Сооружения новых форм из монолитного железобетона

Бетон - пластичный материал. Это важное свойство бетонной смеси позволяет легко выполнять из нее криволинейные поверхности. Преимуществом криволинейных конструкций- оболочек является возможность их работы на сжатие, растяжение или сдвиг без воздействия усилий изгиба.

Складчатые конструкции, или складки, могут выполняться практически только из железобетона, так как этот материал достаточно хорошо работает на изгиб. Говоря о складках, мы не имеем в виду применение складчатых поверхностей для создания облицовочных фактур из листового металла или азбофанеры. Складчатые конструкции разнообразны по форме и обладают большой эстетической выразительностью, но их поверхность практически исключает использование таких элементов, как подвесные стен и потолки, которые нарушают цельность и чистоту восприятия складки. Это создает трудности при возведении зданий со складчатыми поверхностями. Складчатые конструкции нельзя использовать для ограждения объемов расчлененных на мелкие элементы. Основными разновидностями складок являются параллельные, веерообразные, и встречные. Большая группа складок представляет собой варианты рамно-складчатых, и складчато-сводчатых, складчато-купольных конструкций и комбинации различных геометрических форм.

Складки применяются для перекрытия спортивных, общественных сооружений, требующих пространств без промежуточных опор.

Оболочки, или скорлупы, представляют собой значительную группу конструкций, различающихся между собой геометрическими характеристиками и пространственной формой и имеющих ряд общих свойств, характерных для всех оболочек. Оболочки должны быть изогнутыми, изготавливаются из прочного и обеспечивающего их жесткость материала. Толщина скорлупы должна быть минимальной.

Существует пять основных групп оболочек.

Цилиндрические оболочки представляют собой часть цилиндра с одинарной кривизной, перпендикулярной основному пролету. Их характерной чертой является сходство со складкой, если оболочки соединены по продольной стороне. Группа цилиндрических оболочек включает оболочки, изогнутые в направлении свободного пролета и работающие по принципу свода. Цилиндрические оболочки используются в чистом виде и в виде сочетаний и комбинаций. Полученных в результате пересечений разного количества оболочек под разными углами.

Комбинации коротких длинных оболочек получают свод-оболочку, по структуре аналогично балочной клетка с поперечными и продольными балками.

Иногда при сложных пересечениях цилиндрические оболочки приобретают форму конических. Если же оболочка изогнута в поперечном и продольном направлениях, ее поверхность приобретает двоякую кривизну и становится более жесткой.

Цилиндрические оболочки применяют для перекрытия ангаров, крытых рынков, промышленных зданий и т.п. Пролеты их могут быть весьма значительными (до 300 м при толщине оболочки, равной до 1/1000 пролета).

К оболочкам – телам вращения относятся купольные оболочки, у которых в отличие от куполов, нагрузка, передаваемая на барабан. Является вертикальной и не сообщает ему никаких усилий сдвига.

Купольные оболочки служат для перекрытия залов планетариев, цирков и других зданий. Гиперболоиды, параболоиды. Эллипсоиды вращения, а также оболочки в виде различных сегментов сферы с различными очертаниями торцов применяют сравнительно редко.

Оболочки, называемые коноидами. Несмотря на простоту формообразования. Не слишком распространены, они используются в покрытиях промышленных сооружений, так как вспарушенность одного из контуров коноида создает возможность проникновения естественного света внутрь объема.

Гиперболические параболоиды, или гипарды, - самая большая группа оболочек с поверхностью в виде двоякой кривизны с противоположными знаками и прямолинейными образующими. Все вертикальные сечения такой оболочки представляют собой параболы. А все горизонтальные и наклонные – гиперболы. Формы, применяемые в строительстве, как правило, имеют вид различных вырезов из поверхности гипарда и их комбинаций. Наиболее часто используются: четырехугольник с криволинейной поверхностью и прямолинейными сторонами; седловидная поверхность, ограниченная гиперболами и параболами; сочетание многих или многих прямолинейно ограниченных форм; криволинейно ограниченные элементы; сочетание криволинейно ограниченных элементов. Возможное число сочетаний элементов поверхности огромно и формы, построенные на принципе их использования, применяются в строительстве самых разных сооружений – как промышленных, так и гражданских.

Существуют и произвольные оболочки, не имеющие строгих геометрических форм. Это каплевидные и яйцеобразные оболочки. Каплевидные и яйцеобразные оболочки называют «произвольными формами». Однако произвольные оболочки не являются произвольными в полном смысле этого слова. Работа этих конструкций тоже подчиняется строгим закономерностям, но форма этих сооружений не является строго геометричной. Она в большей степени скульптурна, пластична.

