Великопролітні покриття

Великопролітні покриття сучасних промислових будівель, а також таких великих громадських будівель, як спортивні зали, палаци спорту, будівлі сучасних супер- і гіпермаркетів, можуть проектуватися як великопрогонові площинні або просторові конструкції. Вони розрізняються за характером своєї статичної роботи. У площинних конструкціях всі елементи працюють під навантаженням автономно, як правило, в одному напрямку і не беруть участь в роботі з'єднаних з ними конструкцій. У просторових конструкціях всі або більшість елементів працюють спільно в двох напрямках. Завдяки такій спільній роботі підвищуються жорсткість і несуча здатність конструкції, знижується витрата матеріалів на її зведення.

Большепролетная площинними конструкціями є балки і ферми покриття. Балки можуть бути прямокутного і двускатного обриси. Нижній пояс балки працює на розтяг, а верхній - на стиск. Тому в нижньому поясі повинна розміщуватися основна робоча арматура, а перетин верхнього пояса повинно мати велику площу бетону, добре працює на стиск. На опорах балки повинні бути потовщені для сприйняття максимальної поперечної сили від опорних реакцій. Про це йтиметься у відповідних курсах будівельної механіки і конструкцій. Прольоти балок не перевищують 18 м.

Прольоти 15, 18, 24 м і більше перекриваються стрижневими площинними конструкціями - кроквяними фермами. На рис. 13.48 показані типи ферм, що розрізняються за формою і, в якійсь мірі, по статичній роботі. Ферми можуть бути залізобетонними, сталевими і дерев'яними. Прикладом дерев'яних кроквяних ферм можуть служити ферми, запроектовані і побудовані інженером А. А. Бетанкур для перекриття 24-метрового прольоту Центрального виставкового залу в колишньому Манежі на Манежній площі в Москві, які після відновлення від пожежі добре види в інтер'єрі.

Сталеві кроквяні ферми

Рис. 13.48. Сталеві кроквяні ферми:

а - основні типи ферм; б - вузол обпирання на колону ферми з паралельними поясами при "нульовий" прив'язці (по зовнішній грані колони); в - те ж, полігональної при прив'язці 250 і 500 мм; г - те ж, трикутної при "нульовий" прив'язці; 1 - надопорних стійка; 2 - колона; 3 - ригель фахверка

Поряд з найдавнішими стрижневими стійко-балочними системами каркасних будинків з середини XX ст. впроваджені просторові перехресні стрижневі системи.

Перехресні стрижневі системи утворюються з лінійних взаємно пересічних під кутом 90 або 60 ° елементів (ферм або балок), які утворюють прямокутну, трикутну або діагональну сітку (рис. 13.49). Спільна просторова робота пересічних лінійних елементів істотно підвищує жорсткість конструкції. У порівнянні зі звичайними покриттями з окремих площинних елементів конструктивну висоту покриття можна зменшити більш ніж у два рази. Застосування перехресних стрижневих систем найбільш доцільно для перекриття квадратних, круглих і багатокутних в плані приміщень з пропорціями від 1: 1 до 1: 1,25. Для розвантаження основних прольотів доцільно пристрій консольних звисів перехресного покриття в 0,20-0,25 величини основного прольоту.

Перехресні системи покриттів

Рис. 13.49. Перехресні системи покриттів:

а - ж - схеми перехресних систем; з - до - положення опор під перехресної системою; л - перехресно-стрижневе покриття; м - варіанти обпирання і типи опор; L - проліт конструкції; L K - виліт консолі; 1 - опори; 2 - окаймляющий несучий елемент (балка або ферма); 3 - стрижень; 4 - коннектор; 5 - опора перехресно-стрижневої системи

Розрізняють перехресно-ребристі і перехресно-стрижневі системи. Перехресно-ребристі виконують з металевих або із залізобетонних бачок або з дощок елементів. Перехресно-стрижневі конструкції виконують головним чином з металу у вигляді систем з двох або чотирьох плоских ґратчастих дисків, розкріплених у двох напрямках похилими стрижнями, які утворюють ряд однакових пірамід з вершинами внизу, розкріплення стрижнями нижнього гратчастого диска.

Далі розглянемо криволінійні конструкції.

Арка являє собою плоско-просторову конструкцію у вигляді балки криволінійного (циркульного, параболічного та ін.) Обриси (рис. 13.50, а). Его як би проміжний тип конструкції між площинними і просторовими. У арках виникають в основному стискаючі і тільки за певних умов згинальні зусилля. Тому арками можна перекривати значно великі прольоти, ніж балками. Однак на відміну від балок арки передають на опори не тільки вертикальні, але й горизонтальні сили - растр. Тому опори повинні бути потужними, укріплені контрфорсами. Розпір можна погасити також затяжками, стягивающими п'яти арки і працюючими на розтяг.

