Архитектура сооружений с подвесными покрытиями

 

 

Успешное развитие архитектуры в условиях научно-технического прогресса неразрывно связано с использованием передовых достижений в различных областях науки и техники и, прежде всего, с применением прогрессивных конструктивных систем и новых эффективных строительных материалов.

Среди современных строительных конструкций наиболее рациональными для сооружений среднего пролета и единственно возможными для большепролетных являются пространственные системы покрытий. Они позволяют без существенного увеличения трудозатрат на изготовление и расхода материалов по сравнению с плоскостными конструкциями освободить перекрываемое пространство от промежуточных опор. При этом обеспечивается универсальность использования здания, более интенсивная его эксплуатация, замедляется его моральное старение, создаются необходимые условия для приспособления его к новым функционально-технологическим процессам.

Из пространственных конструкций выделяются висячие системы покрытий. Они экономичны, наименее материалоемки, обладают богатыми объемно-пластическими возможностями и художественно-декоративными качествами.

Конструкции, включающие оттяжки или ванты, особенно в сочетании с матерчатой оболочкой использовались с давних времен. Однако они применялись преимущественно при выполнении временных сооружений переносного типа (палатки, шатры, навесы и т.д.).

Только освоение металла как строительного материала выявило все преимущества вантовых конструкций, в которых основные несущие элементы – тросы – работают исключительно на растяжение. Тысячелетиями совершенствовались методы восприятия конструкциями сил сжатия. Мысль архитекторов работала над тем, как избежать в каменных конструкциях усилий растяжения. Изобретение железобетона облегчило задачи строителя, дав возможность создания конструкций, воспринимающих изгибающие усилия. Применение высокопрочных стальных тросов способствовало дальнейшему совершенствованию большепролетных конструкций, работающих на растяжение. Первые металлические подвесные покрытия появились в конце XIXвека. Замечательный русский инженер В.Р. Шухов еще в 1895 году получил патент на висячие вантовые покрытия. Однако понадобилось полстолетия, чтобы вантовые конструкции стали применять в архитектуре.

Висячие или вантовые конструкции образуют покрытия, поверхность которых может иметь одинарную или двоякую кривизну. К висячим конструкциям относятся также подвесные покрытия, в которых ванты расположены над конструкцией кровли; комбинированные конструкции из тросов и стержней, не нашедшие еще широкого применения в практике. Принцип действия последних основан на том, что стержни воспринимают все сжимающие усилия, а тросы – растягивающие.

Материалы, из которых выполняются висячие покрытия, весьма разнообразны. Тросы и ванты делаются из стальных канатов или стержней, а также канатов из искусственных волокон; покрытия – из железобетона, легких армированных материалов, специальных тканей т и.д.

Пролеты, перекрываемые висячими конструкциями, достигают 100 и более метров.

Еще один вид висячих покрытий – тентовые покрытия, к которым относятся палатки, шатры, тенты, начал применяться в строительстве относительно недавно, несмотря на их очень давнюю историю. Характерной чертой тентовых покрытий является полное единство формы и конструкции. Так как конструкция собственно и есть форма. Основными конструктивными элементами тентовых конструкций являются жесткие стойки (мачты), растянутые полотнища (ткань или имитирующий ткань материал) и тросы, на которых растянуты полотнища. Покрой полотнищ, образующих поверхность двоякой кривизны, должен обеспечивать пространственную форму после натяжения.

Тентовые покрытия вполне приемлемы для небольших сезонных сооружений и тентовых навесов. Применение тента на детской площадке. В сочетании с игровыми элементами и малыми формами может дать интересное композиционное решение.

Выразительная пластика поверхностей висячих конструкций, их выразительные очертания позволяют достичь значительного композиционного эффекта.

Висячие конструкции получили широкое распространение в строительстве. Они оказывают большое влияние на формирование архитектуры, их применяют для зданий со сложными объемно – пространственными решениями, их пластические качества обогащают художественную палитру архитектора. Инженерно-технические возможности висячих конструкций открывают большие перспективы в решении сложных функционально-технологических и технических вопросов, возникающих при использовании крупных общественных зданий, мостов, путепроводов, линий электропередачи, трансформирующихся покрытий и сборно-разборных сооружений. В последние годы висячие конструкции начинают завоевывать позиции в многоэтажном и высотном строительстве. Столь стремительное распространение висячих конструкций является закономерным воплощением достижений научно-технической мысли в строительстве и архитектуре.

Нарастание темпов распространения висячих систем объясняется, прежде всего, их экономической эффективностью, низкой материалоемкостью и принципиально новыми возможностями, открывающимися для решения сложных архитектурно-планировочных и конструктивно-технических задач.

Конструкции, относящиеся к висячим системам, начали применяться с давних времен. Наряду со стоечно-балочными системами, наши далекие предки успешно использовали конструкции шатрового типа, изготовляемые из кожи, ткани, войлока и других мягких материалов, а для устройства переправ через реки и ущелья сооружали довольно сложные конструкции из лиан, канатов и т.п.

В период расцвета ордерной архитектуры древние зодчие успешно применяли и более сложные инженерные решения. Плиний сообщал, что тент, натянутый над Колизеем в Риме, казался более удивительным, чем гладиаторский бой.

Сохранились сведения о применении большепролетных висячих покрытий в Древней Греции.

Не меньшего удивления заслуживают величественные сборно-разборные и передвижные сооружения кочевников, которые на довольно таки высоком для своего времени техническом уровне умели решать вопросы быта и обеспечения комфорта походного существования.

Значительный опыт по практическому применению конструкций висячего типа из мягких материалов был накоплен в период расцвета парусного судостроения. Отсюда заимствованы многие термины, используемые в области висячих покрытий, а также различные приемы решения силовых узлов и такелажных приспособлений.

Висячие системы, в том числе и висячие покрытия, характеризуются тем, что основные несущие элементы пролетных конструкций при эксплуатации сооружения работают преимущественно на растяжение, т.е. существование висячей системы, ее способность выполнять несущие функции обеспечивается конструктивными элементами, в которых при эксплуатации сооружения возникают в основном растягивающие усилия.

Работа материала на растяжение обеспечивает максимальное использование его прочностных характеристик в отличие от тех конструкций, в которых материал испытывает иные виды напряженного состояния, например, в конструкциях, работающих на сжатие, когда возникает необходимость обеспечения устойчивости несущего элемента, зависящего не столько несущей способности материала, сколько от свободной длины элемента и геометрических характеристик его сечения. Таким образом, висячие конструкции можно минимализовать по несущей способности материала на растяжение, следовательно, получить наименее материалоемкие решения, обладающие минимальной массой.

Висячие системы, в том числе и висячие покрытия, формируются на основе использования принципов работы основного несущего элемента конструкции – гибкой нити. Под понятием «гибкая нить» подразумевают идеальный, не имеющий собственного веса. Конструктивный элемент, способного воспринимать без изменения длины только усилия на растяжение, не сопротивляясь сжатию, изгибу, кручению и любым другим воздействиям.

Закономерности поведения гибкой нити под воздействием внешних сил лежат в основе формирования объемно-пространственной структуры и работы висячих систем. Они играют решающую роль при выборе формы покрытия, определении прогибов, величин и направлений усилий, приемов стабилизации и определения эффективности и целесообразность применения покрытия. Эти же закономерности принимают за основу при выборе средств эстетической выразительности и выявления системы тектоники сооружения.

В практике строительства роль нити выполняет вант. В отличие отгибкой идеализированной нити вант изготавливают из реального материала с конкретными физико-механическими свойствами, что, однако не мешает, в целом вести расчеты подвесных конструкций.

Теоретические расчеты показывают, что висячими конструкциями из высокопрочной стали можно перекрывать рекордно большие пролеты (порядка 36 км), чего нельзя достичь другим путем. На практике наибольший безопорный пролет, равный 1296 м осуществлен при строительстве висячего моста через вход в Нью-йоркскую бухту, а в устье р. Хамбер, близ Гуля (Англия) с пролетом в центральной части 1390 м.

Возможности перекрытия больших пространств без промежуточных опор снимает конструктивные ограничения на организацию гибкой планировки зданий, позволяет приспосабливать его под различные меняющиеся во времени функционально-технологические процессы, распоряжаться перекрытым пространством в соответствии с потребностями производства, быта и общественной жизни, делая конструкцию и сооружение универсальными во времени.

Несущая способность висячей системы зависит от геометрической формы. При этом зодчий основывается на пластических средствах архитектурной выразительности, базирующихся не на привнесенных извне произвольных декоративных элементах, а на материализованном выражении в архитектурной форме конструктивной сущности несущей системы, особенностей её работы, распределении и гармоническом распределении гармоническом взаимодействии сил.

Висячие конструкции технологичны в изготовлении, их можно возводить без поддерживающих лесов или сложных монтажных приспособлений. Что значительно упрощает и ускоряет строительство.

В настоящее время существует много вариантов висячих покрытий, позволяющие перекрывать огромные пространства различной формы. Тросы могут подвешиваться к опорам, расположенным друг против друга, или к замкнутому контуру. Круглая форма плана позволяет типизировать элементы покрытия и упростить конструкцию опор. В этом случае радиальные ванты натягиваются между внешними и внутренними кольцами. Внешнее кольцо работает на сжатие и обычно выполняется из железобетона, а внутреннее – на растяжение и как правило делается металлическим. Все сжимающие усилия от перекрытия погашаются в наружном кольце и не передается на опоры, которые воспринимают только силы тяжести и ветровые нагрузки, что значительно упрощает их конструкцию.

Тектонические особенности висячих конструкций лучше выражаются в интерьере и значительно труднее в экстерьере, так как снаружи само покрытие часто не видно. В этом случае архитектурное решение следует направить на выявление работы внешнего опорного контура. Желательно также, чтобы очертания покрытия просматривались сквозь остекление. Вантовые конструкции позволяют делать покрытия самых разнообразных форм, в том числе и в виде поверхности двоякой кривизны, которая обеспечивает стабильность всей системы. В этом случае опорный контур должен давать возможность образования вогнуто-выпуклой поверхности. Для этого несущие тросы закрепляются повышенными участками контура и создают вогнутую поверхность, а тросы жесткости располагаются перпендикулярно и заанкериваются в пониженных участках, приобретая в связи с этим выпуклую форму. Натяжение тросов обеспечивает равновесие всей системы. Криволинейная форма покрытия может создаваться за счет переменной высоты опорного контура, так и с помощью дополнительных повышенных элементов, к которым крепится один конец тросов.

Недостатком висячих конструкций являются повышенная деформативность систем под действием неравномерных и знакопеременных эксплуатационных нагрузок, а также наличие больших усилий распора, для погашения которых приходится использовать соответствующие опорные конструкции и анкерные устройства.

Висячие конструкции применяют в мостостроении, при прокладке трубопроводов, строительстве линий электропередач, антенно-мачтовых сооружений, промышленных, жилых и административных зданий. Наиболее широкое применение висячие конструкции нашли в строительстве большепролётных покрытий над сооружениями зального типа.

В висячих покрытиях различают пролетные и опорные конструкции. К пролетным конструкциям относятся элементы, образующие непосредственно само покрытие, - систему несущих вант, мембрану, полотнище тента, элементы заполнения ячеек вантовой сети, кровлю и т.п.. К опорным относят поддерживающие конструкции покрытия – бортовой элемент (опорный контур), стойки, системы оттяжек, фундаменты и другие части сооружения, передающие нагрузки на основание и обеспечивающие работу пролетных конструкций. Опорный контур – конструктивный элемент, на котором непосредственно закреплены пролетные конструкции, - может быть жестким, т.е. способным работать на сжатие изгиб и кручение, гибким, выполненным с пренебрежительно малой жесткостью на изгиб и кручение.

Среди многочисленных типов висячих покрытий наибольшее распространение получили висячие оболочки, вантовые, мембранные и тентовые покрытия.

Развитию и распространению висячих систем способствуют достижения в области теории расчета и возможности её применения для решения практических задач. Однако, один из ведущих специалистов. Пионер и энтузиаст висячих покрытий О. Фрей пишет, что правильное конструирование тентов – одного из видов висячих систем – является чрезвычайно сложным и что из всех строительных конструкций висячие системы – наиболее трудная область строительства. Висячие покрытия требуют высоких знаний; часто от точных решений приходится отказываться. Так как до последних лет на это не имеется достаточных научных предпосылок.

Внедрению в практику строительства висячих покрытий способствуют успехи в создании и массовом производстве новых высокоэффективных несущих и ограждающих материалов – высокопрочных канатов и проволоки, листового металла (рулонного алюминия и стальных профильных листов), легких утеплителей, новых типов синтетических и искусственных тканей, полимерных пленок и т. д.

 

 

Вопросы для проверки:

 

1. Возможности применения оболочек и подвесных конструкций.

2. Преимущества применения оболочек и подвесных конструкций.

3. Исторические примеры использования подвесных конструкций.

4. Основные усилия, возникающие в подвесных конструкциях.

5. Недостатки подвесных конструкций.

6. Материалы, используемые при создании подвесных конструкций.

 

Лекция – 10