Большепролетные конструкции общественных зданий. Их классификация, область рационального применения. Роль пространственных конструкций в формировании архитектурного облика здания.

При разработке проектов общественных зданий часто возникает необходимость перекрытия или покрытия значительных по площади помещений без промежуточных опор. В таких случаях предусматривают большепролетные кон­струкции.

Распорные плоскостные конструкции

К основным распорным конст­рукциям относятся рамы и арки (ци­линдрические своды, опертые на фун­даменты по всей длине, можно рас­сматривать как разновидность арки со значительно увеличенной шири­ной). Рамы могут быть разнообразно­го очертания как с одним пролетом, так и со многими. Чем сложнее рама, тем большему числу ограничительных условий она должна удовлетворять, например в отношении надежности фундаментов, распределения нагрузок и т. п. Поэтому чаще всего в практи­ке строительства применяют однопро-летные рамы П-образного очертания. Из однопролетных рам, комбинируя их с балками, можно получить конст­рукции разнообразных очертаний с разным числом пролетов.

Арки чаще всего проектируются кругового очертания, так как такие арки выполняются просто как в мо­нолитном, так и в сборном варианте. Однако ось арки может быть очерче­на и в виде других плавных кривых, например параболы и эллипса, а так­же кривых, состоящих из отрезков окружностей разных радиусов.

Рамы и арки могут быть бесшар­нирными с жесткой заделкой опор, двухшарнирными (с шарнирным опи-ранием на фундамент) и трехшарнир-ными, у которых помимо двух шарни­ров на опорах есть еще один, кото­рый обычно располагают посередине пролета (рис. XII.13).

Бесшарнирные рамы и арки осо­бенно чувствительны к неравномер­ным осадкам опор, поэтому их проек­тируют только на надежных основа­ниях, не допускающих таких осадков.

Рис. XI 1.13. Схемы рам и арок:

а — рама бесшарнирная: 6 — двухшарнирная; в — трехшарнирная; г — арка бесшарнирная; д — двух­шарнирная: е — трехшар­нирная: I* — пролет; б — высота сечения рам и арок; 61, б₂ — высота сечений вблизи шарниров

 

 

Своды, которые можно рассмат ривать как разновидность арок большой ширины, в настоящее вре­мя изготовляются преимуществен­но из железобетона, реже из бетона или камня. Наиболее простую кон­струкцию представляют собой глад­кие цилиндрические своды, опираю­щиеся по всей длине своими ниж­ними краями на фундаменты (рис. XI 1.15,а). Более прогрессивный вид цилиндрического свода представля­ет собой ребристый свод, собирае­мый из однотипных железобетонных плит, окаймленных ребрами. Основ­ными несущими элементами служат поперечные ребра, представляющие

 

Рис. XII.15. Основные формы сводов:а — гладкий свод; б — ребристый в, г, д — сомкнутые; е — зеркальный: ж — цилиндриче­ский с распалубками; а — крестовый

Перекрестные системы

Перекрестные системы покры­тия состоят из несущих линейных эле­ментов, пересекающихся в плане под углом 90 или 60°. При этом если кон­струкция состоит из несущих элемен­тов, расположенных параллельно сто­ронам квадрата или прямоугольника, и составляет сетку из квадратных ячеек, то такая конструкция называет­ся ортогональной. Если та же квад­ратная сетка расположена к контурам покрытия под углом 45°, то такая конструкция называется диагональ­ной. Сетку с треугольной формой яче­ек, стороны которых параллельны сторонам контура покрытия, называ­ют треугольной.

Наличие несущих пересекающихся элементов позволяет нагрузку на по­крытие передавать на опоры не в од­ной вертикальной плоскости, как в плоскостных конструкциях, а сразу в двух и даже в трех вертикальных пло­скостях

Материалом для изготовления пе­рекрестных систем служит в основ­ном металл и железобетон. По своим конструктивным схемам эти системы делятся на перекрестно-ребристые и перекрестно-стержневые.

Перекрестно-ребристые конструк­ции изготавливаются главным обра­зом из железобетона, в некоторых случаях из металла и даже из дерева. Перекрестно-ребристые железобе­тонные покрытия могут быть выполне­ны и в монолите, однако такое реше­ние невыгодно из-за огромного расхо­да древесины на леса и опалубку. Более прогрессивным и экономически целесообразным является монтаж реб­ристого покрытия из сборных короб­чатых элементов (рис. XII. 18, а, б).

