Пространственные криволинейные покрытия

 

В покрытиях зальных помещений общественных зданий широкое применение находят криволинейные пространственные конструк­ции в виде сводов различных пространствен­ных форм.

В зависимости от формы образую­щей кривой своды встречаются цилиндричес­кие, параболические, эллиптические и стрель­чатые.

Свод как несущая криволинейная пространственная конструкция работает под нагрузкой преимущественно на сжатие, а в местах опирания создает распор, т. е. гори­зонтальную составляющую опорной реакции. Для возведения - применяются материа­лы, хорошо работающие на сжатие.

В дальнейшем криво­линейные пространственные конструкции бу­дем называть оболочками, пользуясь терминологией, принятой в строительной меха­нике. Это создает более правильное представ­ление о соотношении толщины конструкции и размеров пере­крываемых пролетов.

По определению Морозова А.П. (ЛЕНЗНИИЭП), все оболочки по способу восприятия усилия можно разделить на две группы: жесткие и весьма гибкие. 1 – способны воспринимать усилия изгиба почти без изменения геометрич. формы, а 2 – воспринимают эти усилия за счет изменения формы, оставаясь в конечном счете безмоментными.

Гибкие – висячие системы, из материала способного воспринимать растяг. усилия.

Жесткие – способны воспринимать сжатие.

Отступление.

В современных конструкциях большепро­летных покрытий широкое применение нахо­дят оболочки одинарной и двоякой гауссо­вой кривизны из железобетона, а также из армоцемента и дерева, представляющие со­бой жесткие криволинейные пространствен­ные системы, распор которых, как правило, погашается самойконструкцией оболочек без передачи на опоры.

В ж/б обо­лочках целесообразно используется работа бетона на сжатие. Поэтому, по сравнению с плоскими системами, затраты металла и бе­тона в них существенно меньше, а возможности придания им разнообразных форм значительно шире, чем у плоскостных систем.

Ж/б оболочки преимуществен­но выполняются в монолитных конструкциях, но трудоемко. Чаще – сборные. Монтаж – инвентарные стойки, кондукторы, механизированные методы замоналичивания конструкций.

Оболочки одинарной кривизны - для покрытия помещений прямоугольной формы в плане, могут быть гладкие, ребри­стые или складчатые, цилиндри­ческого или параболического очертания (цилиндрические или параболические своды).

По торцам такая цилиндрическая оболочка замыкается вертикаль­ными или наклонными диафрагмами, придаю­щими конструкции пространственную устой­чивость и воспринимающими распор. Оболоч­ка жестко скрепляется с диафрагмой. Диа­фрагмы выполняются в виде железобетонных сегментных ферм с раскосными и безраскосными решетками или в виде сплошных желе­зобетонных стенок.

В оболочках одинарной кривизны в попе­речном направлении, т. е. по кривизне поверх­ности, материал работает на сжатие, а в про­дольном, т. е. по образующей, - на изгиб. Следовательно, такую оболочку можно рас­сматривать как балку криволинейного сече­ния.

Для восприятия изгибающих усилий продольные края оболочек одинарной кривиз­ны имеют усиленное сечение в виде бортовых балок.

Различаются: «длинные» сборные ци­линдрические оболочки, в которых L1/L2 больше или = 1 и короткие, где L1/L2 < l.

Длинные сборные оболочки осуществляются из криволинейных элементов, а короткие — из плоских.

 

 

Цилиндрические железобетонные оболочки: а – длинная; б – короткая; в, г – сборные длинные и короткие цилиндрические оболочки; 1 – кривая (дуга круга, парабола и др.): 2 – образующая; 3 – диафрагма; 4 – бортовая балка, 5 – сборный элемент.

 

 

Рис. Схема гипара в форме седла: 1 - парабола с вершиной вверх; 2 - парабола с вершиной вниз; 3 - гипербола; 4 - прямые, образующие линейчатую поверхность

 

Складки. По ха­рактеру статической работы близки к длин­ным цилиндрическим оболочкам. Складки представляют собой пространственные систе­мы, состоящие из плоских тонких оплошных или стержневых элементов, расположенных под некоторым углом и жестко соединенных между собой. Места соединений образуют ребра складок. Складчатые кон­струкции обычно выполняются из железобе­тона и армоцемента и реже из металла и де­рева.

 

Армоцемент – Пьетро Луиджи Нерви – песчаный бетон, тканые сетки из ст. проволоки диам. = 0,5 – 1,0 м, ячейки – 3 – 10 мм, миним. толщ. = 20 мм, у бет. = 30 – 60 мм.

 

 

Схемы складчатых конструкций а - треугольных с диафрагмами в крайней волне: б - трапециевидных со стенкой-диафрагмой; в - со светопрозрачными элементами; 1 - диафрагма; 2 - бортовая балка; 3 - светопрозрачный элемент.

 

 

В поперечном сечении складки могут иметь треугольные, трапециевидные и другие ломаные или криволинейные очертания.

Складки с прямолинейной формой в напр. пролета наз. балочными, с криволинейной формой – арочными.

Пространственная жесткость складок, а также восприятие распора обеспечивается торцевыми ребрами и промежуточными диаф­рагмами, монолитно связанными с гранями складки.

Диафрагмы могут быть вертикаль­ными и наклонными, в виде тонких стенок или стержневых конструкций. В складчатых покрытиях распор смежных складок взаимно погашается и только в крайних складках должен восприниматься диафрагмами.

Складка может рассматриваться как пространственная балка. Бортовые элементы складок устраиваются так же, как в цилинд­рических длинных оболочках. Грани складок обычно имеют ширину 3 - 4 м при пролетах около 20 м и высоте складок 1/8—1/10 про­лета. В гранях складок могут устраиваться световые проемы. Возможно также расположение складок в покрытии на некотором расстоянии др. от др., пере­крываемом светопрозрачными элементами. Устройство кровли в складча­тых покрытиях более сложно и трудоемко, чем при плоских или криволинейных поверх­ностях. Водостоки располагаются в западаю­щих частях складок.

 

 

Оболочки двоякой кривизны.

Поверхность тонкостенной оболочки двоякой гауссовой положительной кривизны (бочарный свод) образуется путем перемещения кривой кругового, параболического или эллиптического очертания по другой кривой (см. рис.).

Рис. Схема оболочек двоякой положительной кривизны: а - на прямоугольном плане; б - на квадратном плане (парусный свод); 1 - образующая кривая; 2 - направляющая кривая; 3 - диафрагма; 4 - стрела подъема

По контуру оболочки располагаются диафрагмы жесткости. Оболочка, расположенная на квадратном плане, называется парусной. Оболочки, имеющие отношение стрелы подъема к пролету 1/1 - 1/4, называются вспарушенные, a 1/5 - 1/6 – пологие. Эти оболочки широко используются в покрытиях зальных помещений прямоугольной формы в плане в различных общественных зданиях. Как правило, оболочки выполняются в сборных конструкциях.

Как показывают расчеты и опыт, сборные оболочки двоякой кривизны по сравнению с плоскими системами в покрытиях пролетом 30—36 м позволяют значительно снизить расход бетона (25—30%), стали (15—20%), а также и общую стоимость строительства. При увеличении пролетов эти преимущества сводов-оболочек двоякой кривизны возрастают, но вместе с тем возрас­тают трудоемкость и стоимость монтажа.

Большие возможности в решении конструктивных и художественных задач дает применение разнообразных сочетаний оболочек двоякой кривизны.

Гипары

Оболочки отрицательной гауссовой кривизны с линейчатой поверхностью гиперболического параболоида, называемые сокращенно «гипарами», образуются перемещением параболы с вершиной, обращенной вверх (1) в направлении, перпендикулярном к плоскости по другой параболе с вершиной внизу (2). В результате образуется поверхность в форме седла.

 

На поверхности гипара в форме седла может быть вырезан элемент в виде скрученного квадрата (см. рис.). Эти элементы используются для покрытия при квадратных планах.

Образование поверхности гипара при квадратных планах покрытий может быть достигнуто также за счет подъема или понижения двух противолежащих углов квадрата или подъема одного и понижения другого противолежащего угла. Образующие прямые расположены параллельно контурным линиям.

Преимуществами оболочек в форме гипаров являются:

· равномерное распределение усилий по всей поверхности,

· пространственная жесткость и устойчивость,

· возможность использования в качестве покрытий помещений разнообразных форм в плане (прямоугольной, овальной и др.),

· возможность применения прямолинейных конструктивных элементов (опалубки, арматуры и пр.),

· простота отвода атмосферных вод,

· широкие возможности для разнообразных архитектурных пластических решений.

Покрытия в форме гипаров осуществляются из монолитного и сборного железобетонов, армоцемента, металла и дерева, как правило, с гладкой внутренней поверхностью, с контурными бортовыми ребрами, а также в некоторых случаях с ребристой внутренней поверхностью. Сборные элементы осуществляются из железобетонных или армоцементных плит размерами 2х3 и 3х3 м. Оболочки в форме гипаров создают распор, воспринимаемый преднапряженными затяжками или кон­турными ребрами или их сочетанием. Разнообразные пространственные решения покрытий создаются при группировке нескольких гипаров.

 

Купольные покрытия

Купол, в основании которого круг, имеет поверхность, образованную вращением кривой линии (арки) вокруг центральной вертикальной оси. В зависимости от образующей кривой купола могут иметь сферическую фор­му, параболическую, стрельчатую и эллиптическую. Купола относятся к оболочкам положительной кривизны. Усилия в них распре­деляются равномерно и материал использует­ся наиболее эффективно. Выпуклая форма купольных покрытий обеспечивает возмож­ность применения простой системы отвода атмосферных вод. Эти качества куполов по­служили причиной их широкого применения для большепролетных покрытий обществен­ных зданий.

 

 

Вместе с тем купольные покры­тия увеличивают строительный объем поме­щений, особенно при большой стреле подъе­ма. Купола неблагоприятны в акустическое отношении, так как форма покрытия способ­ствует фокусированию звуковой энергии.

Современные купольные покрытия осуществляются из железобетона, армоцемен­та металла и дерева и могут быть решены в сплошных или стержневых конструкциях. Распор от купола, как правило, восприни­мается нижним опорным кольцом, работаю­щим на растяжение, выполняемым из желе­зобетона или металла, или с по­мощью наклонных стоек (контрфорсов), передающих распор непосредственно на фундаменты. В верхней части куполов может устраиваться отверстие для световых и аэрационных фонарей. Это отверстие обрамляется верхним опорным кольцом, испытывающим сжимающие усилия.

Современные купола по своим конструк­тивным формам могут быть подразделены на:

· гладкие,

· ребристые,

· реб­ристо-кольцевые,

· сетчатые,

· геодезические,

· волнистые,

· складчатые.

Гладкие купола имеют гладкие внутреннюю и внешнюю поверхности и осуществляются, как правило, из железо­бетонных монолитных конструкций. В ниж­ней части железобетонных куполов оболочка утолщается и соединяется с опорным кольцом.

Ребристые купола образуются при помощи полу арок прямоугольного сечения или сегментных ферм (ребер), по которым укладывается ограждающая конструкция. Ребра опираются, на нижнее растянутое и верхнее сжатое опорное кольцо, на котором может быть размещен световой или аэрационный фонарь. Между ребрами устанавливаются прогоны и связевые элементы, обеспечивающие пространственную жесткость ребристого купола.

Лукаев Д.Л. - главный архитектор Каркас подземного комплекса на Манежной площади представляет собой сочетание стальных конструкций и монолитного железобетона. С целью снижения расхода стали и максимального веса монтажных элементов, стальные балки пролетом 15 м запроектированы с минимальным конструктивным сечением верхнего пояса и стенки. Нижний растянутый пояс стальной балки рассчитан на полное усилие. В работе верхнего пояса и стенки принимает участие монолитный железобетон. Стальной каркас представляет собой шарнирную систему, а общую устойчивость сооружения обеспечивает монолитный железобетон. Все это позволило сократить расход стали примерно в 2,5 раза.

 

Ребристо-кольцевые купола, помимо меридиональных ребер, имеют соединенные с ними горизонтальные кольца, 'придающие конструкции пространственную жесткость и воспринимающие усилия распора. Ребра и кольца образуют пространственный каркас купола, в связи с чем ограждающая конструкция может быть очень легкой и работать совместно с каркасом, если конструкции куполов из железобетона и дерева, или быть только ограждением, что характерно для металлических ребристо-кольцевых куполов. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах возможно применение светопрозрачных ограждений между ребрами и кольцами в виде остекления, стекложелезобетонных конструкций и т. п.

Конструктивное решение купола представляет собой радиально-кольцевую систему, состоящую из 26-ти вертикальных ферм и системы 7-ми горизонтально-кольцевых ферм. Горизонтальные фермы, расположенные с шагом 2,3м по высоте служат мостками для обслуживания конструкций купола и определяют вторую функцию оболочки - лесов, обеспечивающих доступ ко всем зонам шатра.

Наружные пояса вертикальных ферм обеспечивают расположение стальной обрешетки в строгом соответствии с геометрией купола.

Общая устойчивость обеспечивается системой вертикальных и горизонтальных связей.

Несущие конструкции купола опираются на два железобетонных пояса в кирпичной кладке. Внутренний сферический купол диаметром 25 метров состоит из двух концентрических оболочек: наружной - несущей и внутренней, подвешенной к ней. Наружная представляет собой железобетонную оболочку, возведенную с применением жесткой арматуры и торкретобетона. Внутренняя служит для закрепления декоративного слоя с росписью.

Денисов А.Н. – главный архитектор

Сетчатые купола представляют собой системы стержней с узловыми соединениями, вписанными в сферическую поверхность. Для уменьшения деформативности стержневая сетка должна максимально соответствовать форме криволинейной поверхности купола, что достигается изменением типоразмеров элементов сетки, начиная от опорного кольца до вершины купола. Стержни могут быть прямолинейными или изогнутыми в соответствии с очертанием купола. В качестве стержней используются стальные и алюминиевые трубы. Сетчатая конструкция обеспечивает единство пространственной работы системы, позволяет снизить вес покрытия, эффективно попользовать светопрозрачные ограждения и создавать архитектурные решения, обладающие высокими эстетическими качествами.

Схема сетчатого купола

Ребристые купола образуются при помощи полуарок прямоугольного сечения или сегментных ферм (ребер), по которым укладывается ограждающая конструкция. Ребра опираются на нижнее растянутое и верхнее сжатое опорное кольцо, на котором может быть размещен световой или аэрационный фонарь. Между ребрами устанавливаются прогоны и овязевые элементы, обеспечивающие пространственную жесткость ребристого купола.

Ребристо-кольцевые купола, помимо меридиональных ребер, имеют соединенные с ними горизонтальные кольца, придающие конструкции пространственную жесткость и воспринимающие усилия распора. Ребра и кольца образуют пространственный каркас ку­пола, в связи с чем ограждающая конструкция может быть очень легкой и работать совме­стно с каркасом, если конструкции куполов из железобетона и дерева, или быть только ог­раждением, что характерно для металлических ребристо-кольцевых куполов. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах возможно применение светопрозрачных ограждений между ребрами и кольцами в виде остекления, стекложелезобетонных конструкций и т.п.

Сборный ребристо-кольцевой купол зда­ния цирка в Киеве имеет пролет 42,8 м, стрелу подъема 7,72 м, разрезку сфе­рической поверхности 32 меридиональными линиями и пятью кольцами на 160 панелей. Ребристые панели трапециевидной формы, толщиной 40 мм имеют контурные ребра 100Х240 мм и промежуточные 60Х240 мм. Соединение панелей осуществля­ется с помощью сварки закладных элементов и замоноличиванием швов. Купол Малой олимпийской арены в Риме сборномонолитный, диаметр 58,5 м, опирается на 36 наклонных образных опор, передающих давление купола на фундаменты. Купол смонтирован из l200 тонких сборных армоцементных элементов треугольной и ромбиче­ской формы, образующих ребристую опалуб­ку для укладки арматуры и бетонирования ребер и плиты ограждения. Выпуски армату­ры армоцементных сборных элементов скреп­лены сваркой с арматурой железобетона. На внутренней поверхности купола ребристые элементы образуют рисунок сферической сетки.

Геодезический купол представляет собой многогранник, по форме близкий к сферической поверхности, грани которого треугольные, ромбические или многоугольные элементы. Построение геодезических куполов осуществляется методом проекции вершин многогранника (например, икосаэдра и др.) на сферу или последовательным членением поверхности сферы геодезическими линиями на правильные сферические треугольники. В отличие от сетчатых куполов все элементы геодезических куполов однотипные. Каждый элемент может быть плоским или изогнутым (пространственным) и совмещать в себе несущие и ограждающие функции или же представлять собой пространственный стержневой каркас. Каждый элемент с помощью специальных устройств скреплен в углах со смежными элементами. Элементы сборного купола и ограждения выполняются из алюминиевых или других легких конструкций. Благодаря легкости, транспортабельности, простоте монтажа (без лесов) такие конструкции получили большое распространение в практике строительства выставочных павильонов и других большепролетных сооружений.

Волнистые и складчатые купола имеют поверхность, состоящую из оболочек двоякой кривизны или складок, сходящихся к полюсу купола. Размер волны или складки принимается в зависимости от диаметра купола и архитектурного решения. Придание поверхности купола складчатого или волнистого очертания увеличивает его поверхность, усложняет устройство утепления и кровли, а также выполнение опалубки или изготовления сборных элементов. Пространственная жесткость таких покрытий обеспечивается ребрами, образующимися по линиям пересечений оболочек от опор до полюса купола.