Примерами таких оболочек могут служить здания аэровокзала в Айдлуайлде (Финляндия) построенная архитектором Э. Саариненом, часовня в Роншане архитектора Ле Корбюзье, проект вокзала в Неаполе архитектора Э. Кастильони и др.

Оболочки характеризуются криволинейностью формы, прочностью материала и малой толщиной (4 -6 см). в идеальном случае нагрузки в них действуют по касательной к их кривизне, т.е. перпендикулярно к площади их сечения, что и дает возможность, исходя из прочности материала, получить минимальную толщину поверхности. Однако оболочки не способны воспринимать большие сосредоточенные нагрузки.

Рассмотрим некоторые основные виды оболочек. Одной из широко распространенных и легко выполнимых является цилиндрическая оболочка. Отличие цилиндрической оболочки от цилиндрического свода, прежде всего, заключается в характере ее работы. Цилиндрический свод работает в одном направлении и передает нагрузку на продольные стены, а оболочка работает подобно складке в двух направлениях. Опоры в цилиндрической оболочке расположены на на торцах и для придания конструкции большей жесткости ее нужно снабдить диафрагмами или затяжками, препятствующими распрямлению волны оболочки.

При ширине оболочки, значительно меньше пролета конструкции, меняется характер напряжений и ее работа приближается к работе свода. Для обеспечения требуемой устойчивости короткие оболочки устраивают с большим подъемом и усиливают ребрами жесткости. Тектоничность оболочки хорошо выявляется при соответствии поперечного сечения кривой давления и художественном подчеркивании ребер жесткости. Цилиндрические оболочки часто объединяются в группы, что позволяет использовать сборные типовые конструкции. В этом случае тектоническое своеобразие оболочек подчеркивается такими средствами, как и у складчатых конструкций. Тонкость, изящество волнообразных покрытий надо показать художественно, выявить легкость и криво линейность поверхности, а для этого лучше всего открыть конструкцию с торца, использую края оболочек в качестве козырька. Следует также сосредоточить внимание зрителей на опорных элементах и диафрагмах жесткости.

Очертания оболочек могут быть самыми разнообразными – в виде цилиндрических сегментов, конусообразных, двоякой кривизны и др. Благодаря этому с помощью оболочек можно перекрывать пространства почти любой формы.

Оболочки могут не только соединяться в ряд, но и пересекаться, что дает архитектору большие возможности дополнительного формообразования. Простейшее пересечения двух цилиндрических оболочек образовывает крестообразное покрытие. Крестовый свод знали хорошо зодчие античного Рима. Грани пересечения оболочек выполняли функции ребер жесткости. Пересечение цилиндрических оболочек может происходить не только под прямым углом, но и под углами в 120, 60 или 45 градусов, образуя в плане правильные геометрические фигуры треугольника, шестиугольника, восьмиугольника и т.д. оболочки не обязательно должны иметь прямоугольную образующую, как в цилиндрических и конусообразных покрытиях. Изгибом цилиндрической оболочки или движением полуокружности по кривой линии можно получить поверхности двоякой кривизны. Оболочки двоякой кривизны приобретают дополнительную жесткость в направлении, перпендикулярном пролету, и могут выполняться без диафрагм жесткости. Однако работа оболочек двоякой кривизны в направлении пролета подобна работе свода, что вызывает необходимость устройства мощных опор или затяжек. Своды двоякой кривизны могут быть образованы и вращением криволинейной образующей, которой может служить полуокружность, гипербола, парабола и любые другие кривые.

Изучением схемы работы полусферы можно установить принципы тектоники полусферических оболочек.

Верхние элементы полусферы под воздействием сил тяжести стремятся прогнуться внутрь, а нижние выгнуться наружу. Это легко проверить, надавив на резиновый мячик. Следовательно, в полусфере при равномерно распределенной нагрузке в меридиональном направлении возникают усилия сжатия, а в горизонтальном внизу – усилия растяжения. Эти горизонтальные силы распора в оболочках воспринимаются арматурой, в полусфере на опорах при равномерно распределенной нагрузке имеют место только вертикальные усилия. Наличие в полусферических оболочках на опорном кольце только перпендикулярных сил является их преимуществом перед куполами старинных зданий, в которых единичные кольцевые связи не могли погасить полностью сил распора, передававшихся на нижележащие конструкции.

Работа оболочек двоякой кривизны только под воздействием сил растяжения, сжатия и сдвига – без изгиба – позволяет резко сократить толщину оболочки по отношению к пролету. Если для каменных конструкций эти отношения колеблются от 1/10 до 1/20, то для железобетонных оболочек оно иногда достигает огромной величины в 1/1500.

В строительной практике при выполнении покрытий часто используют не полную полусферу. А ее шарообразный сегмент. В этом случае меридиональные усилия сжатия, касательные к поверхности, в нижней части сегмента не будут вертикальными, в связи, с чем нужно предусмотреть специальные конструктивные мероприятия для опирания. Конструкцией, воспринимающей распор – горизонтальные радиальные усилия – обычно служит кольцевая рандбалка. Этот конструктивно необходимый элемент не следует маскировать, уменьшая этим тектоническую выразительность архитектурной формы. В ряде случаев кольцевая балка сочетается с наклонными с наклонными опорами, направленными по касательной к нижней части оболочки. Использование наклонных опор хорошо подчеркивает характер и направление основных усилий и способствует выявлению тектоники сегментной оболочки.

Возведение оболочек из монолитного железобетона – очень трудоемкий процесс, в котором значительное место занимает устройство опалубки и подмостей. При выборе типа оболочки должна учитываться возможность применения рациональных способов производства работ. В строительстве чаще всего используются оболочки двоякой кривизны, которые могут быть образованы с помощью прямых линий. К криволинейным поверхностям, получаемым из прямых отрезков, относятся гиперболоиды, коноиды, и гиперболические параболоиды. Наиболее распространены гиперболические параболоиды и седлообразные поверхности. Ценным качеством этих поверхностей является возможность расчленения их на участки, ограниченные прямыми линиями, что обеспечивает возможность примыкания их друг к другу и перекрытия прямоугольных в плане помещений. Седлообразные оболочки двоякой кривизны обладают большой пространственной жесткостью и выразительностью. Возникающие силы растяжения хорошо воспринимаются провисающими элементами, а силы сжатия – выпуклыми.

Седлообразная оболочка, как и обычный каменный свод, передает усилия распора на опорные конструкции. Соответственно характер работы конструкции требует утолщения крайних элементов и их усиления возле опор, что и служит основой для тектонического решения седлообразных оболочек. Седлообразные покрытия применяют в виде выреза из средней части гиперболического параболоида с двумя осями симметрии или в виде выреза из боковой части, который может не иметь осей симметрии. Вырезанные участки седлообразной поверхности могут быть как самостоятельными покрытиями, также и участвовать в комбинации из однотипных элементов. Чаще всего используют комбинации из четырех как бы перекошенных параллелограммов, которые в зависимости от расположения опор могут по- разному стыковаться. Усилия в этом случае концентрируются в бортовых элементах и местах стыка. Сжимающие усилия, передаваемые на опоры, в большинстве случаев требуют устройства затяжек.

Оболочки двоякой кривизны открывают перед архитекторами неограниченные возможности для формообразования, но при этом нельзя забывать, что архитектурная форма должна соответствовать объемно-пространственному и конструктивному решениям. Проектирование таких конструкций для небольших зданий – ошибочен, технически неграмотен и экономически не целесообразен. Такой прием неизбежно нарушает восприятие масштабности и искажает композицию.

В человеческом сознании геометрическая форма этих сооружений и их величина связывались размерами пространств, перекрываемых ими, или с количеством людей. находящихся в них. Одним из важнейших свойств восприятия является ассоциативность. Поэтому, когда вантовую конструкцию или Тамму стремятся применить для перекрытия небольшой библиотеки или кафе, сооружение получается не масштабным, нарушается его информативность, теряется конструктивная логика, в то время как смысл любого произведения архитектуры заключается в организации пространств, которые соответствовали бы масштабу человека. Тем не менее, оболочки, благодаря огромному разнообразию их форм, могут применяться и для небольших сооружений, таких как павильоны, кафе, транспортные остановки и т.п. Однако их применение в проекте требует специальных знаний, иначе оно будет механическим. Необходимо четко представлять себе работу этого вида покрытий.

Архитектор и дизайнер должен ясно представлять возможности той или иной конструкции, понимать характер работы, объединять и направлять действия инженерно-технического коллектива. А для этого необходима общая инженерно-техническая подготовка.

 

 

Вопросы для проверки:

1. Цилиндрические оболочки.

2. Купольные сооружения в новых условиях.

3. Работа полусферических оболочек.

4. Оболочки двоякой кривизны.

5. Седлообразные оболочки.

6. Скорлупа.

7. Сооружения сложных геометрических форм.

 

Лекция № 9