Коробчатые элементы представля­ют собой ящики с дном, повернутым кверху, которые монтируются непо­средственно на лесах. При небольших пролетах (до 24 м) они могут быть смонтированы также и на земле, а за^ тем кранами подняты в проектное по­ложение. По нижней кромке эти ящи­ки обычно имеют выступ, которым примыкают друг к другу, оставляя между стенками зазор в 10...15 см, куда закладывается соединяющая их арматура. После заполнения зазоров высокопрочным бетоном и его от­вердения конструкция превращается в жестко замоноличенное перекрестно-ребристое покрытие.

Перекрестно-ребристое покрытие может быть создано и непосредствен­ным монтажом отрезков ребер дли­ной в две ячейки. При этом каждый отрезок ребра крепится к двум, пер­пендикулярно стоящим к ним реб­рам на половине длины. Такое реше­ние сборной перекрестно-ребристой конструкции может быть выполнено не только из железобетона, но также из элементов металлической фермы или деревянных щитовых элементов (рис. XII.18, в).

Перекрестно-стержневые системы изготовляются исключительно из ме­талла, из элементов в виде труб или проката. Трубчатые конструкции про­ще в монтаже, так как могут быть смонтированы простым ввинчиванием оголовников с нарезкой в многогран­ный узловой элемент, в то время как элементы из проката соединяются че­рез фасонки на болтах или на сварке.

В плане перекрестно-стержневое покрытие представляется двумя сет­ками с квадратными или треугольны­ми ячейками, из которых нижняя сет­ка сдвинута относительно верхней на половину ячейки внутрь пролета (рис. XII. 18). Узлы верхней и нижней сеток соединяются между собой на­клонными диагональными элемента­ми— раскосами. В целях лучшего распределения опорных усилий в кон­струкции над точечной опорой пред­усматривается капитель из четырех наклонных раскосов или из перекре­щивающихся прокатных балок.

Кровля над перекрестно-стержне­вым покрытием выполняется обычно из легких материалов, с применением профилированного настила, щитов с деревянным или металлическим обрамлением и т. д. Опирание кровель­ных щитов на конструкцию произво­дится только над узлами на пластин­ки со стержнем, ввинченным в много­гранный узловой элемент, так назы­ваемый коннектор. Опирание настила производится Ца швеллеры, прикреп­ленные к коннектору. Опирание эле­ментов кровли непосредственно на стержни ферм не допускается, так как они работают только на осевые усилия.

Жесткость остова, несущего пере­крестное покрытие, опирающегося только на колонны, можно решить двумя способами: обеспечением устой­чивости самих колонн или внесением в систему опор стенок жесткости, (т. е. по связевой схеме). Стенки эти должны быть ориентированы соответ­ственно с направлениями сторон яче­ек перекрестного покрытия. Их протя­женность может быть ограничена 2... 3 м

 

Тонкостенные

пространственные конструкции

Тонкостенными пространствен­ными конструкциями называют такие конструкции, пространственная форма которых обеспечивает их жесткость и устойчивость, что позволяет их тол­щину доводить до минимальных раз­меров. К ним относят оболочки и складки. Оболочками называются гео­метрические тела, ограниченные кри­волинейными поверхностями, расстоя­ния между которыми малы по срав­нению с другими их размерами. Складки в отличие от оболочек состо­ят из плоских тонкостенных плит, же­стко соединенных между собой под некоторым углом.

Формы разных видов оболочек различаются гауссовой кривизной, ко­торая представляет собой произведе­ние двух взаимно нормальных кри­визн р₄ и рг рассматриваемой оболоч­ки. Кривизной р называется, как из­вестно, величина, обратная радиусу кривизны Я: р = 1//?.

Интерес при этом представляет знак произведения: при отрицатель­ном знаке оболочки двоякой кривиз­ны имеют прогибы в разные стороны; при положительном — в одну.

Помимо гауссовой кривизны раз­личаются оболочки и по способу их геометрического формообразования: способ переноса и способ вращения.

Способ переноса заключается в пе­реносе образующей линии, прямоли­нейной или криволинейной, вдоль на­правляющей линии, лежащей в пло­скости, перпендикулярной плоскости образующей. Другой способ состоит из вращения образующей вокруг неко­торой оси, лежащей в ее плоскости. При этом некоторые поверхности, как, например, цилиндрическая круговая поверхность и поверхность гиперболи­ческого параболоида (гипара), могут формироваться как по способу пере­носа, так и по способу вращения

 

Коническая оболочка формируется вращением прямой образующей во­круг вертикальной оси, при этом один конец образующей закреплен в неко­торой точке на оси вращения, а дру­гой движется по замкнутой кривой, находящейся в плоскости, перпенди­кулярной оси вращения. Если эту кри­вую считать направляющей, а пря­мую— образующей, то формирование конуса происходит по способу враще­ния.

Поверхность коноидальной оболоч­ки образуется переносом прямой, у которой один конец движется по кри­волинейной направляющей, а дру­гой — по прямолинейной.

Все перечисленные выше поверх­ности оболочек (рис. XII. 19, а—д) имеют нулевую гауссову кривизну: так как в сечениях, совпадающих с прямолинейной образующей, один из радиусов кривизны равен бесконечно­сти, сама кривизна равна нулю; сле­довательно, и произведение обеих кри­визн будет равно нулю.

Оболочки, поверхности которых по­лучены перемещением криволинейной образующей по" другой криволинейной образующей, будут также оболочка­ми переноса. Так, например, получена поверхность бочарного свода, криво­линейная образующая которого пере­мещается по криволинейной оси, ле­жащей в плоскости, перпендикулярной плоскости образующей. Если та же образующая получит еще и враща­тельное движение вокруг оси у—у, лежащей в ее плоскости, то получен­ная криволинейная поверхность будет представлять собой поверхность тора. Сферическая оболочка может быть получена вращением части окружно­сти вокруг оси. Если же у сфериче­ской оболочки срезаны стороны верти­кальными плоскостями, выходящими из квадрата, вписанного в круг осно­вания, то такая оболочка носит назва­ние парусной оболочки.

 

Распор купольных оболочек вос­принимается опорным, кольцом, кото­рое можно установить на колонны как внешне безраспорную конструкцию. Распор купола может быть воспринят также наклонными стойками и пере­несен ими на замкнутый кольцевой фундамент (рис. ХП.21).

Распор парусных сводов восприни­мается арматурой в парусах и борто­вым элементом опорной арки с за­тяжкой, связывающей ее концы. Эту арку часто заменяют сегментной арочной фермой, непосредственно опирающейся на опоры сооружения.

Распор оболочки, имеющей форму гипара на квадратном плане, переда­ется от покрытия на бортовые эле­менты, которые работают как балка или опираются непосредственно на не­сущие стены По форме сечений оболочки мож­но разделить на гладкие, ребристые и сетчатые; по методу возведения — на монолитные, сборные и сборно-моно­литные. Гладкие оболочки выполня­ются, как правило, монолитными. По расходу железобетона они наиболее экономичные*

Сборные оболочки монтируются из тонкостенных железобетонных плит, окаймленных ребрами. Ребра служат для соединения оболочки между со­бой, причем между ребрами оставля­ются швы, куда закладывается арма­тура, после чего швы заполняются це­ментным раствором. При этом полу­чаются ребристые оболочки.

Сетчатые оболочки могут быть вы­полнены по тому же принципу, что и сборные ребристые, с той лишь раз­ницей, что их тонкостенная часть между ребрами заменена каким-либо другим неконструктивным материа­лом, например стеклом. Такие конст­рукции могут собираться и из от­дельных железобетонных или метал­лических стержней (рис. ХП.21,в).

Особое место среди купольных обо­лочек занимают так называемые кри­сталлические, собираемые из стерж­ней или из треугольных панелей, име­ющие минимальное количество типо­размеров

 

Складки в отличие от оболочек формируются из тонкостенных пло­ских элементов, жестко скрепленных между собой под различными углами.
Если сечение складки от опоры до
опоры постоянно и не меняется в про-
лете, то такую складку называют
призматической. Призматические

складки в основном применяются уг­лового и трапециевидного сечения (рис. XI 1.24,а, б).

Длинномерные, опертые по двум сторонам, призматические складки работают в продольном направлении как балка, а в поперечном — как ра ма, распор которой наподобие цилинд­рических оболочек погашается боко­выми гранями смежных складок; лишь крайние складки должны быть обеспечены соответствующими борто­выми элементами. По торцам призма­тических складок устанавливаются диафрагмы жесткости, которые повто­ряются и в пролете.

К непризматическим складкам от­носятся складки косоугольные со схо­дящимися гранями, шатровые, прямо­угольного плана, с одинаковым укло­ном граней со всех четырех сторон, сводчатые и купольные (рис. ХП.24, г—м). Конструктивная высота длинномерных складок, как призмати­ческих, так и косоугольных, не должна быть меньше ¹/ю • • • '/15 глав­ного пролета Ь\ пролет Ь у таких складок обычно не превосходит 50 м, а в шатровых — 20 м.

Складки бывают монолитные и сборные, гладкие и ребристые. Моно­литные складки выполняются обычно гладкими, с толщиной стенки не менее 5 см. Сборные выполняются из пло­ских плит, окаймленных ребрами, вы­сота которых принимается главного пролета, а толщина самой плиты принимается в 2... 3 раза мень­ше, но не менее 3 см. При этом гори­зонтальные грани трапециевидных складок, которые воспринимают ос­новные сжимающие усилия, обычно делаются в 1,5...2 раза толще, чем наклонные грани. Утолщение граней предусматривается также в местах их угловых соединений.

Складчатые покрытия могут обра­зовывать своды с пролетами до 60 м и выше (рис. ХН.25,а). В этом слу­чае верхние и нижние опоры, собран­ные из плоских элементов, соедини­ются затяжками, а в торцах предус­матриваются треугольные опорные рамы. Сборные плиты таких сводов ребристые, прямоугольные.

Складки могут быть выполнены также и в комбинации с оболочкой, как это было осуществлено на олим­пийском объекте «Дружба» в Москве (рис. XI 1.25,б).

Материалом для складок служит в основном железобетон, однако склад­ки могут быть выполнены и из клее­ной древесины, и из металла. Метал­лические складки обычно изготовляют из стального листа, усиленного по краям уголком.

 

 

Висячие системы покрытий

Висячие конструкции пред­ставляют собой один из наиболее эко­номичных видов покрытий, благодаря тому, что материал несущих конструк­ций работает исключительно на растя­жение и несущая способность конст­рукций используется полностью.

Основным несущим элементом для висячих покрытий могут служить ме­таллические канаты, тросы или, как обычно их называют, ванты, металли­ческие полосы и целые листы, метал­лический прокат, синтетические и дру­гие материалы.

Основной недостаток свободно про­висающих несущих систем — неустой­чивость их формы. Для предотвраще­ния этого необходима стабилизация конструкций.

Стабилизацию висячих покрытий выполняют по-разному: а) путем при-грузки до достижения общей массы покрытия 1 кН/м² (100 кГ/м²), кото­рую ветер не может вывернуть; б) пу­тем «ужесточения» конструкции — приданием жесткости ее форме; в) по­средством предварительного напряже­ния несущих тросов стабилизирующи­ми тросами.

В связи с этим и различают следу­ющие виды висячих покрытий, схемы которых даны на рис. Х11.26:

а) пригруженные, у которых на свободно подвешенные ванты уклады­ваются металлические или железобе­тонные балки, поверх которых кладут железобетонные плиты и элементы покрытия.

б) «ужесточенными» считают та­кие висячие системы, жесткость кото­рых препятствует возникновению не­допустимых кинематических и упру­гих деформаций. Сюда относятся в ос­новном висячие предварительно на­пряженные оболочки

Вантовые фермы можно возводить как на круглом, так и на прямоуголь­ном плане: они представляют собой двухпоясные предварительно напря­женные вантовые системы. При круг­лом варианте в центре покрытия на­ходится барабан, состоящий из двух растянутых металлических колец, верхнего и нижнего, соединенных меж­ду собой стойками или металлической стенкой. К нижнему кольцу крепятся несущие ванты, к верхнему — стаби­лизирующие, предварительно напря­женные; между вантами устанавлива­ются распорки, а сами ванты с на­ружной стороны покрытия закрепля­ются в контурное сжатое кольцо, вы­полняемое обычно из железобетона. Такое вантовое покрытие получило название «велосипедное колесо» Мембранные покрытия, состоящие из свободно провисающих или пред­варительно натянутых металлических листов, имеют то преимущество перед вантовыми конструкциями, что мемб­раны являются одновременно и несу­щей, и ограждающей конструкцией. В то же время к недостаткам мемб­ранных покрытий следует отнести больший расход металла, чем в Бай­товых конструкциях.

В Советском Союзе мембранные покрытия применены на нескольких олимпийских объектах в Москве. Так, ими покрыт главный крытый Олимпий­ский стадион на проспекте Мира. Здесь мембранное покрытие исполь­зовано совместно с провисающими фермами, расположенными радиаль-но над овальным контуром стадиона. Они предназначены для монтажа мембран и придания жесткости по крытию. Наружным концом фермы крепятся к внешнему железобетонно­му контуру, а внутренним — к цент­ральной металлической платформе с растянутым овальным контуром. Над верхними поясами ферм натянута ме­таллическая мембрана — несущий эле­мент кровли.