Циліндричний звід (рис. 13.50, 6) - просторова конструкція, складена з безлічі арок, що має кривизну в одному напрямку. Утворює в циліндричному зводі є пряма, яка утворює криволінійну поверхню по направляючої (по дузі арки). Така поверхня зручна в будівельній справі, так як для її виготовлення можна застосовувати просту опалубку з прямих дощок, що укладаються по криволінійним "кружалам".

Перетин двох циліндричних склепінь з однаковою стрілою підйому (f) утворює хрестовий звід, що складається з чотирьох рівновеликих частин циліндричного склепіння - распалубок і має чотири опори (рис. 13.50, в).

Криволінійні конструктивні системи

Рис. 13.50. Криволінійні конструктивні системи:

а - арка; б - циліндричний звід; в - хрестовий звід; г - зімкнутий звід: д - купол; е - вітрильний звід; ж - полога оболонка; з - бондарним звід; і - лоткові звід; до - поверхня у формі гіперболічного параболоїда ; л - покриття з чотирьох оболонок у формі гіперболічного параболоїда; 1 - затяжка; 2 - розпалублення; 3 - щока

Зімкнутий звід також утворюється з чотирьох однакових частин поверхні циліндричного зводу, званих лотками або щоками, але спираються по всьому периметру перекривається площі (рис. 13.50, г).

Різноманітні види склепінних конструкцій застосовувалися в архітектурі Стародавньої Персії. Великого розквіту вони досягли в епоху Стародавнього Риму та Візантії (I ст. До н.е. - IV ст. Н.е.). Зводилися ці конструкції з цегли, тесаного каменю і бетону. Подальший розвиток вони отримали в епоху романики і готики (XI-XV ст.). Стрілчасті готичні арки і склепіння були занесені в Європу під час хрестових походів. Вони були характерні для архітектури Арабського халіфату (VII-IX ст.). У сучасній будівельній практиці склепінчасті конструкції виконуються із залізобетону, армоцемента, а арочні - із залізобетону, сталі і дерева. У будівельній механіці такі конструктивні елементи називаються оболонками.

Якщо половину арки обертати як твірну навколо вертикальної осі, то отримаємо купол (рис. 13.50, д). Поверхню купола має кривизну в двох напрямках. Оболонки, що мають кривизну у двох напрямках, називаються оболонками двоякою гауссовой кривизни (Карл Фрідріх Гаус - великий математик). Похідною купола є вітрильний звід (вітрильна оболонка), який на відміну від купола спирається тільки на чотири опори і перекриває простір, квадратне в плані (рис. 13.50, е).

Пологі оболонки двоякою позитивної гауссовой кривизни (рис. 13.50, ж) знаходять широке застосування в будівництві сучасних суспільних і промислових будівель. До таких оболонкам відносяться також оболонки перенесення: бондарним і лоткові склепіння. Їх поверхні утворюються шляхом руху (перенесення) кривої за іншою кривою, розташованої в площині, перпендикулярній до площини першої кривою (рис. 13.50, з, і).

Особливу групу криволінійних конструкцій представляють оболонки двоякою негативною гауссовой кривизни у формі гіперболічного параболоїда, або гіпару (рис. 13.50, к). Його поверхня утворюється рухом параболи гілками вгору по параболі гілками вниз, тобто параболи мають різні знаки. Лотковий звід також може мати форму гіперболічного параболоїда. Гіперболічний параболоїд відноситься до числа лінійчатих поверхонь і може бути утворений шляхом застосування прямолінійних конструктивних елементів. З частини параболоїда, виділеної на рис. 13.50, до, можна шляхом різних комбінацій отримати оригінальні види оболонок (рис. 13.50, л).

Повної (або гауссовой) кривизною поверхні До називається величина, зворотна твору радіусів кривих направляючої й утворюючої поверхні, тобто.

У випадку, коли обидва радіуса мають однакові знаки, тобто їх центри знаходяться з одного боку від поверхні, величина До буде позитивною (рис. 13.51, а). У другому випадку (рис. 13.51, б) значення До - негативне, так як радіуси мають різні знаки. Поверхня називається поверхнею негативною гауссовой кривизни.

Поверхні позитивною (а) і негативною (б) кривизни

Рис. 13.51. Поверхні позитивної (а) і негативною (б) кривизни

Оболонки двоякої кривизни є розпірними конструкціями. У більшості типів склепінь-оболонок розпір спрямований назовні. У гінарах і лоткових склепіннях він спрямований усередину. Це означає, що для сприйняття розпору в оболонках позитивної кривизни і циліндричних необхідно влаштовувати затягування, як в арках. Замість них можна застосовувати діафрагми по торцях і всередині довгих циліндричних оболонок або спирати ці оболонки на потужні опори, іноді посилюються контрфорсами.

Технічні можливості застосування каменю в купольних спорудах були вичерпані в 1 тис. Н.е. при перекритті будівлі Пантеону в Римі куполом діаметром 43,2 м. Купол спирається на кільцеву стіну, товщина якої для погашення розпору - 8м (рис. 13.52). Іншим неперевершеним купольним спорудою давнину є купол храму Св. Софії в Константинополі діаметром 31,5 м. Цей купол спирається через систему з чотирьох сферичних вітрил тільки на чотири опори (рис. 13.53). На відміну від масивної стіни в Пантеоні в храмі Св. Софії розпір купола передається через арки і напівкуполи на суміжні прольоти (нефи), просторова жорсткість яких і дозволяє витримати горизонтальну складову розпору.

Рим, Пантеон (II ст. Н.е.)

Рис. 13.52. Рим, Пантеон (II ст. Н.е.):

а - загальний вигляд: б - розріз

Собор Св. Софії в Константинополі (VI ст. Н.е.)

Рис. 13.53. Собор Св. Софії в Константинополі (VI ст. Н.е.):

а - загальний вигляд; б - план; в - аксонометрія несучих конструкцій; 1 - арочні підвалини, сприймають розпір покриття в поперечному напрямку; 2 - вітрило; 3 - купол; 4 - напівкуполи, сприймають розпір в поздовжньому напрямку

У XX ст. змінилися геометричні параметри куполів і оболонок. Стійкість кам'яної конструкції купола вимагала, щоб стріла його підйому становила близько половини його діаметру. Залізобетон дозволив зменшити стрілу підйому до 1 / 5-1 / 6 діаметра і одночасно досягти такої тонкостінних куполів, яка перевершує тонкостінних біологічних структур. Так, відношення товщини до діаметру у оболонки покриття великого олімпійського палацу спорту в Римі, побудованого в 1959 р видатним інженером-архітектором П'єтро Луїджі Нерві, одно 1/1525. У курячого яйця воно складає 1/100.

Застосування залізобетону і металу для склепінь-оболонок позитивної та негативної гауссовой кривизни дозволяє робити їх дуже легкими і створювати нові архітектурні форми. На рис. 13.54 показано будівлю аквапарку в м Воронежі, покрите оболонкою у формі гіперболічного параболоїда. Залізобетонна оболонка на прямокутному плані стоїть на двох "ногах" - основних опорах, розташованих у двох протилежних її кутах. Опори сприймають нормальні зусилля від бортів і передають вертикальну реакцію на грунт, а горизонтальну складову - через підкіс на затяжку, що знаходиться в підвалі споруди. Сприйняття несиметричних завантажень забезпечують металеві конструкції вітражів. Засклені стіни надають будівлі враження легкості і оригінальності.

Аквапарк у Воронежі

Рис. 13.54. Аквапарк у Воронежі

Комбіновані оболонки починаючи з останньої третини XX ст. отримали широке застосування для покриття великопрольотних будівель. Вони комбінуються з фрагментів оболонок з однаковими або різними знаками кривизни. Такі комбінації дозволяють домогтися вигідних технічних параметрів (наприклад, зменшення стріли підйому) і отримати індивідуальну виразність архітектурних споруд з різною формою плану. Поряд з покриттями залів такі оболонки ефективні для застосування в інженерних спорудах - баштах, резервуарах і т.п.

Особливу групу просторових конструкцій представляють складчасті конструкції (складки). Складки складаються з плоских або криволінійних тонкостінних елементів трикутного, трапецієподібного або іншої форми перетину (рис. 13.55). Вони дозволяють перекривати великі прольоти (до 100 м), економно використовують матеріали і часто визначають архітектурно-художню виразність споруди. Складки, так само як і циліндричні оболонки і оболонки двоякої кривизни, є розпірними конструкціями. Тому по торцях у всіх вільних складки, або в одній, або декількох вільних необхідно влаштовувати діафрагми жорсткості або горизонтальні стрижневі зв'язку, що працюють на розтяг.

Складки та намети

Рис. 13.55. Складки та намети:

а, б - призматичні пилковидні і трапецеїдальні; в - пилковидні з трикутних площин; г - намет з плоским верхом; д - складка-капітель; е - складка-шатер зі спущеними краями; ж - багатогранний шатер; з - до - багатогранні складчасті склепіння ; л - багатогранний складчастий купол; м - збірне складчатое призматичне покриття; н - збірна складка з плоских елементів

Висячі конструкції відомі з середини XIX ст. Але широко застосовуватися вони стали на 100 років пізніше. Основними несучими елементами в них є гнучкі троси, ланцюги, кабелі (ванти), що сприймають тільки розтягуючі зусилля. Висячі системи (рис. 13.56) можуть бути плоскими і просторовими. У плоских конструкціях опорні реакції паралельних робочих тросів передаються на опорні пілони, здатні сприйняти вертикальні опорні реакції і розпір, який в цьому випадку діє в напрямку, протилежному розпору в опуклих оболонках. Тому для його сприйняття в деяких випадках застосовуються відтягнення (див. Рис. 13.56, а), надійно забиті в землі за допомогою анкерів - спеціальних елементів, здатних витримати висмикують зусилля. Іноді негативний розпір сприймається самою формою опорних конструкцій, як, наприклад, у спортивному залі в Бремені (Німеччина) (рис. 13.57). Тут опорні конструкції виконані у вигляді трибун, що врівноважують цей розпір.

Висячі конструктивні системи

Рис. 13.56. Висячі конструктивні системи:

а - плоска: б - просторова двоякою кривизни: в - просторова горизонтальна

Опори висячого покриття над залом в Бремені (Німеччина)

Рис. 13.57. Опори висячого покриття над залом в Бремені (Німеччина)

До основної конструкції за допомогою розтягнутих тросів підвішується захисна конструкція покриття. Захисна конструкція може бути виконана також з монолітного залізобетону або зі збірних залізобетонних плит, які відіграють також роль пригрузочним елементів, що перешкоджають зворотний вигин таких покриттів при вітровому "отсосе", тобто вітрового навантаження, спрямованої знизу вгору. Для забезпечення геометричної незмінюваності таких конструкцій використовують різні способи їх стабілізації. У вищеописаних плоских системах часто вдаються до попереднього напрузі шляхом укладання поверх плит додаткового пригруза. Після видалення пригруза троси, намагаючись скоротитися до первісної довжини, обжимають замоноліченими залізобетонне покриття, перетворюючи його в висячу увігнуту жорстку оболонку. Водовідвід з покрівлі в таких конструкціях здійснюється регулюванням натягу вант покриття (більш сильне - в центрі будівлі, більш слабке - по торцях).

Просторова висяча конструкція (рис. 13.58) складається з опорного контуру і з системи тросів, що утворюють поверхню, по якій може бути покладена захисна конструкція. Опорний контур (залізобетонний або сталевий) сприймає розпір від системи тросів. Вертикальні навантаження передаються на стійки, що підтримують опорний контур, або на інші конструкції. Для стабілізації просторових висячих конструкцій часто застосовують дві системи тросів - робітників і стабілізуючих (двухпоясная конструкція). Троси обох систем розташовуються попарно в площинах, перпендикулярних поверхні покриття, і з'єднуються один з одним жорсткими розпірками, що створюють попереднє напруження тросів. У статичній роботі такої системи захисна конструкція покриття не бере і може бути влаштована по несучих (провисаючим) або по стабілізуючим (опуклим) тросах (рис. 13.59).

Однопоясние, сітчасті, вантові покриття

Рис. 13.58. Однопоясние, сітчасті, вантові покриття:

а - покриття арени в США; б - покриття співочої естради в Талліні; в - вантова преднапряжная сітка з тросами-підбираннями; г - сітчасте многомачтовое покриття виставкового павільйону ФРН на Всесвітній виставці 1967 р в Монреалі; д - його план з горизонталями; 1 - несучі ванти; 2 - попередньо напружені стабілізуючі ванти; 3 - дві пересічні похилі арки - опорний контур; 4 - відтяжки, використовувані як каркас огородження; 5 - передня похила арка; 6 - задня опорна арка, оперта на стіну; 7 - опори; 8 - трибуни; 9 - фундаменти; 10 - фундамент під стіну; 11 - троси-підбори; 12 - відтяжки; 13 - анкери; 14 - щогли під верхнє спирання тросів-підбирань; 15 - горизонталі покриття

Двухпоясние, попередньо напружені і струнні покриття

Рис. 13.59. Двухпоясние, попередньо напружені і струнні покриття:

а - двухпоясное на круглому плані над аудиторією (США); б - те ж, над Палацом спорту "Ювілейний" в Санкт-Петербурзі; 1 - несучі ванти; 2 - стабілізуючі ванти; 3 - розпірки; 4 - центральний барабан з ліхтарем; 5 - опорний контур; 6 - стійки; 7 - трибуни; 8 - відтяжки; 9, 10 - кільцеві зв'язку жорсткості; 11 - підвішена платформа для обладнання

Мембранні оболонки найбільш ефективні серед висячих конструкцій, так як вони поєднують несучі та огороджувальні функції. Вони складаються з тонких металевих листів, закріплених на контурі. Використовуючи в якості матеріалу сталь товщиною всього 2-5 мм, ними можна перекривати прольоти понад 300 м. Мембрана працює в основному на розтяг у двох напрямках. Таким чином, небезпека втрати стійкості виключається. Зусилля з пролітної конструкції сприймаються замкнутим опорним контуром, працюючим спільно з мембраною, яка в більшості випадків забезпечує його стійкість. Максимальний проліт (224 χ 183 м) перекритий металевим мембранним покриттям над Палацом спорту "Олімпійський" в Москві. На рис. 13.60 показані загальний вигляд і процес монтажу мембранної оболонки над ковзанярським центром у м Коломиї.

Мембранна оболонка над ковзанярським центром у м Коломні

Рис. 13.60. Мембранна оболонка над ковзанярським центром у м Коломні:

а - архітектурний макет комплексу; б - подача рулонірованних полотнищ мембрани, їх розкочування по тимчасовим елементам ліжку

Тентові покриття використовуються як тимчасові споруди великих прольотів - цирки шапіто, склади, спортивні та виставкові павільйони. Залежно від виду м'якого матеріалу такі споруди можуть застосовуватися і для відповідальних споруд. Прикладом можуть служити олімпійські споруди в Мюнхені (Німеччина), які були побудовані до Олімпіаді 1972 року, але прекрасно експлуатуються вже протягом 40 років. Матеріалом покриття служить спеціальне світлопрозоре гнучке органічне скло - плексиглас-215. Це попередньо напружений матеріал, за зовнішнім виглядом нічим не відрізняється від звичайного органічного скла.

Пневматичні конструкції починаючи з другої половини XX ст. широко застосовуються для тимчасових споруд, що вимагають швидкого монтажу і демонтажу (тимчасові склади, виставкові павільйони). В останні роки такі конструкції стали застосовуватися для масового будівництва спортивних залів. Застосовуються такі конструкції і для опалубки при зведенні монолітних залізобетонних оболонок. Конструкції виконуються з повітронепроникної прогумованої тканини, синтетичних плівок або інших м'яких повітронепроникних матеріалів. Конструкція займає проектне положення завдяки надмірному тиску заповнює її повітря. Розрізняють повітряноопорні і пневмокаркасних конструкції (рис. 13.61).

Типи пневматичних покриттів

Рис. 13.61. Типи пневматичних покриттів:

а, б - повітряноопорні; в - пневматична лінза; г - фрагмент стеганой конструкції; д, е - каркасні пневматичні склепінні покриття; ж - пневматичний арочний купол; 1 - повітронепроникна оболонка; 2 - вікно-ілюмінатор з органічного скла; 3 - анкери- штопори для кріплення до грунту; 4 - шлюз; 5 - тяж- "простежка"; 6 - сталевий опорний пояс лінзи; 7 - розтяжка для додання поздовжньої стійкості і підтримки тенту покриття

Проектне положення Повітроопірна конструкції забезпечується дуже незначним надлишковим тиском (0,002-0,01 атм), яке не відчувається людьми, що знаходяться в приміщенні. Для збереження надлишкового тиску входи в приміщення здійснюються через спеціальні шлюзи з герметичними дверима. У систему інженерного устаткування включені вентилятори, при необхідності підкачувальні повітря всередину приміщення. Характерні прольоти - 18-24 м. Але існують проекти в Канаді по перекриттю цілих міст в Арктиці Повітроопірна оболонками прольотом до 5 км і більше. Пневматичні каркаси (воздухонесущіе системи) виконують з довгих вузьких балонів, в яких створюють надлишковий тиск (0,3-1,0 атм). Конструктивна форма такого каркаса - арочна. Арки встановлюються впритул один до одного, утворюючи суцільний звід, або на відстані. Крок арок - 3-4 м, проліт - 12-18 м.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >