АРХІТЕКТУРНО-БУДІВЕЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ МЕТАЛЕВИХ ОБОЛОНОК

В результаті вивчення даного розділу студент повинен:

знати

  • • досягнення сучасної архітектури в області проектування і будівництва великопрольотних металевих просторових структур і оболонок;
  • • видатні просторові металеві споруди різних країн;
  • • основні принципи конструювання стрижневих і сітчастих оболонок;
  • • основні принципи конструювання ребристо-кільцевих металевих куполів;

вміти

  • • вибирати відповідні будівельні конструкції для проектування і зведення будівель і споруд різного призначення;
  • • вибирати раціональну форму будівлі з декількох запропонованих варіантів, спираючись на знання картини розподілу внутрішніх силових факторів, технологічні та ергономічні вимоги до спорудження;
  • • не допускати відступів від проекту, що призводять до аварій і руйнувань конструкцій з металу;
  • • оцінювати технічний стан об'єкта;

володіти

  • • інформацією про останні досягнення будівельної науки стосовно архітектурно-будівельних конструкцій з металу;
  • • навичками проектування великопрольотних просторових конструкцій з прокатних металевих профілів;
  • • знанням про потреби сучасного суспільства в спорудах з металу;
  • • знанням про потреби сучасного суспільства в спорудах, що володіють великою просторовою волею форм.

Приклади стрижневих і сітчастих металевих оболонок, побудованих у другій половині XX - початку XXI ст.

В даний час двовимірні (одношарові) стрижневі структури у формі заданої поверхні бувають двох видів: структури з лінійчатої серединною поверхнею і структури, отримані шляхом апроксимації поверхонь ненульовий гауссо-

22-метрова конічна стрижнева структура

Мал. 12.1. 22-метрова конічна стрижнева структура

Джерело: designboom.con

Циліндрична структура з одним сімейством вертикальних стрижнів.  Санкт-Петербург, ріг вул.  Добролюбова і Митнінской наб.

Мал. 12.2. Цилиндрическая структура з одним сімейством вертикальних стрижнів. Санкт-Петербург, ріг вул. Добролюбова і Митнінской наб.

виття кривизни площинами, бажано, одного типорозміру ( паркетірованіе поверхні). У першому випадку одне сімейство прямих стрижнів структури може не збігатися (рис. 12.1) або збігатися (рис. 12.2) з прямолінійними створюючими серединної поверхні, взятої за основу. В іншому варіанті стрижні ставляться вздовж прямих ліній перетину двох аппроксимирующих площин. На рис. 12.3 зображена сферична поверхня, аппроксимированная системою п'ятикутних пластин.

В останні роки сітчасті оболонкові структури застосовують навіть частіше, ніж залізобетонні тонкостінні оболонки. На рис. В.37 представлений проект спільного покриття зі сталі та скла двох окремих будинків готелів в Абу-Дабі (ОАЕ). Покриття спирається на 10 V-образних колон, а горизонтальні впливу сприймаються підкосами, встановленими на рівні перекриттів готелів. На рис. 12.4 [1] дано найбільш важливі вузли з'єднання стрижневих елементів цього покриття, що складається з понад 5000 сполук. Гладка поверхня оболонки аппроксимирована плоскими прямокутними елементами, що полегшило скління оболонки, причому ці елементи кре-

Сферична поверхня, аппроксимированная системою п'ятикутних пластин, фірма "Кімідорі Кенчіку" (Kimidori Kenchiku), Японія

Мал. 12.3. Сферична поверхня, аппроксимированная системою п'ятикутних пластин, фірма "Кімідорі Кенчіку" (Kimidori Kenchiku), Японія

Вузли з'єднання стрижневих елементів покриття з контурними балками

Puc. 12.4 [5]. Вузли з'єднання стрижневих елементів покриття з контурними балками

(Пояснення: primary structure - головний стрижень; secondary structure - другорядний стрижень; edge beam - контурна балка; strut - підкіс; steel box - сталевий короб; spherical cap - сферичний шарнір)

пятся до неплоскою решітці оболонки, чим забезпечується стійкість до динамічного впливу вітру. V-подібні колони діаметром від 508 до 914 мм і товщиною 30 або 40 мм і контурна балка діаметром 559 мм і товщиною від 14 до 70 мм мають трубчасте поперечний переріз, а елементи решітки виконані з гарячекатаного прямокутного полого сталевого прокату 100 × 250 мм з товщиною стінки від 7 до 40 мм.

