определяется их ролью в композиции фрагмента окружающей городской застройки, функциональными особенностями зданий и примененными конструкциями покрытий.

Общественные функции зданий зального типа требуют выделять перед ними значительные свободные пространства различного назначения для: перемещения больших потоков зрителей перед началом или по окончании зрелищ (перед зрелищными или демонстрационными спортивными сооружениями); размещения открытой части экспозиции (перед выставочными павильонами): сезонной торговли (перед крытыми рынками) и т. д. Перед любыми из этих зданий отводят также территории для паркования индивидуальных автомашин. Таким образом, независимо от назначения здания его размещение в застройке дает возможность целостно воспринимать объем сооружения с удаленных точек зрения. Это обстоятельство определяет общие композиционные требования к архитектуре зданий: целостность и монументальность их облика и преимущественно крупный масштаб основных членений объема.

Такую особенность градостроительной роли общественных зданий зального типа часто учитывают в композиции их облика. Вспомогательные и обслуживающие помещения, которые могут быть размещены в отдельных объемах, приблокированных к основному (как, например, во Дворце спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге), по большей части не блокируют, а вписывают в основной объем здания. Для этого вспомогательные и обслуживающие помещения спортивных зданий располагают в нижних этажах или в подтрибунном пространстве, в зданиях крытых рынков и выставочных павильонов - в цокольном и подвальном этажах и т. п.

Характерными примерами реализации подобного объемно-планировочного принципа компоновки здания служат такие внешне различные объекты, как универсальный Олимпийский зал «Дружба» в Лужниках в Москве и здание спортивного центра префектуры Такамацу в Ниигате (Япония).

Зал «Дружба» имеет основной демонстрационный зал вместимостью 1,5-4 тыс. зрителей (при трансформации) с ареной 42X42 м, рассчитанной на 12 видов спорта при оптимальной видимости всех соревнований (предельное удаление 68 м). Зал покрыт пологой сферической оболочкой, опертой на 28 наклонных опор из сборно-монолитных складчатых оболочек двоякой кривизны. Наклонное расположение опор позволило увеличить габариты первого этажа и за счет этого разместить в нем четыре тренировочных зала и четыре спортивные площадки, вписанные в единый центрально-симметричный объем с ярко выраженной тектоничностью архитектурной формы ( ).

Из обоих примеров видно влияние конструктивной формы покрытия на архитектурную форму. И это не случайно, так как конструкция покрытия составляет от 60 до 100% наружных ограждений зданий.

Из числа функциональных параметров на выбор формы покрытия наибольшее влияние оказывают принятые план, вместимость, характер размещения зрительских мест (в спортивных и зрелищных зданиях) и величины пролетов покрытий ( ). В мировой практике для выставочных, многофункциональных зрительных и спортивных залов используют ограниченное число форм планов: прямоугольник, трапецию, овал, круг, многоугольник.

Однако форма плана зала и величины его пролетов не предопределяют однозначно форму покрытия. Большое влияние на ее выбор оказывают не только план, но и обусловленная функциональными особенностями форма здания. Как известно, в демонстрационных спортивных залах вместимость и расположение трибун определяют асимметричную или центрально-симметричную композицию здания, с которой должен быть согласован выбор формы покрытия. С асимметричной формой здания хорошо гармонируют висячие покрытия, с осесимметричной - как сводчатые, так и висячие. Для центричных в плане зданий применимы центричные же конструкции покрытий ( , ).

Окончательный выбор формы покрытия помимо функциональных определяется конструктивными, технологическими, технико-экономическими и архитектурно-художественными требованиями. Согласно последним, конструкция уникального большепролетного здания должна способствовать созданию выразительной тектоничной, индивидуальной, масштабной архитектурной формы. Внедрение пространственных висячих конструкций и конструкций из жестких оболочек дало беспрецедентные и многовариантные архитектурные возможности. Комбинируя различные типы, число, размеры элементарных оболочек, архитектор с помощью конструктора может добиться требуемого масштабного членения формы и индивидуализации ее облика, оригинально разместить проемы верхнего света в покрытии.

Так, например, только для покрытия треугольного в плане помещения могут быть применены пологая оболочка на выпуклом контуре, комбинированное покрытие из четырех треугольных в плане оболочек положительной кривизны, из трех - отрицательной и одной - положительной кривизны и т. д. Одним из наиболее оригинальных по конструкции и выразительных по архитектурной форме является покрытие треугольного в плане выставочного здания в Париже комбинированной оболочкой в виде сомкнутого из трех лотков свода пролетом 206 м. Лотки состоят из двух волнистых оболочек, раскрепленных через каждые три волны диафрагмами жесткости. Использование волнистой формы позволило решить не только чисто конструктивную задачу (достигнуть устойчивости тонкой оболочки), но и обеспечило масштабность композиции этого уникального здания, а традиционная для архитектуры камня система сомкнутого свода получила индивидуальную и остро современную тектоническую трактовку. Столь же индивидуальной и современной оказалась композиционная трактовка железобетонного крестового свода покрытия над квадратным планом здания крытого Олимпийского катка в Гренобле.

Естественно, однако, что в наибольшей степени современный характер архитектуре большепролетных покрытий железобетонными жесткими оболочками придают присущие только им комбинации геометрических форм в виде волнистых куполов и сводов, элементарных или комбинированных фрагментов оболочек с поверхностями отрицательной кривизны или комбинации из оболочек произвольной геометрической формы.

Архитектурно-композиционные возможности висячих систем покрытий непосредственно связаны с их конструктивной формой, возможностями ее индивидуализации и тектоничного выявления в объемной форме здания. В этом отношении наибольшими возможностями обладают висячие покрытия шатрового типа, покрытия на пространственном контуре, а также различные варианты комбинированных висячих систем. В чрезвычайном разнообразии внешнего облика зданий, которое обеспечивает применение висячих покрытий на замкнутом пространственном контуре, можно убедиться, сопоставив такие олимпийские объекты Москвы, как крытый велотрек и спортивный зал в Измайлове. К сожалению, мало способствует индивидуальности внешнего облика здания применение ряда технически наиболее эффективных висячих конструкций, например одно- или двухпоясных систем с горизонтальным кольцевым опорным контуром над круглыми или эллиптическими в плане зданиями. Несущая конструкция с малой стрелой провиса не выявляется во внешней форме здания, а в интерьере обычно бывает скрыта подвесными потолками или осветительными установками. Здания с покрытиями такого типа обычно имеют композицию в виде круглого периптера, антаблемент которого - кольцо опорного контура, а колонны - поддерживающие его стойки (Дворец спорта «Юбилейный» и Олимпийский зал в Санкт-Петербурге, Олимпийский дворец спорта на проспекте Мира в Москве и др.).

Наряду с несущими конструкциями покрытий в композиции зальных общественных зданий значительную роль играют наружные, как правило, ненесущие стены. Образным выражением их ненесущей функции может служить выполнение их с незначительным отклонением от вертикали, придающее зданию характерный силуэт (сужающийся или расширяющийся книзу).

Значительную часть поверхности наружных стен зальных зданий занимают светопрозрачные витражные конструкции. Их композиционные свойства и членения обогащаются при сочетании в конструкции двух-трех светопрозрачных материалов, например профильного и листового стекла.

Конструктивные решения металлических покрытий большепролетных зданий могут быть балочными, арочными, пространственными, висячими Байтовыми, мембранными и др. Учитывая, что в таких конструкциях основной нагрузкой является собственный вес, следует стремиться к его уменьшению, что достигается применением сталей повышенной прочности и алюминиевых сплавов.

Балочные системы (как правило, фермы) включаются в состав поперечных рам, что улучшает статическую схему работы. При пролетах более 60-80 м целесообразно использовать арочные покрытия (рис. 1). Такие покрытия при больших пролетах целесообразно проектировать предварительно-напряженными. В арочном покрытии, представленном на рис. 2, верхний пояс предусмотрен жестким, а нижний пояс и решетка арки выполнены из тросов. После монтажа арки осуществляют принудительное смещение опорных узлов наружу, что вызывает предварительное растяжение в нижнем поясе и раскосах арки.

Рисунок 1. 1 - арка; 2 - затяжка; 3 - неподвижная шарнирная опора; 4 - подвижная шарнирная опора

Рисунок 2. 1 - трос; 2 - жесткий пояс

Пространственные решетчатые конструкции покрытий могут быть плоскими двухслойными (двухсетчатыми) и криволинейными однослойными (односетчатыми) или двухслойными. В двухсетчатых конструкциях две параллельные сетчатые поверхности соединяются между собой решетчатыми связями.

Сетчатые системы регулярного строения называются структурными и применяются, как правило, в виде плоских покрытий. Они представляют собой различные системы перекрестных ферм (рис. 3). Структурные плоские перекрытия благодаря большой пространственной жесткости имеют небольшую высоту (1/16-1/20 пролета), ими можно перекрывать большие пролеты. Устройством консольных свесов за линией опор достигается уменьшение изгибающих моментов и веса покрытия.

Рисунок 3. 1,2 - верхняя и нижняя поясные сетки; 3 - раскосы; 4 - тетраэдр; 5 - октаэдр; 6 - опорная капитель

Криволинейные пространственные покрытия имеют, как правило, цилиндрическую или купольную поверхность.

Цилиндрические покрытия могут быть односетчатыми или двухсетчатыми (криволинейные структуры). Они в поперечном направлении работают как свод, распор которого воспринимается стенами или затяжками.

Купольные покрытия могут иметь ребристую (или ребристо-кольцевую) конструктивную схему (рис. 4а) или сетчатую (рис. 4б). В ребристых куполах радиально расположенные ребра соединены между собой кольцевыми прогонами. Если последние составляют с ребрами единую жесткую пространственную систему, то тогда кольцевые прогоны работают не только на местный изгиб, но в составе купольной системы воспринимают также кольцевые сжимающие или растягивающие усилия. В сетчатых куполах в состав конструкции кроме ребер и кольцевых элементов входят раскосы, что создает условия, при которых стержни работают только на осевые усилия.

Рисунок 4. а - ребристое; б - сетчатое

Висячие покрытия состоят из опорного контура и основных несущих элементов в виде вант или тонких стальных листов, работающих на растяжение. Поскольку основные элементы покрытия работают на растяжение, их несущая способность определяется прочностью (а не устойчивостью), что позволяет эффективно использовать высокопрочные канаты или листовую сталь. Такие покрытия весьма экономичны, однако повышенная деформативность ограничивает их применение для покрытий производственных зданий. Кроме того, учитывая большую распорность таких систем, форму в плане целесообразно принимать круглой, овальной или многоугольной, что облегчает восприятие распора. В связи с этим они применяются, в основном, для покрытий спортивных зданий, крытых рынков, выставочных павильонов, складов, гаражей и других зданий больших пролетов.

В состав вантовых висячих покрытий входят гибкие ванты (стальные канаты или арматурные стержни), располагаемые в радиальном направлении (рис. 5а), в ортогональных направлениях (рис. 5б) или параллельно друг другу в одном направлении (рис. 6). Криволинейные замкнутые опорные контуры работают преимущественно на сжатие, а центральное кольцо - на растяжение. В этих случаях на поддерживающие покрытие конструкции (стены, колонны, рамы) передаются только вертикальные силы. В отличие от этого при незамкнутых контурах распор передается на несущие конструкции здания, что требует устройства анкерных фундаментов, работающих на выдергивание, или стен с контрфорсами и т. п. На систему вант укладываются плиты из легкого железобетона или металлические с полимерным утеплителем, трехслойные и др.

Рисунок 5. а - радиальное расположение вант; б - ортогональное; 1 - ванты; 2 - опорный контур; 3 - центральное кольцо

Рисунок 6. 1,2 - ванты соответственно в середине и в торце; 3 - опорный контур; 4 - железобетонные плиты; 5 - анкерный фундамент

Системы висячих вантовых покрытий отличаются большим разнообразием. Нередко применяют шатровую вантовую систему, при которой центральное кольцо покоится на колонне и поднимается на более высокую отметку, чем опорное контурное.

Примером такой системы может служить покрытие автобусного парка в Киеве диаметром 161м. Описанные выше системы являются однопоясными. Кроме них применяются также двухпоясные системы (особенно при больших ветровых нагрузках), в которых стабилизация покрытия осуществляется с помощью контура обратной кривизны. В таких системах несущие ванты имеют выгиб вниз, а стабилизирующие - вверх. Стабилизирующие ванты с установленным на них настилом могут быть расположены над несущими, что вызывает сжатие распорок (рис. 7а). При расположении стабилизирующих тросов под несущими вантами связи между ними будут растянутыми (рис. 7б). Возможен и третий вариант, при котором несущие и стабилизирующие тросы пересекаются, а стойки сжаты в средней части покрытия и растянуты - в крайних (рис. 7б).

Рисунок 7. 1 - стабилизирующие ванты; 2 - стойки; 3 - несущие ванты

Большое распространение в зарубежной и отечественной практике получили также висячие тонколистовые системы - мембранные покрытия.

Они представляют собой пространственную конструкцию из тонкого металлического листа (стального или из алюминиевых сплавов) толщиной в несколько миллиметров, закрепленного по периметру в опорном контуре. Их преимущества состоят в совмещении несущей и ограждающей функций, а также в повышенной индустриальности изготовления. В некоторых случаях вместо сплошной мембраны покрытие образуется из отдельных, не соединяемых друг с другом, тонких стальных лент. Располагаемые в двух взаимоперпендикулярных направлениях ленты могут переплетаться, что предотвращает их расслаивание.

Сплошное мембранное покрытие успешно применено для универсального стадиона на проспекте Мира в Москве, размеры, в плане которого достигают 183x224 м (рис. 8).

Рисунок 8. Конструктивная схема покрытия универсального стадиона на проспекте Мира в Москве (стальная мембрана толщиной 5 мм): а - план; б - продольный разрез; в - поперечный

В состав спортивного комплекса, построенного в г. Бишкеке, входит зал на 3 тысячи зрителей, покрытие которого решено в виде предварительно напряженной мембранно-балочной висячей системы (рис. 9). Каркас здания выполнен из монолитного здания железобетона в виде раскосных ферм, расположенных по периметру размерами в плане 42,5x65,15 м. Покрытие состоит из собственно мембраны толщиной 2 мм, продольных прогонов и поперечных балок - распорок. Утеплитель в виде минераловатных матов подвешен к мембране снизу, потолок выполнен из штампованных алюминиевых элементов.

Мембранные покрытия использованы и в ряде других большепролетных зданиях. Так, в Санкт-Петербурге универсальный спортивный зал диаметром 160 м перекрыт мембранной оболочной толщиной 6 мм. Подобными оболочками перекрыты также универсальный спортивный зал с размерами в плане 66x72 м на 5 тысяч зрителей в Измайлово (Москва), здание плавательного бассейна «Пионер» с размерами в плане 30x63 м в Харькове и др.

Складчатые своды покрытий - пространственная конструкция, которая может быть выполнена из металла (стали, алюминиевых сплавов), железобетона, пластмасс.

Особенно эффективны такие покрытия из алюминиевых сплавов. Основным конструктивным элементом в последних может служить лист ромбовидной формы (рис. 10), согнутый вдоль большей диагонали. Сопряжения ромбовидных элементов между собой может осуществляться при помощи цилиндрических шарниров или жесткими фланцевыми сочленениями. Для повышения пространственной жесткости покрытия (особенно при шарнирных сопряжениях) необходимо

предусматривать установку продольных затяжек по выступающим узлам складчатого свода.

Рисунок 9. 1 - каркас здания; 2 - мембрано-балочная висячая система

Рисунок 10.

Большепролетные покрытия современных промышленных зданий, а также таких крупных общественных зданий, как спортивные залы, дворцы спорта, здания современных супер- и гипермаркетов, могут проектироваться как большепролетные плоскостные или пространственные конструкции. Они различаются по характеру своей статической работы. В плоскостных конструкциях все элементы работают под нагрузкой автономно, как правило, в одном направлении и не участвуют в работе соединенных с ними конструкций. В пространственных конструкциях все или большинство элементов работают совместно в двух направлениях. Благодаря такой совместной работе повышаются жесткость и несущая способность конструкции, снижается расход материалов на ее возведение.

Большепролетными плоскостными конструкциями являются балки и фермы покрытия. Балки могут быть прямоугольного и двускатного очертания. Нижний пояс балки работает на растяжение, а верхний – на сжатие. Поэтому в нижнем поясе должна размещаться основная рабочая арматура, а сечение верхнего пояса должно иметь большую площадь бетона, хорошо работающего на сжатие. На опорах балки должны быть утолщены для восприятия максимальной поперечной силы от опорных реакций. Об этом будет рассказано в соответствующих курсах строительной механики и конструкций. Пролеты балок не превышают 18 м.

Пролеты 15, 18, 24 м и более перекрываются стержневыми плоскостными конструкциями – стропильными фермами. На рис. 13.48 показаны типы ферм, различающиеся по форме и, в какой-то степени, по статической работе. Фермы могут быть железобетонными, стальными и деревянными. Примером деревянных стропильных ферм могут служить фермы, запроектированные и построенные инженером А. А. Бетанкуром для перекрытия 24-метрового пролета Центрального выставочного зала в бывшем Манеже на Манежной площади в Москве, которые после восстановления от пожара хорошо виды в интерьере.

Рис. 13.48.

а – основные типы ферм; б – узел опирания на колонну фермы с параллельными поясами при "нулевой" привязке (по внешней грани колонны); в – то же, полигональной при привязке 250 и 500 мм; г – то же, треугольной при "нулевой" привязке; 1 – надопорная стойка; 2 – колонна; 3 – ригель фахверка

Наряду с древнейшими стержневыми стоечно-балочными системами каркасных зданий с середины XX в. внедрены пространственные перекрестные стержневые системы.

Перекрестные стержневые системы образуются из линейных взаимно пересекающихся под углом 90 или 60° элементов (ферм или балок), которые образуют прямоугольную, треугольную или диагональную сетку (рис. 13.49). Совместная пространственная работа пересекающихся линейных элементов существенно повышает жесткость конструкции. По сравнению с обычными покрытиями из отдельных плоскостных элементов конструктивную высоту покрытия можно уменьшить более чем в два раза. Применение перекрестных стержневых систем наиболее целесообразно для перекрытия квадратных, круглых и многоугольных в плане помещений с пропорциями от 1: 1 до 1: 1,25. Для разгрузки основных пролетов целесообразно устройство консольных свесов перекрестного покрытия в 0,20–0,25 величины основного пролета.

Рис. 13.49.

а – ж – схемы перекрестных систем; з – к – положение опор под перекрестной системой; л – перекрестно-стержневое покрытие; м – варианты опирания и типы опор; L – пролет конструкции; L K – вылет консоли; 1 – опоры; 2 – окаймляющий несущий элемент (балка или ферма); 3 – стержень; 4 – коннектор; 5 – опора перекрестно-стержневой системы

Различают перекрестно-ребристые и перекрестно-стержневые системы. Перекрестно-ребристые выполняют из металлических или из железобетонных бачок или из досчатых элементов. Перекрестно-стержневые конструкции выполняют главным образом из металла в виде систем из двух или четырех плоских решетчатых дисков, раскрепленных в двух направлениях наклонными стержнями, которые образуют ряд одинаковых пирамид с вершинами внизу, раскрепленными стержнями нижнего решетчатого диска.

Арка представляет собой плоско-пространственную конструкцию в виде балки криволинейного (циркульного, параболического и др.) очертания (рис. 13.50, а). Эго как бы промежуточный тип конструкции между плоскостными и пространственными. В арках возникают в основном сжимающие и только при определенных условиях изгибающие усилия. Поэтому арками можно перекрывать значительно бо́льшие пролеты, чем балками. Однако в отличие от балок арки передают на опоры не только вертикальные, но и горизонтальные силы – растр. Поэтому опоры должны быть мощными, укреплены контрфорсами. Распор можно погасить также затяжками, стягивающими пяты арки и работающими на растяжение.

Цилиндрический свод (рис. 13.50, 6) – пространственная конструкция, составленная из множества арок, имеющая кривизну в одном направлении. Образующей в цилиндрическом своде является прямая, которая образует криволинейную поверхность по направляющей (по дуге арки). Такая поверхность удобна в строительном деле, так как для ее изготовления можно применять простую опалубку из прямых досок, укладываемых по криволинейным "кружалам".

Пересечение двух цилиндрических сводов с одинаковой стрелой подъема (f ) образует крестовый свод , состоящий из четырех равновеликих частей цилиндрического свода – распалубок и имеющий четыре опоры (рис. 13.50, в).

Рис. 13.50.

а – арка; б – цилиндрический свод; в – крестовый свод; г – сомкнутый свод: д – купол; е – парусный свод; ж – пологая оболочка; з – бочарный свод; и – лотковый свод; к – поверхность в форме гиперболического параболоида; л – покрытие из четырех оболочек в форме гиперболического параболоида; 1 – затяжка; 2 – распалубка; 3 – щека

Сомкнутый свод также образуется из четырех одинаковых частей поверхности цилиндрического свода, называемых лотками или щеками, но опирающихся по всему периметру перекрываемой площади (рис. 13.50, г).

Разнообразные виды сводчатых конструкций применялись в архитектуре Древней Персии. Большого расцвета они достигли в эпоху Древнего Рима и Византии (I в. до н.э. – IV в. н.э.). Возводились эти конструкции из кирпича, тесаного камня и бетона. Дальнейшее развитие они получили в эпоху романики и готики (XI–XV вв.). Стрельчатые готические арки и своды были занесены в Европу во время крестовых походов. Они были характерны для архитектуры Арабского халифата (VII–IX вв.). В современной строительной практике сводчатые конструкции выполняются из железобетона, армоцемента, а арочные – из железобетона, стали и дерева. В строительной механике такие конструктивные элементы называются оболочками .

Если половину арки вращать как образующую вокруг вертикальной оси, то получим купол (рис. 13.50, д). Поверхность купола имеет кривизну в двух направлениях. Оболочки, имеющие кривизну в двух направлениях, называются оболочками двоякой гауссовой кривизны (Карл Фридрих Гаусс – великий математик). Производной купола является парусный свод (парусная оболочка), который в отличие от купола опирается только на четыре опоры и перекрывает пространство, квадратное в плане (рис. 13.50, е).

Пологие оболочки двоякой положительной гауссовой кривизны (рис. 13.50, ж) находят широкое применение в строительстве современных общественных и промышленных зданий. К таким оболочкам относятся также оболочки переноса: бочарный и лотковый своды. Их поверхности образуются путем движения (переноса) кривой по другой кривой, расположенной в плоскости, перпендикулярной к плоскости первой кривой (рис. 13.50, з, и).

Особую группу криволинейных конструкций представляют оболочки двоякой отрицательной гауссовой кривизны в форме гиперболического параболоида , или гипара (рис. 13.50, к). Его поверхность образуется движением параболы ветвями вверх по параболе ветвями вниз, т.е. параболы имеют разные знаки. Лотковый свод также может иметь форму гиперболического параболоида. Гиперболический параболоид относится к числу линейчатых поверхностей и может быть образован путем применения прямолинейных конструктивных элементов. Из части параболоида, выделенной на рис. 13.50, к , можно путем различных комбинаций получить оригинальные виды оболочек (рис. 13.50, л ).

Полной (или гауссовой) кривизной поверхности К называется величина, обратная произведению радиусов кривых направляющей и образующей поверхности, т.е. .

В случае, когда оба радиуса имеют одинаковые знаки, т.е. их центры находятся с одной стороны от поверхности, величина К будет положительной (рис. 13.51, а). Во втором случае (рис. 13.51, б) значение К – отрицательное, так как радиусы имеют разные знаки. Поверхность называется поверхностью отрицательной гауссовой кривизны.

Рис. 13.51. Поверхности положительной (а) и отрицательной (б) кривизны

Оболочки двоякой кривизны являются распорными конструкциями. В большинстве типов сводов-оболочек распор направлен наружу. В гинарах и лотковых сводах он направлен вовнутрь. Это значит, что для восприятия распора в оболочках положительной кривизны и цилиндрических необходимо устраивать затяжки, как в арках. Вместо них можно применять диафрагмы по торцам и внутри длинных цилиндрических оболочек или опирать эти оболочки на мощные опоры, иногда усиливаемые контрфорсами.

Технические возможности применения камня в купольных сооружениях были исчерпаны в 1 тыс. н.э. при перекрытии здания Пантеона в Риме куполом диаметром 43,2 м. Купол опирается на кольцевую стену, толщина которой для погашения распора – 8м (рис. 13.52). Другим непревзойденным купольным сооружением древности является купол храма Св. Софии в Константинополе диаметром 31,5 м. Этот купол опирается через систему из четырех сферических парусов только на четыре опоры (рис. 13.53). В отличие от массивной стены в Пантеоне в храме Св. Софии распор купола передается через арки и полукупола на смежные пролеты (нефы), пространственная жесткость которых и позволяет выдержать горизонтальную составляющую распора.

Рис. 13.52.

а – общий вид: б – разрез

Рис. 13.53.

а – общий вид; б – план; в – аксонометрия несущих конструкций; 1 – арочные устои, воспринимающие распор покрытия в поперечном направлении; 2 – парус; 3 – купол; 4 – полукупола, воспринимающие распор в продольном направлении

В XX в. изменились геометрические параметры куполов и оболочек. Устойчивость каменной конструкции купола требовала, чтобы стрела его подъема составляла около половины его диаметра. Железобетон позволил уменьшить стрелу подъема до 1/5–1/6 диаметра и одновременно достичь такой тонкостенности куполов, которая превосходит тонкостенность биологических структур. Так, отношение толщины к диаметру у оболочки покрытия большого олимпийского дворца спорта в Риме, построенного в 1959 г. выдающимся инженером-архитектором Пьетро Луиджи Нерви, равно 1/1525. У куриного яйца оно составляет 1/100.

Применение железобетона и металла для сводов-оболочек положительной и отрицательной гауссовой кривизны позволяет делать их очень легкими и создавать новые архитектурные формы. На рис. 13.54 показано здание аквапарка в г. Воронеже, покрытое оболочкой в форме гиперболического параболоида. Железобетонная оболочка на прямоугольном плане стоит на двух "ногах" – основных опорах, расположенных в двух противоположных ее углах. Опоры воспринимают нормальные усилия от бортов и передают вертикальную реакцию на грунт, а горизонтальную составляющую – через подкос на затяжку, находящуюся в подвале сооружения. Восприятие несимметричных загружений обеспечивают металлические конструкции витражей. Остекленные стены придают зданию впечатление легкости и оригинальности.

Рис. 13.54.

Комбинированные оболочки начиная с последней трети XX в. получили широкое применение для покрытия большепролетных зданий. Они комбинируются из фрагментов оболочек с одинаковыми или разными знаками кривизны. Такие комбинации позволяют добиться выгодных технических параметров (например, уменьшение стрелы подъема) и получить индивидуальную выразительность архитектурных сооружений с различной формой плана. Наряду с покрытиями залов такие оболочки эффективны для применения в инженерных сооружениях – башнях, резервуарах и т.п.

Особую группу пространственных конструкций представляют складчатые конструкции (складки). Складки состоят из плоских или криволинейных тонкостенных элементов треугольного, трапециевидного или другой формы сечения (рис. 13.55). Они позволяют перекрывать большие пролеты (до 100 м), экономно используют материалы и часто определяют архитектурно-художественную выразительность сооружения. Складки, так же как и цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны, являются распорными конструкциями. Поэтому по торцам во всех волнах складки, или в одной, или нескольких волнах необходимо устраивать диафрагмы жесткости или горизонтальные стержневые связи, работающие на растяжение.

Рис. 13.55.

а, б – призматические пилообразные и трапецеидальные; в – пилообразные из треугольных плоскостей; г – шатер с плоским верхом; д – складка-капитель; е – складка-шатер со спущенными краями; ж – многогранный шатер; з – к – многогранные складчатые своды; л – многогранный складчатый купол; м – сборное складчатое призматическое покрытие; н – сборная складка из плоских элементов

Висячие конструкции известны с середины XIX в. Но широко применяться они стали на 100 лет позже. Основными несущими элементами в них являются гибкие тросы, цепи, кабели (ванты), воспринимающие только растягивающие усилия. Висячие системы (рис. 13.56) могут быть плоскими и пространственными. В плоских конструкциях опорные реакции параллельных рабочих тросов передаются на опорные пилоны, способные воспринять вертикальные опорные реакции и распор, который в этом случае действует в направлении, противоположном распору в выпуклых оболочках. Поэтому для его восприятия в некоторых случаях применяются оттяжки (см. рис. 13.56, а), надежно заделанные в земле с помощью анкеров – специальных элементов, способных выдержать выдергивающие усилия. Иногда отрицательный распор воспринимается самой формой опорных конструкций, как, например, в спортивном зале в Бремене (Германия) (рис. 13.57). Здесь опорные конструкции выполнены в виде трибун, уравновешивающих этот распор.

Рис. 13.56. :

а – плоская: б – пространственная двоякой кривизны: в – пространственная горизонтальная

Рис. 13.57.

К основной конструкции при помощи растянутых тросов подвешивается ограждающая конструкция покрытия. Ограждающая конструкция может быть выполнена также из монолитного железобетона или из сборных железобетонных плит, которые играют также роль пригрузочных элементов, препятствующих обратному выгибу таких покрытий при ветровом "отсосе", т.е. ветровой нагрузке, направленной снизу вверх. Для обеспечения геометрической неизменяемости таких конструкций используют различные способы их стабилизации. В вышеописанных плоских системах часто прибегают к предварительному напряжению путем укладки поверх плит дополнительного пригруза. После удаления пригруза тросы, пытаясь сократиться до первоначальной длины, обжимают замоноличениое железобетонное покрытие, превращая его в висячую вогнутую жесткую оболочку. Водоотвод с кровли в таких конструкциях осуществляется регулированием натяжения вант покрытия (более сильное – в центре здания, более слабое – по торцам).

Пространственная висячая конструкция (рис. 13.58) состоит из опорного контура и из системы тросов, образующих поверхность, по которой может быть уложена ограждающая конструкция. Опорный контур (железобетонный или стальной) воспринимает распор от системы тросов. Вертикальные нагрузки передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или на другие конструкции. Для стабилизации пространственных висячих конструкций часто применяют две системы тросов – рабочих и стабилизирующих (двухпоясная конструкция). Тросы обеих систем располагаются попарно в плоскостях, перпендикулярных поверхности покрытия, и соединяются друг с другом жесткими распорками, создающими предварительное напряжение тросов. В статической работе такой системы ограждающая конструкция покрытия не участвует и может быть устроена по несущим (провисающим) или по стабилизирующим (выпуклым) тросам (рис. 13.59).

Рис. 13.58.

а – покрытие арены в США; б – покрытие певческой эстрады в Таллине; в – вантовая преднапряжная сетка с тросами-подборами; г – сетчатое многомачтовое покрытие выставочного павильона ФРГ на Всемирной выставке 1967 г. в Монреале; д – его план с горизонталями; 1 – несущие ванты; 2 – предварительно напряженные стабилизирующие ванты; 3 – две пересекающиеся наклонные арки – опорный контур; 4 – оттяжки, используемые как каркас ограждения; 5 – передняя наклонная арка; 6 – задняя опорная арка, опертая на стену; 7 – опоры; 8 – трибуны; 9 – фундаменты; 10 – фундамент под стену; 11 – тросы-подборы; 12 – оттяжки; 13 – анкеры; 14 – мачты под верхнее опирание тросов-подборов; 15 – горизонтали покрытия

Рис. 13.59.

а – двухпоясное на круглом плане над аудиторией (США); б – то же, над Дворцом спорта "Юбилейный" в Санкт-Петербурге; 1 – несущие ванты; 2 – стабилизирующие ванты; 3 – распорки; 4 – центральный барабан с фонарем; 5 – опорный контур; 6 – стойки; 7 – трибуны; 8 – оттяжки; 9, 10 – кольцевые связи жесткости; 11 – подвешенная платформа для оборудования

Мембранные оболочки наиболее эффективны среди висячих конструкций, так как они совмещают несущие и ограждающие функции. Они состоят из тонких металлических листов, закрепленных на контуре. Используя в качестве материала сталь толщиной всего 2–5 мм, ими можно перекрывать пролеты свыше 300 м. Мембрана работает в основном на растяжение в двух направлениях. Таким образом, опасность потери устойчивости исключается. Усилия с пролетной конструкции воспринимаются замкнутым опорным контуром, работающим совместно с мембраной, которая в большинстве случаев обеспечивает его устойчивость. Максимальный пролет (224 χ 183 м) перекрыт металлическим мембранным покрытием над Дворцом спорта "Олимпийский" в Москве. На рис. 13.60 показаны общий вид и процесс монтажа мембранной оболочки над конькобежным центром в г. Коломне.

Рис. 13.60.

а – архитектурный макет комплекса; б – подача рулонированных полотнищ мембраны, их раскатка по временным элементам постели

Тентовые покрытия используются как временные сооружения больших пролетов – цирки шапито, склады, спортивные и выставочные павильоны. В зависимости от вида мягкого материала такие сооружения могут применяться и для ответственных сооружений. Примером могут служить олимпийские сооружения в Мюнхене (Германия), которые были построены к Олимпиаде 1972 г., но прекрасно эксплуатируются уже в течение 40 лет. Материалом покрытия служит специальное светопрозрачное гибкое органическое стекло – плексиглас-215. Это предварительно напряженный материал, по внешнему виду ничем не отличающийся от обычного органического стекла.

Пневматические конструкции начиная со второй половины XX в. широко применяются для временных сооружений, требующих быстрого монтажа и демонтажа (временные склады, выставочные павильоны). В последние годы такие конструкции стали применяться для массового строительства спортивных залов. Применяются такие конструкции и для опалубки при возведении монолитных железобетонных оболочек. Конструкции выполняются из воздухонепроницаемой прорезиненной ткани, синтетических пленок или других мягких воздухонепроницаемых материалов. Конструкция занимает проектное положение благодаря избыточному давлению заполняющего ее воздуха. Различают воздухоопорные и пневмокаркасные конструкции (рис. 13.61).

Рис. 13.61.

а, б – воздухоопорные; в – пневматическая линза; г – фрагмент стеганой конструкции; д, е – каркасные пневматические сводчатые покрытия; ж – пневматический арочный купол; 1 – воздухонепроницаемая оболочка; 2 – окно-иллюминатор из органического стекла; 3 – анкеры-штопоры для крепления к грунту; 4 – шлюз; 5 – тяж-"простежка"; 6 – стальной опорный пояс линзы; 7 – растяжка для придания продольной устойчивости и поддержки тента покрытия

Проектное положение воздухоопорной конструкции обеспечивается очень незначительным избыточным давлением (0,002–0,01 атм), которое не ощущается людьми, находящимися в помещении. Для сохранения избыточного давления входы в помещения осуществляются через специальные шлюзы с герметическими дверьми. В систему инженерного оборудования включены вентиляторы, при необходимости подкачивающие воздух внутрь помещения. Характерные пролеты – 18–24 м. Но существуют проекты в Канаде по перекрытию целых городов в Арктике воздухоопорными оболочками пролетом до 5 км и более. Пневматические каркасы (воздухонесущие системы) выполняют из длинных узких баллонов, в которых создают избыточное давление (0,3–1,0 атм). Конструктивная форма такого каркаса – арочная. Арки устанавливаются вплотную друг к другу, образуя сплошной свод, либо на расстоянии. Шаг арок – 3–4 м, пролет – 12–18 м.