Часто стрижневі оболонкові структури виконують роль декоративного доповнення до основної споруди і надають йому легший повітряний вид. Сталева структура вежі в 41 поверх в Цинциннаті, США, що складається з 15 арок і сотень інших сталевих елементів, виглядає як тіара (рис. 12.5, а). На рис. 12.5, б представлена її тривимірна модель, розроблена Т. Томазетті. Тіара в плані має форму еліпса з осями 48,5 X 28,3 м і стрілу підйому в 39,6 м. Головні арки виготовляються з труб діаметром 16 дюймів (1 дюйм = 2,54 см), інші арки - з труб діаметром від 4 до 8,625 дюймів. Залізобетонна плита, на якій встановлюється тіара, - товщиною 8 дюймів. Основні сталеві арки заанкерени в основу за допомогою сталевих стрижнів діаметром 38 мм. Обраний конструктивне рішення забезпечує

Будівля в 41 поверх, увінчане сталевий короною з 51 арки.  США, м Цинциннаті, 2011 р

Мал. 12.5. Будівля в 41 поверх, увінчане сталевий короною з 51 арки. США, м Цинциннаті, 2011 р

конструкції жорсткість у вертикальному і бічному напрямках. Конструкція розрахована також на 5 см криги на кожну трубу.

Розглянемо більш докладно двовимірні сталеві стрижневі структури, побудовані на основі однополостного гиперболоида обертання (див. Рис. 11.1). Той факт, що через кожну точку однополостного гиперболоида обертання проходять дві прямі, що лежать цілком на Гіперболоїд, дуже імпонує архітекторам і проектувальникам, так як дає можливість проектувати споруду у вигляді просторової стрижневої системи. Розглянемо приклади побудованих стрижневих споруд в формі однополостного гиперболоида обертання. Вважається, що ця форма споруд створює їм оптимальні умови для аеродинаміки, міцності і стійкості.

Ідея В. Г. Шухова про створення опорної частини водонапірних веж з ґратчастих конструкцій, стрижні яких збігаються з прямолінійними створюючими однополостного гиперболоида обертання, була використана при проектуванні відомої вежі в Цихануве (рис. 12.6) і в багатьох інших спорудах. У 2003 р

Гіперболічна вежа.  Польща, м Циханув

Мал. 12.6. Гіперболічна вежа. Польща, м Циханув

Диспетчерська вежа аеропорту.  Іспанія, м Барселона

Мал. 12.7. Диспетчерська вежа аеропорту. Іспанія, м Барселона

була побудована гіперболоїдна вежа Шухова в Цюріху. Автори вежі - архітектори Даніель Рот і Олександр Ком (Daniel Roth, Alexander Kohm).

Поєднання циліндричної, конічної форм і форми однополостного гиперболоида обертання вдало поєднано архітектором Р. Бофилл в диспетчерській вежі аеропорту Барселони (рис. 12.7).

Відомі й інші підходи до створення цікавих стрижневих споруд в формі однополостного гиперболоида обертання. У Гуанчжоу (Китай) побудована унікальна 610-метрова сітчаста вежа-оболонка в формі однополостного гиперболоида обертання. Утворюють похилі стержні-колони в ній збігаються з прямолінійними створюючими однополостного гиперболоида обертання.

Можна сперечатися про доцільність надання форми однополостного гиперболоида пішохідному переходу, зображеному на рис. 12.8, але такого переходу більше ніде немає. Можливо, це і було однією з цілей авторів проекту.

Геометрична схема гиперболоида обертання була покладена в основу пам'ятного символу Національної прискорювальної лабораторії ім. Е. Фермі (Фермілабі), США (рис. В.38). Вийшла дуже проста, але надовго запам'ятовується стрижнева структура. Світломузична скульптура побудована в м Хюснес, Норвегія (рис. В.39). Тут стрижні збігаються з прямолінійними створюючими лінійчатої поверхні негативною гауссовой кривизни.

Є ще одна область застосування сітчастого однополостного гиперболоида обертання. Це - мала архітектура у внутрішньому просторі великопрольотних споруд. Сама по собі стрижнева структура у формі однонолостного гиперболоида має певну естетичну цінність (див. Рис. В.38, В.39), тому архітектори іноді її використовують у вигляді самостійного елементу внутрішнього інтер'єру споруди. На рис. 12.9 показаний фрагмент центральної частини купола у вигляді висячого покриття будівлі Палацу спорту в Генуї (Італія) з підвішеним в центрі однополостного гіперболоїдом обертання.

Стрижневі конструкції і споруди міцно займають свою нішу в архітектурі громадських і промислових будівель. при

Пішохідний перехід.  Англія, м Манчестер, 2010 р, арх.  Н. Фостер

Мал. 12.8. Пішохідний перехід. Англія, м Манчестер, 2010 р, арх. Н. Фостер

Вид на покриття Палацу спорту зсередини.  Італія, м Генуя

Мал. 12.9. Вид на покриття Палацу спорту зсередини. Італія, м Генуя

Діловий центр "Балтійскан перлина"

Мал. 12.10. Діловий центр "Балтійскан перлина"

Джерело: cih. ru

Міст через річку Куру.  Грузія, м.Тбілісі

Мал. 12.11. Міст через річку Куру. Грузія, м.Тбілісі

заходи зведених сталевих стрижневих структур показують високий рівень досягнень будівельної техніки і науки. Наведемо без коментарів ще дві сетчато-стрижневі структури (рис. 12.10, 12.11).

У світовій практиці застосування сетчато-стрижневих структур налічується понад 130 різних систем, що відрізняються насамперед конструкцією вузла сполучення стрижнів. Саме в вузлі сполучення зосереджені головні особливості технології виготовлення і збірки конструкції, що визначають відмінності однієї системи від інших.

Однією з перших знайшла застосування в будівництві система німецької фірми "Меро" (1942), яка запропонувала пространственностержневие збірно-розбірні каркаси кристалічної будови для будівель військового призначення (див. Рис. 10.7). Пізніше такі конструкції знайшли застосування і в мирному будівництві. Деякі вузлові з'єднання стрижневих систем вже були розглянуті раніше, див. Рис. 10.6-10.11.

На рис. 12.12 наведені найбільш характерні вузлові сполучення стрижневих структур [4]. На рис. 12, а - з'єднання кутових стрижнів на болтах внахлест. Застосовується в нижніх вузлах структурних конструкцій системи "ЦНІЇСЬК", які працюють переважно в одному напрямку. На рис. 12.12, б - з'єднання типу "Юністрат". Розроблено фірмою Unistrul Corporation спільно з Лабораторією сталевих конструкцій Мічиганського університету (США). Вузлова фасонки виконана штампуванням з отворами і шпонками для з'єднання на болтах стрижнів гнутого профілю. Подібне вузлове з'єднання у вітчизняному будівництві не знайшло застосування в повторюваних об'єктах. Однак з огляду на великий простоти рекомендується його освоїти для використання в конструкціях серійного виготовлення. На рис. 12.12, в - з'єднання системи "Сокіл", що складається з шести тонкостінних пірамідальних деталей, виготовлених із листів за допомогою штам-

Найхарактерніші вузлові сполучення стрижневих структурних плит [4]

Мал. 12.12. Найхарактерніші вузлові сполучення стрижневих структурних плит [4]

повкі. Ці деталі між собою і з елементами складеного гнутого профілю з'єднуються за допомогою болтів нормальної точності. Для забезпечення необхідної жорсткості деталі вузла мають навколо отвору виштампувані виступи. На рис. 12.12, г - вузлове з'єднання "Тріодетік". Розроблено фірмою Fentiman (Каната). Вузловий елемент являє собою циліндр, уздовж утворюючих якого є пази з рифленими стінками. Кінці стрижнів опресовиваются за профілем пазів, вставляються в циліндр і фіксуються в прорізах вузла двома кришками, з'єднаних болтом. Збірка структурної конструкції із застосуванням даних вузлів істотно спрощується, оскільки для завершення потрібно постановка тільки одного болта. Рекомендується подібне вузлове з'єднання освоїти промисловістю для використання в серійно виготовляються конструкціях. Па рис. 12.12 д-з - комбіновані з'єднання. До цієї групи належать сполуки, в яких застосовується заводська зварювання, а збірка вузла здійснюється на болтах. З'єднання на фланцях, представлене на рис. 12.12, е, розроблено ЦНИИПСК для трубчастих стрижнів. На рис. 12.12, ж показано з'єднання кутових профілів на болтах за допомогою листових фасонок, приварених в заводських умовах до длінноразмерной поясам. З'єднання застосовується в верхніх вузлах конструкцій системи "ЦНІЇСЬК", які працюють переважно в одному напрямку. З'єднання па болтах за допомогою просторових фасонок, що зварюються в заводських умовах з окремих листів, дано на рис. 12.12, з. На рис. 12.12, і, до - з'єднання, здійснювані з застосуванням монтажного зварювання. З'єднання, наведене на рис. 12.12, і , розроблено в ФРН фірмою "Маннесман". До кулі привариваются по периметру трубчасті стрижні, а в поєднанні системи "ЦНІЇСЬК" (рис. 12.12, к) кінці трубчастих стрижнів сплющуються і збираються в просторовому вузлі. Утворилося між кінцями стрижнів простір заповнюється розплавленим металом. На рис. 12.12, л - з'єднання, збиране повністю при монтажі.

В даний час щорічно з'являється велика кількість патентів на нові вузли сполучення.

Крім розглянутих двовимірних стрижневих структур, окреслених по заданих поверхонь, набагато ширше застосовуються тривимірні просторові стрижневі структури у вигляді оболонок (рис. 12.13), багатогранників (рис. 12.14), пластин (рис. 12.15). Ці просторово-стрижневі структури з легкістю перекривають великі прольоти і площі при незначному вазі.

Крім зазначених трьох типів стрижневих структур, що перекривають великі площі, є стрижневі структури у вигляді ажурних стійок. Будівля Школи бізнесу при університеті Чикаго (США) - це кілька паралелепіпедів, але ось внутрішній простір саду вражає уяву (рис. В.40).

У Брестському державному технічному університеті розроблена, випробувана і успішно впроваджена унікальна металева структурна конструкція системи "БрГТУ" з вузлами з порожнистих куль. Структурні конструкції відносяться до класу достатньо міс

Лувр.  Франція, м.Париж, 1989 р, арх.  Й. М. Пий

Мал. 12.14. Лувр. Франція, м.Париж, 1989 р, арх. Й. М. Пий

Арочна стрельчатая стрижнева структура в процесі зведення.  Московська обл., Дмитрівський район, 2012 р

Мал. 12.13. Аркова стрельчатая стрижнева структура в процесі зведення. Московська обл., Дмитрівський район, 2012 р

Перехресно-стрижнева структура

Мал. 12.15. Перехресно-стрижнева структура

ських стрижневих конструкцій, які використовуються в якості несучих елементів будівель громадського та виробничого призначення. Система "БрГТУ" дозволяє запроектувати структурні покриття (рис. В.41, 10.12) для будь-яких навантажень, понизити необхідну точність виготовлення елементів структури і спростити складання вузлів з істотним зниженням трудомісткості. Автори структурних конструкцій гарантують економічну доцільність застосування структури але порівняно з іншими структурними системами, в тому числі скорочення витрат стали до 20% на 1 м2 покриття будівлі, зменшення трудовитрат на будівельному майданчику до 25%, скорочення термінів зведення в 1,5 рази, зниження вартості до 10-20%. Термін окупності - до 3 років. Система "БрГТУ" з вузлами з порожнистих куль успішно використана при проектуванні і будівництві покриття літнього амфітеатру "Слов'янський базар" у Вітебську (рис. В.42), покриття Універсального спортивного залу МКСК "Мінськ - Арена" і покриття Палацу водних видів спорту в м Бресті.

Архітектура стрижневих оболонкових структур нс стоїть на місці. Молодий архітектор Куей-Джун Мао (Kuei-Jyun Мао) пропонує для впровадження абстрактні стрижневі структури (рис. 12.16), які не позбавлені привабливості і можуть захопити молодих архітекторів.

Іноді буває складно визначити приналежність просторової стрижневої структури до певного класу металевих оболонок: сітчастим або радіально-стрижневим структурам. Одним із знаменитих архітекторів, які роблять сітчасті оболонки, є Норман Фостер, автор сітчастого покриття Великого двору королеви Єлизавети Британського музею (рис. 12.17)

Ескізи металевих стрижневих структур

Мал. 12.16. Ескізи металевих стрижневих структур

Джерело: kueijynmao.wordpress.com

Покриття Великого двору королеви Єлизавети Британського музею, Лондон

Мал. 12.17. Покриття Великого двору королеви Єлизавети Британського музею, Лондон:

а - вид зсередини; б - типовий вузол зчленування елементів сітківки (всі прямокутні профілі приварюються до стандартної сталевої пластині)

Стрижневих і сітчастих металевих оболонок, окреслених по різних поверхнях, за аналізований період побудовано дуже багато. І щороку їх буде з'являтися ще більше. В даному параграфі ι юказани тільки основні напрямки, за якими йде розвиток технологій застосування цих оболонок. Тут же представлені основні типи вузлових з'єднань стрижнів, що грають важливу роль в проектуванні сталевих оболонок розглянутого типу. Форми стрижневих і сітчастих металевих оболонок можуть бути дуже різноманітними, що робить їх привабливими для застосування в спорудах малого обсягу (рис. 12.18, 12.19).

Металевий каркас споруди.  Московська обл., Г. Химки

Мал. 12.18. Металевий каркас споруди. Московська обл., Г. Химки

Спорудження з металевим каркасом.  Московська обл., Г. Химки

Мал. 12.19. Спорудження з металевим каркасом. Московська обл., Г. Химки

  • [1] Малюнок наводиться в оригінальній версії для демонстрації того, як це робиться "у них".
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >