МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Дизайн архитектурной среды» В.С. Семенов СОВРЕМЕННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕНЫЕ КОНСТРУКЦИИ Синтез искусства, техники и науки Учебное пособие Бишкек • 2010 УДК 624.014.074 (075.8) ББК 38.5 С30 Рецензенты: кафедра “Основы архитектурного проектирования” КРСУ (зав. кафедрой д-р арх., проф. Ю.Н. Смирнов); д-р техн. наук, проф. В.М. Курдюмова (КГУСТА); канд. техн. наук О.Г. Черных Рекомендовано к изданию Ученым советом КРСУ (протокол №5 от 26.01.2010) Допущено Министерством образования и науки Кыргызской Республики в качестве учебного пособия для студентов архитектурно-строительных вузов (приказ № 50/1 от 16.02.10 г.) Семенов В.С. С-30 Современные пространственные конструкции: синтез искусства, техники и науки: Учеб. пособие. – Бишкек: Изд-во КРСУ, 2010. - 130 с. ISBN 978-9967-05-621-3 Пособие содержит систематизированные сведения об основных типах пространственных конструкций покрытий гражданских и промышленных зданий. На конкретных примерах показана их роль и место в современной архитектуре. Теоретическая часть включает подробную классификацию каждого из рассматриваемых типов пространственных покрытий, а графический материал иллюстрирует различ ные виды их конструктивных решений. В конце пособия приведен список использованных источников и полезных интернет-ресурсов. Предназначено для студентов архитектурно-строительных вузов и факультетов. Полезные для себя сведения найдут в пособии инженеры и архитекторы. С 3305000000-10 УДК 624.014.074 (075.8) ББК 38.5 ISBN 978-9967-05-621-3 © В.С. Семенов, 2010 © КРСУ, 2010 Содержание 3-4 Содержание 5-6 7-15 От автора Краткие сведения из геометрии и теории поверхностей 16-25 26-50 2. Жесткие оболочки и складки. Классификация и развитие конструктивных форм 1. Kонструктивные системы современных пространственных покрытий. Kлассификация, формы и области применения Введение _____________________ 1.1. Общая классификация несущих систем в строительстве______________ 1.2. Классификация и формы пространственных конструкций покрытий_______ 1.3. Области применения пространственных конструкций_______________ 2.1. Панели-оболочки, плиты-настилы_____________ 16 17 2.2. Складки, шатры____________ 27 30 2.2.1. Складки и шатры из железобетона и армоцемента ___________ 31 2.2.2. Складки и шатры из металла________________ 2.3. Жесткие оболочки __________ 18 2.3.1. Оболочки различной формы поверхности______ 2.3.2. Своды _________________ 23 2.3.3. Купола ________________ Примеры осуществленных покрытий__ 51-64 4. Висячие покрытия. Классификация и развитие конструктивных форм 4.1. Подвесные покрытия________ 52 4.2. Вантовые покрытия_________ 3.2. Системы регулярной структуры стержневые _______________ 52 3.2.1. Структурные плиты стержневые____________ 3.2.2. Сетчатые своды, купола__ 68 71 4.3. Висячие оболочки __________ 73 52 58 4.3.1. Висячие железобетонные оболочки______________ Примеры осуществленных покрытий__ 74 4.3.2. Мембранные покрытия___ 76 4.4. Покрытия с жесткими нитями__ 81 60 3.3.2. Своды, купола пластинчатые___________ 61 62 66 68 4.2.1. Однопоясные вантовые покрытия______________ 4.2.2. Двухпоясные покрытия __ 3.3. Системы регулярной структуры пластинчатые______________ 60 3.3.1. Структурные плиты пластинчатые __________ 37 45 45 48 65-86 3. Системы регулярной структуры. Классификация и развитие конструктивных форм 3.1. Перекрестно-ребристые покрытия _________________ 34 37 4.5. Комбинированные висячие покрытия _________________ 83 Примеры осуществленных покрытий__ 84 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Содержание 87-101 101-106 5. Мягкие оболочки. Классификация и развитие конструктивных форм 6. Трансформируемые пространственные покрытия. Классификация и примеры конструктивных решений 5.1. Пневматические конструкции_ 88 5.1.1. Пневматические конструкции воздухоопорного типа ___ 90 6.1. Трансформация в живой природе и архитектуре______ 5.1.2. Пневматические конструкции воздухонесомого типа___ 6.2. Принципы классификации трансформируемых конструкций_______________ 102 90 5.2. Тентовые конструкции ______ 95 6.3. Примеры трансформируемых покрытий в современной архитектуре_______________ 5.3. Комбинированные покрытия на основе мягких оболочек __ 99 Примеры осуществленных покрытий__ 100 107-111 8. Пространственные конструкции покрытий в Кыргызстане 8.1. Оболочки _________________ 112 7.1. Классификация комбинированных покрытий__ 107 8.2. Системы регулярной структуры_________________ 113 8.3. Висячие покрытия __________ 114 8.4. Трансформируемые покрытия_ 115 8.5. Мягкие оболочки ___________ 116 108 7.2.1. Покрытие стадиона ФК «ЗЕНИТ» ______________ 108 7.2.2. Купол тысячелетия («Millenium Dome»)______111 117 105 112-116 7. Комбинированные пространственные покрытия. Классификация и примеры конструктивных решений 7.2. Примеры конструктивных решений____ 101 118-119 120-128 Приложения: Вместо заключения Использованные источники Современные пространственные конструкции 1. Специальные термины и определения 2. Биографические справки Синтез искусства, техники и науки От автора «Художественное творчество и техническое мышление больше не противоречат друг другу, а образуют два полюса, между которыми перекинут мост современной архитектуры». Юрген Едике. “История современной архитектуры”» От автора Практика современного строительства, особенно уникальных зданий и сооружений, требует тесного взаимодействия всех участников этого процесса (архитекторов, конструкторов, технологов) в рамках одного творческого коллектива уже на стадии формирования самой идеи будущего объекта. В то же время существующая методика преподавания специальных строительных дисциплин будущим инженерам и архитекторам не дает навыков такого сотрудничества. И происходит это, прежде всего, вследствие изолированного изложения курсов начертательной геометрии, архитектурного проектирования, строительной механики и строительных конструкций, без той взаимосвязи, которая существует между этими дисциплинами в реальной жизни. Поэтому обучение таким навыкам, пониманию задач и позиций как своих собственных, так и специалистов смежных специальностей представляется нам необходимым условием при подготовке эрудированных специалистов. Вот что говорил по этому поводу известный итальянский архитектор, инженер и теоретик искусства Пьер Луиджи Нерви: «… даже лучшие произведения специалистов не могут существовать вне связи со смежными отраслями знаний, … только на основе совместной работы архитектора и инженера, при взаимном доверии и уважении могут вновь появляться сооружения, полные гармонии между конструкцией и формой, сооружения, отличающиеся той же красотой, что и многие творения прошлого»*. К этому можно добавить и мнение профессора архитектуры Хайно Энгеля: «…Только безусловное знание принципов несущих конструкций может позволить проектировщикам – архитекторам и инженерам – участвовать в процессе создания современной среды»**. Несомненно, что не только настоящее, но и будущее архитектуры связано с проектированием пространственных систем – наиболее выразительных, надежных и экономически эффективных ее элементов. Архитектор, разрабатывающий облик (форму и содержание) будущего здания, должен уметь из большого количества возможных вариантов выбрать (и проанализировать!) такую несущую систему, которая удовлетворяла бы не только заданной функции и архитектурной форме, но и отражала современный уровень строительной науки и техники. Для этого он должен «чувствовать» работу конструкции, обладать знаниями из различных областей науки и техники - материаловедения, сопротивления материалов, строительной механики, технологии монтажа конструкций и пр. В свою очередь, инженер, участвующий в разработке конструктивного решения проектируемого объекта, должен ориентироваться в современных проблемах архитектурного творчества, знать законы формообразования, статики и динамики, особенности работы различных конструктивных систем, уметь их рассчитывать и анализировать полученные результаты. При таком возрастающем значении конструкций в творческом процессе проектирования большое значение имеет свободное владение информацией обо всех видах конструктивных систем, особенностях их работы, технологии возведения. Архитектор, не чувствующий работу конструкции, или инженер, не обладающий чувством формы, сегодня не могут полностью проявить себя в творческом процессе создания новых строительных объектов. Еще совсем недавно многие оригинальные архитектурные решения не могли быть реализованы либо по причине очень сложных расчетов, либо в связи с невозможностью их воплощения по технологическим проблемам. Однако развитие средств автоматизированного проектирования и новые технологические решения в области возведения сложных систем открывают сегодня перед архитекторами и конструкторами практически безграничные возможности в реализации их творческих замыслов. Основная цель настоящей книги – познакомить читателя с одним из самых выразительных приемов современной архитектуры – пространственными системами покрытий зданий. Рассматриваемая тема настолько многогранна, что подробно осветить в одной книге все ее аспекты - практически невыполнимая задача. Понимая это, автор ограничил себя изложением только общих вопросов классификации и описанием конструктивных особенностей таких систем. При подготовке пособия использован материал лекций и практических занятий, который автор читает студентам КГУСТА и КРСУ в течение многих лет, данные научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также опыт, накопленный в этой области ведущими архитектурно-строительными фирмами разных стран за последние годы. Если в результате изучения представленных материалов читатель увидит неразрывную связь между архитектурным (пластическим) и конструктивным (тектоническим) решением пространственных систем и постарается использовать взаимосвязь формы и конструкции в своем творчестве (курсовых, дипломных и реальных Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки От автора проектах), автор будет считать поставленную цель достигнутой. Пособие предназначено для читателей, знакомых с начертательной геометрией и строительными конструкциями в объеме курсов архитектурно-строительных вузов. Автор признателен своим коллегам: докторуинженеру А.П. Садыкову (проектное объединение «Werner Sobek», Германия) и архитектору И.П. Спектору («Spector Design Company», США), принявшим участие в обсуждении концепции книги и любезно предоставившим свои проектные материалы, иллюстрирующие современное состояние вопроса. В подготовке иллюстраций к настоящему пособию участвовали студенты – архитекторы и дизайнеры, которым автор выражает свою искреннюю благодарность. И, конечно же, нельзя не отметить работу рецензентов – коллектив кафедры «Основы архитектурного проектирования» КРСУ (зав. каф., д-р архитектуры, профессор Ю.Н. Смирнов), д-ра техн. наук, профессора В.М. Курдюмовой (КГУСТА) и канд. техн. наук О.Г. Черных. Замечания перечисленных выше специалистов учтены при подготовке рукописи к изданию. * Нерви П.Л. Строить правильно / Пер. с итал. И.Г. Пантиелевой. – М.: Госстройиздат, 1956. – 164 с. ** Хайно Энгель. Несущие системы / Пер с нем. Л.А. Андреевой. – М.: АСТ:Астрель, 2007. – 344 с.. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Кривые линии «Пространство и форма являются материалом, с помощью которого выражается и осуществляется архитектура. Чтобы постичь пространство и форму, нужны знания геометрии, которые являются предпосылкой к формообразованию несущих конструкций, строительных сооружений, равно как и всего окружающего мира». Хайно Энгель. «Несущие системы» Краткие сведения из геометрии и теории поверхностей Кривые линии Кривая линия – это множество точек пространства, координаты которых являются функциями одной переменной. Термин «кривая» в разных разделах математики определяется поразному. В начертательной геометрии кривую рассматривают как траекторию, описанную движущейся точкой, как проекцию другой кривой, как линию пересечения двух поверхностей, как множество точек, обладающих каким-либо общим для всех их свойством и т.д. Кривые линии, все точки которых принадлежат одной плоскости, называются плоскими, остальные – пространственными. Каждая кривая включает в себя геометрические элементы, которые составляют ее определитель, т.е. совокупность независимых условий, однозначно определяющих эту кривую. Различны и способы задания кривых: • аналитический – кривая задана математическим уравнением; • графический – кривая задана визуально на носителе графической информации; • табличный – кривая задана координатами последовательного ряда точек. линия может пересекать алгебраическую кривую линию п-го порядка не более чем в п точках. Примерами алгебраических кривых второго порядка являются парабола, гипербола, эллипс. Уравнением кривой линии называется такое соотношение между переменными, которому удовлетворяют координаты точки, принадлежащей этой кривой. В основу классификации кривых положена природа их уравнений. В зависимости от того, являются ли их уравнения в прямоугольной системе координат алгебраическими или трансцендентными, кривые подразделяются на алгебраические и трансцендентные. Плоская кривая линия называется алгебраической, если ее уравнение имеет вид f(x,y)=0, где функция f(x,y) является степенным множителем относительно переменных х и у. В остальных случаях кривая называется трансцендентной. Кривая линия, представленная в декартовых координатах уравнением п-й степени, называется алгебраической кривой п-го порядка. Например, прямые – это линии первого порядка, описываемые в общем случае уравнением вида. Порядок плоской алгебраической кривой линии определяется наибольшим числом точек ее пересечения прямой линией. Любая прямая 1. Парабола – кривая, которую прямая пересекает в двух точках (рис. 1). При этом парабола может быть определена как: - линия пересечения прямого кругового конуса плоскостью, не проходящей через вершину конуса и параллельная какой-либо касательной плоскости этого конуса; - в прямоугольной системе координат 0ху с началом в вершине параболы и осью 0х, направленной по оси параболы, уравнение параболы имеет так называемый канонический вид y2=2px, где р (фокальный параметр) - расстояние от фокуса до директрисы. Рис. 1. Парабола 2. Гипербола: А - множество точек М плоскости (рис. 2), разность (по абсолютной величине) расстояний F1M и F2M от которых до двух определенных точек F1 и F2 этой плоскости (фокусов гиперболы) постоянна: F1M - F2M=2а<2с Середина 0 отрезка F1F2 (фокусного рас- Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Кривые линии стояния) называется центром гиперболы; В - линия пересечения прямого кругового конуса плоскостью, не проходящая через вершину конуса и пересекающая обе его полости. В прямоугольной системе координат 0ху с началом в центре гиперболы, на оси 0х которой лежат фокусы гиперболы, уравнение гиперболы имеет так называемый канонический вид: х2/а2 - у2/в2=1, в2=с2 - а2, где а и в – длины полуосей гиперболы. расположенными по отношению к оси конуса, называют кривыми конических сечений. Трансцендентные кривые в отличие от алгебраических могут иметь бесконечное количество точек пересечения их прямой, точек перегиба, вершин и т.п. Ярким примером трансцедентной кривой является синусоида – плоская кривая линия (рис. 4), получающаяся в результате двойного равномерного движения точки – поступательного и возвратно-поступательного – в направлении, перпендикулярном первому. Синусоида – график функции у = sin x, непрерывная кривая линия с периодом Т=2п. Наряду с этим у трансцендентных кривых могут быть характерные точки, которых не существует у алгебраических кривых: точки прекращения, угловые точки (точки излома), асимптотические точки. Простейшими примерами трансцендентных кривых служат графики логарифмической, показательной тригонометрической функций, а также все спирали, циклоиды и т.п. Рис. 2. Гипербола 3. Эллипс: А - множество точек М плоскости (рис. 3), сумма расстояний МF1 и МF2 которых до двух определенных точек F1 и F2 (фокусов эллипса) постоянна: МF1+МF2=2а. Середина 0 отрезка F1F2 (фокусного расстояния) называется центром эллипса; В - линия пересечения прямого кругового конуса плоскостью, не проходящая через вершину конуса и пересекающая все прямолинейные образующие одной полости этого конуса. В прямоугольной системе координат 0ху с началом в центре эллипса, на оси 0х которой лежат фокусы эллипса, уравнение эллипса имеет следующий вид: х2/а2+у2/в2=1, где а и в - длины большой и малой полуосей эллипса. При а=в фокусы F1 и F2 совпадают и указанное уравнение определяет окружность, которая рассматривается как частный случай эллипса. Рис. 3. Эллипс Рассмотренные плоские кривые линии, получаемые при пересечении поверхности прямого кругового конуса плоскостями, различно Рис. 4. Синусоида Кривая линия как траектория движущейся точки должна быть непрерывной. Движущаяся точка в любом положении должна иметь определенное направление движения. Это направление указывает прямая (касательная), проходящая через рассматриваемую точку. Длина отрезка кривой линии определяется в общем случае как сумма длин отрезков вписанной в нее ломаной линии, с заданной точностью передающей форму кривой. Особый интерес представляют окружность и цилиндрическая винтовая линия, каждая из которых является эталоном соответственно плоских и пространственных кривых линий. Плоская кривая а построена в плоскости a (рис. 5). Через точку А проведены секущие хорды АЕ и АD. Если точку Е приближать к точке А, секущая АЕ поворачивается вокруг точки А. Когда точка Е совпадет с точкой А (А≡Е), секущая АЕ достигнет своего предельного положения t. В этом предельном положении секущая называется полукасательной к кривой а в точке А. Секущая АD в предельном положении А≡D также представлена полукасательной t. Кривая линия в точке А имеет две полукасательные прямые, которые совпадают и определяют одну касательную к кривой линии в точке А – кривая в этой точке называется плавной. Кривая, плавная во всех ее точках, называется плавной кривой линией. Нормалью п в точке А кривой линии на- Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Кривые линии зывается перпендикуляр к касательной в этой точке. На кривой линии могут быть точки, где разнонаправленные полукасательные не принадлежат одной прямой, а составляют между собой угол. Так, на кривой а в точке В угол δ между полукасательными не равен 180 0. Точка В в этом случае называется точкой излома, или выпадающей точкой. нулю. Кривизна прямой в любой ее точке равна Кривизна произвольной кривой линии в различных точках различна, в отдельных точках она может быть равна нулю. Такие точки называются точками спрямления. Кривизна в каждой из точек плоской кривой а определяется с помощью соприкасающейся в этой точке окружности (рис. 7). Рис. 7. К определению кривизны кривой Рис. 5. Касательная и нормаль к кривой Плоскую кривую линию можно рассматривать как траекторию движения точки в плоскости (рис. 6 ); точка движется по касательной к кривой линии, обкатывая эту кривую без скольжения. Движение точки вдоль кривой а связано с непрерывным изменением двух величин: расстояния S, на которое удалена точка от начального положения, и угла α поворота касательной относительно начального положения. Если с увеличением пути S непрерывно увеличивается и R α, кривая называется простой. =∞ Соприкасающейся окружностью или кругом кривизны в данной точке называется предельное положение окружности, когда она проходит через данную точку и две другие бесконечно близкие к ней точки. Центр соприкасающейся окружности называется центром кривизны кривой в данной точке, а радиус такой окружности – радиусом кривизны кривой линии в данной точке. Иными словами, кривизна кривой в данной точке – это величина, обратная радиусу соприкасающейся в этой точке окружности (рис. 8): ka = a 1 Ra Прямую можно представить как плоскую кривую, у которой радиус кривизны равен бесконечности: Ra = ∞ Отсюда, кривизна прямой равна нулю: ka = 1 1 = = 0. Ra ∞ Рис. 6. Угол смежности Угол α (угол смежности) между касательными в двух бесконечно близких точках кривой, отнесенный к длине дуги между этими точками, определяет степень искривленности кривой линии, т.е. определяет кривизну кривой: ∆a ∆S →0 ∆S k = lim Рис. 8. Радиусы кривизны Множество центров кривизны кривой является кривая линия - ее называют эволютой данной кривой, а кривая по отношению к своей эволюте называется эвольвентой. - предел отношения угла смежности касательных к соответствующей дуге. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 10 Многогранники Поверхности Поверхности составляют широкое многообразие нелинейных фигур трехмерного пространства. Инженерная, в том числе строительная деятельность человека часто связана с конструированием, расчетом, а также изготовлением таких поверхностей. «Поверхность» – одно из основных геометрических понятий, которому в разных отделах геометрии придается различный смысл. 1. В школьном курсе геометрии рассматриваются плоскости, многогранники, а также некоторые кривые поверхности. Каждая из кривых поверхностей определяется специальным способом, чаще всего как множество точек, удовлетворяющих некоторым условиям. Например, поверхность шара – множество точек, отстоящих на определенном расстоянии от данной точки. Понятие «Поверхность» лишь поясняется, а не определяется. Например, говорят, что поверхность есть граница тела или след движущейся линии. 2. Математически строгое определение поверхности основывается на понятиях топологии. При этом основным является понятие простой поверхности, которую можно представить как кусок плоскости, подвергнутый непрерывным деформациям (растяжениям, сжатиям и изгибаниям) Все поверхности можно разделить на две большие группы: многогранные и кривые поверхности. Многогранной поверхностью в трехмерном пространстве называется поверхность, образованная частями (отсеками) пересекающихся (соприкасающихся) плоскостей. Если каждое ребро многогранной поверхности принадлежит равно двум ее граням, то такая поверхность называется замкнутой или поверхностью без границы. Например, поверхность куба является замкнутой многогранной поверхностью, но если из нее удалить одну грань, то оставшаяся часть будет незамкнутой многогранной поверхностью. Многогранная поверхность называется пирамидальной, если все ее ребра пересекаются в одной точке – вершине (рис.9, а). Пирамидальная поверхность имеет две неограниченные полы. Многогранная поверхность называется призматической, если все ее ребра параллельны между собой (рис. 9,в). Многогранником называется геометрическое тело, ограниченное со всех сторон многогранной поверхностью. Отсеки образующих поверхность плоскостей называются гранями, а линии их пересечения – ребрами. Точки пересечения ребер называются вершинами. Простейшими многогранниками являются пирамиды и призмы (рис. 9,г). Среди других видов многогранников следует выделить – призматоиды и правильные многогранники (тела Платона). Призматоидом называется многогранник, у которого верхнее и нижнее основания – многоугольники, расположенные в параллельных плоскостях, а боковые грани представляют собой треугольники или трапеции (рис. 9,д). Рис. 9. Многогранная поверхность (а, б, в), призма (г) и многогранник (призматоид) Наиболее распространенные правильные многогранники - призмы и пирамиды. Существует пять правильных многогранников: • Тетраэдр (четырехгранник) - ограничен четырьмя равносторонними и равными треугольниками. • Гексаэдр (четырехгранник, или куб) - ограничен шестью равными квадратами. • Октаэдр (восьмигранник) - ограничен восемью равносторонними и равными треугольниками. • Додекаэдр (двенадцатигранник) - ограничен двенадцатью равносторонними и равными пятиугольниками. • Икосаэдр (двадцатигранник) - ограничен двадцатью равносторонними и равными треугольниками. Вокруг всех правильных многогранников можно описать сферу. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 11 Криволинейные поверхности Совокупность всех ребер и вершин многогранника называется его сеткой. Построение проекций многогранника сводится к построению проекций его сетки. Призму, ребра которой перпендикулярны основанию, называют прямой. Если в основании прямой призмы - прямоугольник, призму называют параллелепипедом. Многогранную поверхность называют выпуклой если она лежит на границе некоторого выпуклого тела в трехмерном пространстве. Многогранные формы с древнейших времен преобладают в архитектуре и строительстве. В русском зодчестве разные периоды истории оставили многочисленные примеры совершенных произведений, где композиция сооружения представляет собой выразительное сочетание гранных форм (шатровые деревянные и каменные церкви, крепостные сооружения и др.). Многогранные формы широко применяются и в современной архитектуре. Криволинейные поверхности Задание поверхности Математически криволинейная поверхность может быть задана как непрерывное множество точек, между координатами которых установлена зависимость, определяемая уравнением одного из типов: z = f ( x, y ); F ( x, y , z ) = 0 Если функция задана многочленом n-й степени, то поверхность относится к алгебраической и считается поверхностью n-го порядка. Если функция трансцендентная, то и поверхность называется трансцендентной. Примером задания алгебраической поверхности может служить представление параболоида вращения (рис. 10,а) следующим уравнением (тип I): Однако не всякая поверхность может быть задана таким уравнением. В ряде случаев одной комбинации значений x и y соответствует не одна, а две точки на поверхности (рис. 10,б). В подобных случаях поверхность задают неявной функцией (второй тип) или используют уравнение первого типа, но только для части поверхности. Например, уравнение поверхности сферы, изображенной на рис. 10. б, имеет вид: x = x(a , b ); а. y = y (a , b ); z = z (a , b ). б. Рис. 10. Параболоид и сфера Поверхность может быть задана и в параметрической форме: x 2 + y 2 + ( z − c) 2 = R 2 . Произвольно расположенная секущая плоскость пересекает поверхность по кривой того же порядка (иногда распадающейся или мнимой), какой имеет исследуемая поверхность. Порядок поверхности может быть определен также числом точек ее пересечения с произвольной прямой, не принадлежащей целиком поверхности, считая все точки (действительные и мнимые). Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 12 Криволинейные поверхности В геометрии фигуры задаются графически, поэтому целесообразно поверхность рассматривать как совокупность всех последовательных положений L1, L2, .. некоторой перемещающейся в пространстве по определенному закону линии L (рис. 11). В процессе образования поверхности линия L может оставаться неизменной или менять свою форму - изгибаться или деформироваться. Подвижную линию принято называть образующей, неподвижные - направляющими. Такой способ образования поверхности принято называть кинематическим. По виду образующей различают поверхности линейчатые и нелинейчатые, образующая первых – прямая линия, вторых – кривая. Линейчатые поверхности в свою очередь разделяют на так называемые развертывающиеся, которые можно без складок и разрывов развернуть на плоскость, и неразвертывающиеся. • винтовые поверхности; • поверхности с плоскостью параллелизма; • поверхности переноса. Особое место занимают нелинейные поверхности, образование которых не подчинено никакому определенному закону. Оптимальную форму таких поверхностей определяют теми физическими условиями, в которых они работают и устанавливают их форму экспериментально (поверхности лопастей турбин, обшивка каркасов морских судов и самолетов). Поверхности вращения – это поверхности, образуемые при вращении плоской кривой m (образующей) вокруг прямой i (оси вращения), проходящей через плоскость кривой (рис. 12). Наиболее распространенные поверхности вращения с криволинейными образующими: сфера, эллипсоид, тор, параболоид и гиперболоид. Сфера образуется вращением окружности вокруг её диаметра (см. рис. 10,б). Рис. 11. Образование поверхности Значительный класс поверхностей формируется движением окружности постоянного или переменного радиуса. Это так называемые циклические поверхности. Если же группировать поверхности по закону движения образующей линии (производящей эти поверхности), то большинство встречающихся в строительстве поверхностей можно разделить на: • поверхности вращения; а. Рис. 13. Рис. 12. Образование поверхности вращения При сжатии или растяжении сферы она преобразуется в эллипсоиды, которые могут быть получены вращением эллипса вокруг одной из осей: если вращение происходит вокруг большой оси, то эллипсоид называется вытянутым (рис. 13,а), если вокруг малой – сжатым или сфероидом (рис. 13,б ). б. в. Поверхности вращения: сфероиды (а, б) и тор (в) Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 13 Криволинейные поверхности Тор – поверхность тора формируется при вращении окружности вокруг оси, не проходящей через центр окружности (рис. 13,в). Параболоид вращения – образуется при вращении параболы вокруг своей оси (см. рис. 14,а). Гиперболоид вращения – различают одно- (рис. 14,б) и двух полостной (рис. 14,в) гиперболоиды вращения. Первый получается при вращении вокруг мнимой оси, а второй – вращением гиперболы вокруг действительной оси. а. б. в. Рис. 14. Поверхности вращения: параболоид, одно- и двухполостной гиперболоиды Винтовые поверхности образуются винтовым движением некоторой линии – образующей. Под винтовым движением понимается совокупность двух движений: поступательного параллельно некоторой оси, и вращательного, вокруг той же оси. При этом поступательное и угловое перемещение находятся в определенной зависимости. Линейчатые поверхности с плоскостью параллелизма (поверхности каталана) Поверхность с плоскостью параллелизма представляет собой множество прямых линий l (образующих), параллельных некоторой плоскости α (плоскости параллелизма) и пересекающих две данные направляющие m, n (рис. 15). В зависимости от формы направляющих образуются три частных вида поверхностей. Гиперболический параболоид. Гиперболическим параболоидом (гипаром) или косой плос- костью называется поверхность, образованная движением прямолинейной образующей, параллельной плоскости параллелизма, по двум направляющим линиям – скрещивающимся прямым (рис. 15,а). Цилиндроид. Цилиндроидом называется поверхность, образованная движением прямолинейной образующей по двум направляющим кривым линиям, при этом образующая во всех положениях параллельна плоскости параллелизма (рис. 15,б). Коноид. Коноидом называется поверхность, образованная движением прямолинейной образующей по двум направляющим, одна из которых кривая линия, а другая прямая, при этом образующая во всех положениях параллельна плоскости параллелизма (рис. 15,в). а. б. Рис. 15. Линейчатые поверхности: а – гипар; б – цилиндроид; в – коноид Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки в. 14 Поверхности параллельного переноса Поверхности параллельного переноса Поверхностью параллельного переноса называется поверхность, образованная поступательным плоскопараллельным перемещением образующей - плоской кривой линии m по криволинейной направляющей n (рис. 16). Геометрическая часть определителя состоит из двух кривых линий образующей - m и направляющей – n. Алгоритмическая часть определителя содержит перечень операций: 1. На направляющей п выбираем ряд точек А, В, С, … 2. Строим векторы АВ, ВС, … 3. Осуществляем параллельный перенос линии m по векторам АВ, ВС, … Наглядным примером плоскости параллельного переноса может служить скользящая опалубка, применяемая в строительстве. Рис. 16. Поверхность переноса Касательная плоскость. Нормальные сечения. Кривизна поверхности Касательная к поверхности плоскость в точке А представляет собой геометрическое место касательных векторов к кривым, лежащим на поверхности и проходящим через эту точку (рис. 17,а). Перпендикуляр N к касательной плоскости в точке касания ее с поверхностью назы-вается нормалью к поверхности (рис. 17,б). След пересечения поверхности с секущей плоскостью, проходящей через нормаль, представляет собой плоскую кривую, лежащую в поверхности и называемую нормальным сечением). Плоскость, образующая нормальное сечение, может быть задана углом u, составленным этой плоскостью с некоторым началь-ным лучом , который лежит в касательной плоскости. Кривизна нормального сечения в точке А является функцией угла u и обозначается символом (индекс а соответствует прямой в касательной плоскости, через которую проходит плоскость нормального сечения). Кривизна нормальных сечений в точке А, которых можно провести бесчисленное множество, характеризует кривизну поверхности в этой точке (рис. 17,б) а. б. Рис. 17. Касательная к поверхности плоскость (а) и нормальное сечение поверхности (б) Нормальные ортогональные сечения поверхности, проходящие через точку касания, называются главными кривизнами. Одна из главных кривизн в точке касания является максимальной, а другая - минимальной из множества кривизн всех нормальных сечений. Средняя кривизна поверхности в данной точке определяется из выражения: K ср = k1 + k 2 . 2 Полная или гауссова кривизна поверхности в данной точке представляет собой произведение двух главных кривизн: Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 15 Касательная плоскость. Нормальные сечения. Кривизна поверхности K = k1 ⋅ k 2 = 1 1 ⋅ , R1 R2 где R1 и R2 - радиусы кривизны нормальных ортогональных сечений (см. рис. 18). Если главные кривизны R1 и R2 имеют одинаковые знаки, то поверхность в исследуемой точке положительна и сама поверхность в этой точке имеет вид, показанный на рис. 18,а. а. Если главные кривизны имеют разные знаки, то гауссова кривизна поверхности в исследуемой точке А отрицательна, а поверхность в окрестностях этой точки имеет седлообразный вид (рис. 18,б). Если одна из главных кривизн равна нулю, то гауссова кривизна поверхности в исследуемой точке равна нулю и поверхность имеет вид, изображенный на рис. 18,в. б. в. Рис. 18. Поверхности положительной (а); отрицательной (б) и нулевой (в) гауссовой кривизны Точки поверхности, в которых главные кривизны равны нулю, называются точками уплощения; в их окрестности поверхность имеет сложные свойства. Замечания о поверхности в целом. Если во всех точках поверхности K>0, то ее в целом можно назвать поверхностью двоякой положительной гауссовой кривизны (сфера, Рис. 19. эллипсоид). При K<0 поверхность называется поверхностью двоякой отрицательной гауссовой кривизны (например, гиперболический параболоид). Наконец, если во всех точках поверхности K=0, она называется поверхностью одинарной или нулевой гауссовой кривизны (цилиндр, конус, коноид – рис. 19). Гипар, цилиндр, конус и коноид Литература 1. Каган В.Ф. Основы теории поверхностей Ч.II. - М.: Гостехиздат, 1952 . – 151 с. 2. Норден А. П. Теория поверхностей.- М.: Гостехиздат, 1956.- 260 с. 3. Филин А.П. Элементы теории оболочек. Изд. 2-е, доп. и перераб. – Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1975. – 256 с. 4. Михайленко В.Е., Ковалев С.Н. Конструирование форм современных архитектурных сооружений. – Киев: Будiвельник, 1978. – 112 с. 5. Лекции по начертательной геометрии. - www. rusgraf.ru Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 16 Конструктивные системы современных пространственных покрытий Светлой памяти Алексея Петровича Морозова, Виктора Ивановича Трофимова, Бориса Анатольевича Миронкова и Виктора Борисовича Микулина – русских инженеров и ученых, внесших большой вклад в создание новых типов современных пространственных конструкций 1. КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ СОВРЕМЕННЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПОКРЫТИЙ. КЛАССИФИКАЦИЯ, ФОРМЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Введение Практика строительства последних десятилетий демонстрирует большое количество примеров современных большепролетных зданий с разнообразными типами пространственных систем покрытий – конструктивно целесообразных, экономически эффективных, соответствующих современному уровню развития науки и техники. Такие покрытия позволяют перекрывать планы любой конфигурации, обеспечивают формирование различных объемно-пространственных решений и высокую архитектурную выразительность не только отдельных зданий, но и целых комплексов. Что же представляют собой «современные» пространственные конструкции? История строительного искусства свидетельствует о том, что некоторые виды пространственных конструкций, такие как купола и своды, известны еще с древнейших времен. Достаточно вспомнить здания буддийского храма «Ступа» в Санчи (рис. 1.1), римского Пантеона (рис.1.2), лондонского Св. Павла (рис. 1.3), китайского «Неба» (рис. 1.4) и многих других культовых сооружений [1, 2]. Еще более древними примерами созданных человеком пространственных конструкций были, Рис. 1.1 Рис. 1.3 Современные пространственные конструкции Рис. 1.2 Рис. 1.4 Синтез искусства, техники и науки Конструктивные системы современных пространственных покрытий как известно, простые укрытия, использовавшиеся жителями Земли много тысяч лет назад. И сделаны они были из подручных строительных материалов – дерева, тростника, камня, шкур животных и пр. Остатки этих укрытий найдены при археологических раскопках в разных странах мира, в том числе и в Кыргызстане. Простые по конструкции, некоторые из этих сооружений уже в то время имели пространственную форму. Пространственные системы прошлого – это примеры архитектуры больших масс и громоздких конструкций, поскольку основным материалом для них был камень. Для того чтобы перекрыть пространство нужных размеров приходилось вовлекать в работу огромный массив этого материала. Форма классической архитектуры облегчается кверху, поскольку следует закону распределения масс в каменной конструкции. Основание постройки из таких конструкций всегда мощнее вершины, венчающей заключенное в этой постройке пространство. Современной архитектуре нет нужды придерживаться этой формы. Она имеет дело с материалами, многократно превосходящими по своим конструктивным характеристикам камень. Моно- 17 литная железобетонная тонкостенная оболочка или стальная висячая конструкция способны сегодня перекрывать пролеты в сто и более метров, опираясь всего на четыре, три, две и даже на одну точку опоры. На плане любого современного здания площадь сечения опор занимает ничтожно малую часть всей перекрываемой площади. Еще одно отличие современной архитектуры – широкое применение стекла не только в качестве элемента ограждения, но и как несущей (!) конструкции. Современная архитектура демонстрирует неразрывную связь с последними достижениями науки и технологии. Сегодня металл, бетон, стекло не просто материалы для создания сооружений, а набор средств для конструирования пространства. Может быть, в переходе от концепции сооружения к концепции пространства как раз и заключается смысл происходящих перемен в новой архитектуре. Однако истинные возможности этой архитектуры не могут быть раскрыты без той значительной роли, которую играют в ней современные пространственные конструкции. 1.1. Общая классификация несущих систем в строительстве Весь окружающий нас материальный мир, будь то живое существо, дерево, дом или машина, существует благодаря способности образующих их структур или несущих конструкций сохранять свою форму под воздействием различных внешних воздействий. Благодаря этой функции несущие конструкции превращаются в средство материального оформления среды, т.е. непосредственно в элемент архитектуры. В связи с тем, что функционирование несущих конструкций подчинено законам механики, в основу их классификации может быть положен принцип работы, т.е. механизм восприятия внешних нагрузок. Из курса сопротивления материалов известно, что в зависимости от вида и характера приложения нагрузок, различают конструкции, работающие на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Это внутренние усилия, от которых в сечениях элементов конструкций возникают напряжения. В свою очередь, напряжения зависят от формы конструкции, характера и направления действия усилий. Например, если усилие действует только в одном направлении, то напряженное состояние называется линейным или одноосным (растянутый трос). Если усилия действуют одновременно в двух направлениях, то говорят о двухосном, или плоском напряженном состоянии (гибкая пластинка или мембрана). Если материал конструкции сжимается или растягивается во всех направлениях, то такое напряженное состояние называется трехосным или пространственным (объемным). Наряду с видом напряженного состояния несущие системы разделяются по геомет-рическому признаку на линейные, двумерные (плоские) и пространственные (трехмерные). В линейных системах материал конструкции концентрируется вдоль прямой (балка, колонна), кривой (арка, трос) или ломаной линии (рама). В двумерных несущих системах, таких как пластинки и оболочки, два измерения (размеры в плане) велики по сравнению с третьим (толщиной). Материал в таких системах образует поверхность, которая может быть плоской, пространственной или складчатой (многогранной). В зависимости от характера внешней нагрузки двумерные несущие системы могут быть напряжены одноосно или двухосно. К двумерным несущим системам можно отнести конструкции, образованные из соединенных между собой линейных, одноосно напряженных элементов. Примерами таких систем служат ферма и тросовая сетка. Трехмерные несущие системы (их еще иногда называют массивными) имеют все три измерения одного порядка и могут иметь любую форму. Они образуются из линейных или плоских элементов, в которых может быть одноосное или двухосное напряженное состояние. По этому признаку различают пространственные стержневые (решетчатые) и пластинчатые системы. В материальном мире отдельные виды напряженного состояния встречаются редко. Чаще всего возникают различные комбинации этих состояний и видов несущих систем. Чтобы разобраться в этом сплетении нагрузок, напряженных состояний и форм несущих конструкций, архитектор Хайно Энгель предложил разделить все существующие в строительстве несущие системы на пять видов (рис.1.5) [6]. К первому отнесены «активные по форме» (формулировка Х. Энгеля) несущие системы, т.е. криволинейные системы из одноосно напряженных гибких или жестких элементов (арки, ванты и т.п.). Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 18 Конструктивные системы современных пространственных покрытий Ко второму типу относятся «активные по вектору» несущие системы. В таких системах внешние нагрузки уравновешиваются внутренними усилиями сжатия и растяжения, возникающими в жестких элементах плоских или пространственных решеток. К третьему типу Х. Энгель относит «активные по сечению» системы (балки, рамы, панели). Элементы таких систем работают преимущественно на изгиб и внешние нагрузки компенсируются нормальными и касательными напряжениями, возникающими в их поперечных сечениях. Рис. 1.5. Классификация несущих систем по Х. Энгелю Наиболее интересным, на наш взгляд, типом являются так называемые «активные по поверхности» несущие системы. К ним относятся пластинки, складки и оболочки. Характерным признаком таких систем является восприятие внешних нагрузок за счет работы образующих их элемен- тов на сжатие, растяжение и срез и «активной» формы поверхности. И, наконец, к пятому типу отнесены «активные по высоте» несущие системы. В основном это высотные здания и сооружения различных конструктивных схем (каркасные, ствольные и т.д.). 1.2. Классификация и формы пространственных конструкций покрытий Принимая во внимание существующие принципы общей классификации несущих систем, а также принципы и подходы системных исследований и проектного анализа [7, 8], рассмотрим признаки, по которым можно объединить разные типы пространственных конструкций покрытий (ПКП). В основу известных классификаций таких систем [9, 10] положен конструктивный признак. При этом и в одной, и в другой классификации все-таки сделана попытка связать конструктивную схему покрытия с его формой (геометрией). В первой это ссылка на «вспарушенные», «плоские» и «провисающие» покрытия. В другой, более наглядной классификации, форма покрытия представлена в виде рисунков. Как в общей классификации несущих систем, так и в классификации пространственных конструкций покрытий можно выделить основные и второстепенные признаки. Главными или основными признаками классификации ПКП, на наш взгляд, являются: - геометрия (форма) поверхности; - конструктивная схема; - характер работы основных элементов; - структурные особенности. К второстепенным относятся: - материал, из которого изготовлены основные конструктивные элементы; - форма плана пе- Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Конструктивные системы современных пространственных покрытий рекрываемого здания (помещения). Дополнительными признаками являются способ изготовления и монтажа ПКП. Например, оболочки могут быть сборными, монолитными или сборно-монолитными. По способу монтажа ПКП можно разделить на монтируемые на проектной отметке и собираемые на уровне земли с последующим подъемом в проектное положение. Для наглядности предлагаемая классификация пространственных конструкций покрытий представлена в табл. 1.1 (Лист 1.1). Почему мы разделяем признаки на главные и второстепенные? Попробуем объяснить это на конкретном примере. В практике современного строительства одну и ту же конструкцию можно изготовить из любого известного строительного материала. Например, балка и купол могут быть деревянными, стальными, железобетонными и даже стеклянными! Вот что говорил по этому поводу известный немецкий специалист по пространственным конструкциям д-р Герман Рюле: «… уже миновало время строгого разделения конструкций по материалам. Будущее принадлежит оптимально спроектированным конструкциям, в которых используются различные материалы в полном соответствии с их положительными свойствами и функциональными требованиями. Поэтому если сейчас еще удается формально разделить железобетонные оболочки, стальные пространственные конструкции, висячие и вантовые покрытия, пневматические конструкции и т.д., то по существу их нужно рассматривать как нечто единое. Очень часто возможно весьма эффективное сочетание этих конструкций точно так же, как постоянно обнаруживается их общность в аспектах конструктивных решений и технологии изготовления. Единство формы, конструкции и технологии дополняется, таким образом, и единством подхода к материалу» [11]. То же относится и к форме перекрываемого плана, хотя вполне возможно по этому признаку разделить все покрытия на конструкции простой или правильной (квадрат, прямоугольник, круг и т.п.) и сложной (составной, криволинейной и т.п.) формы плана. Что же касается основных признаков, то они вполне определенно характеризуют не только тот или другой тип ПКП, но и внутреннюю взаимосвязь между ними. Например, форма во многих случаях определяет и характер работы основных элементов. Классификация ПКП по форме поверхности По геометрии поверхности ПКП можно разделить на покрытия с единой (постоянной) формой поверхности и на покрытия сложной или составной формы (рис. на листах 1.2, 1.3). В свою очередь, ПКП с единой формой поверхности подразделяются на покрытия нулевой, положительной и отрицательной гауссовой кривизны. К покрытиям на плоской основе относятся покрытия с плоской формой поверхности (поверхности первого порядка) – пространственные плиты, панели, складки. Покрытия составной формы поверхности образуются сочетанием элементов либо с единой формой (волнистые и зонтичные оболочки), либо из элементов с различной формой поверхности (купольно-складчатые покрытия и др.). 19 Отдельный вид – покрытия сложной, произвольной формы поверхности. Такие поверхности в строительстве применяются достаточно редко, однако используются в самолето- и судостроении, гидроэнергетике (лопатки турбин и др.). Классификация ПКП по конструктивным признакам. Согласно сложившимся представлениям, по конструктивным признакам все типы пространственных конструкций покрытий можно разделить на восемь групп. Первые две группы составляют конструкции, образованные плоскими или криволинейными гранями – это плиты-настилы, складки и шатры. В отдельные группы мы выделяем жесткие оболочки, системы регулярной структуры, висячие покрытия и мягкие оболочки. И совершенно самостоятельные группы составляют трансформируемые и комбинированные конструкции покрытий. Подробнее о каждом типе пространственных конструкций будет рассказано в специальных разделах настоящей книги. Классификация ПКП по структурным особенностям По основным признакам, характеризующим структурные особенности, все пространственные конструкции можно разделить на: гладкие; ребристые; складчатые; сетчатые; пластинчатые и конструкции комбинированной структуры. Для примера, определяющего структурные особенности той или другой конструкции, рассмотрим один из наиболее известных типов – покрытие в виде купола. По геометрии поверхности купол относится к покрытиям положительной гауссовой кривизны. По конструктивным признакам купол относится к оболочкам или комбинированным покрытиям. А по структурным особенностям купол может быть гладким, ребристым, складчатым и сетчатым (подробнее смотри 2.3.3). Кроме того, сетчатые (стержневые) купола могут быть однослойными, двух- и многослойными. Классификация ПКП по характеру работы основных элементов Почему в классификации по этому признаку мы выделяем основные и неосновные несущие элементы? Любое покрытие – это система связанных между собой элементов или конструкций. Если это жесткая оболочка, то у нее есть плита и контурные элементы – фермы, арки и др. В свою очередь, покрытие в виде висячей оболочки состоит, как минимум, из пролетной части – тросов или мембраны и опорного контура. В первом случае оболочка работает на сжатие, во втором – на растяжение. При этом контурные элементы могут испытывать усилия как сжатия-растяжения, так и изгиба. Классификация ПКП по форме плана перекрываемого пространства Для специалистов не секрет, что современные пространственные конструкции позволяют перекрывать здания практически любой конфигурации плана. Конечно же, для каждого типа ПКП есть свои предпочтительные формы. Например, для висячих покрытий это простые симметричные формы – круг, прямоугольник и т.д. Системы регулярной структуры и мягкие оболочки более свободны в выборе возможной формы плана. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 20 Конструктивные системы современных пространственных покрытий Лист 1.1 Современные пространственные конструкции Табл.1.1 Синтез искусства, техники и науки 21 Конструктивные системы современных пространственных покрытий Лист 1.2 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 22 Конструктивные системы современных пространственных покрытий Лист 1.3 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Конструктивные системы современных пространственных покрытий Классификация ПКП по материалу основных несущих конструкций Что касается классификации ПКП по материалу, то, как уже говорилось выше, сегодня практически нет пространственной несущей конструкции, изготовленной из одного материала. Как правило, ПКП проектируются и изготавливаются из комбинаций разных материалов. Например, железобетонная оболочка опирается на стальные фермы-диафрагмы, а стальная оболочка-мемб- 23 рана закрепляется к железобетонному опорному контуру. В качестве примера на странице 24 приведена наиболее наглядная, на наш взгляд, классификация пространственных конструкций покрытий. Эта классификация предложена специалистами ЛенЗНИИЭПа [10]. Она несколько отличается от классификации табл. 1.1, но эти отличия не носят принципиального характера и классификации отличаются лишь деталями. 1.3. Области применения пространственных конструкций Сегодня нет ни одной отрасли строительства, в которой не применялись бы пространственные конструкции. В гражданском строительстве это покрытия и перекрытия общественных зданий: спортивных и выставочных залов, кинотеатров, крытых торговых центров и т.д.; в промышленном и сельскохозяйственном строительстве пространственные системы используются в качестве несущих и ограждающих конструкций зданий самого разного назначения. Это и производс- твенные, и складские здания, гаражи и стоянки сельскохозяйственной техники и т.д. Многими исследованиями установлено, что если при пролетах зданий до 24 метров рациональность применения пространственных конструкций сопоставима по расходу материалов и стоимости с плоскостными системами, то при больших пролетах применение пространственных конструкций становится единственно возможным и экономиически оправданным (рис. 1.6) [10 -12]. Рис. 1.6. Области (объемы) рационального применения пространственных конструкций в зависимости от величины перекрываемого пролета Наглядное подтверждение этому можно увидеть на графике рис.1.7. Рис. 1.7. Зависимость расхода стали от величины перекрываемого пролета для различных типов несущих систем Конечно же, возможности современных пространственных систем не ограничиваются рациональными пролетами. В отдельных случаях вполне допустимо их применение и для зданий больших пролетов (табл. 1.2). Но такое решение должно быть обосновано архитектурными и экономическими критериями. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 24 Конструктивные системы современных пространственных покрытий Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 25 Конструктивные системы современных пространственных покрытий Табл. 1.2 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 26 Жесткие оболочки и складки 2. ЖЕСТКИЕ ОБОЛОЧКИ И СКЛАДКИ. КЛАССИФИКАЦИЯ И РАЗВИТИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ Согласно сложившейся классификации к жестким оболочкам относятся тонкостенные конструкции, ограниченные двумя криволинейными плоскостями расстояние между которыми (толщина) мало по сравнению с другими размерами [45, 46]. Складками и шатрами называют конструкции (оболочки) образованные из соединенных между собой и образующих поверхность многогранника пластинок-граней. На рис. 2.1 показана эволюция пространственных покрытий в виде оболочек и складок. Рис. 2.1. Эволюция пространственных конструкций в виде оболочек и складок Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 27 Жесткие оболочки и складки Простой опыт с листом бумаги показывает, что очень тонкая изогнутая пластинка благодаря криволинейной форме приобретает бóльшую со- противляемость внешним силам, чем та же пластинка плоской формы (рис. 2.2) [36]. Рис. 2.2. Увеличение несущей способности при изменении только формы конструкции Жесткие оболочки и складки могут возводиться над зданиями любой конфигурации в плане: прямоугольной, квадратной, круглой, овальной и т.п. (рис. 2.3). При этом даже весьма сложные по конфигурации оболочки могут быть разделены на ряд однотипных элементов [45]. Рис. 2.3. Варианты компоновки зданий с покрытиями в виде оболочек Материалом для оболочек и складок (шатров) служат железобетон, армоцемент, металл, древесина, пластмассы, а также другие материа- лы, хорошо сопротивляющиеся сжимающим усилиям. 2.1. Панели-оболочки, плиты-настилы К панелям-оболочкам и плитам-настилам относятся несущие конструкции «на пролет» образованные тонкой пространственной оболочкой или плоской плитой и контурными (подкрепляющими) элементами или ребрами в виде балок, ферм и т.д. К этой же группе можно отнести кессонные перекрытия (покрытия), у которых несущая плита по всей площади перекрываемого пространства опирается на систему ортогональных или диагональных балок. Рисунок кессонного перекрытия можно увидеть в разделе 3 – Cистемы регулярной структуры. Как правило, эти конструкции опираются на стены или стропильные (подстропильные) элементы каркаса. Материалом для них служат железобетон и армоцемент. В литературе встречаются примеры выполнения панелей-оболочек из синтетических материалов. Классификация покрытий в виде панелей-оболочек и плит-настилов представлена на рис. 2.4. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 28 Жесткие оболочки и складки Рис. 2.4. Классификация покрытий в виде панелей-оболочек и плит-настилов По форме поверхности панели-оболочки бывают нулевой, положительной или отрицательной кривизны, а плоские плиты-настилы могут опираться по контуру или быть консольными (конструктивный признак). Рассмотрим некоторые конструктивные решения таких панелей (лист 2.1) [16]. Панели-оболочки покрытий нулевой гауссовой кривизны типа КЖС совмещают несущие и ограждающие функции. Это предварительно напряженные панели шириной 1,5 и 3,0 м с двумя ребрами – диафрагмами сегментного очертания и плитой толщиной 30 мм цилиндрической формы. Работают эти панели как тонкостенные своды– оболочки. Геометрия обуславливает постоянство усилий в сжатой и растянутой зонах и погашение поперечных сил в ребрах. Плитами КЖС можно легко и удобно перекрывать одно-, двух- и многопролетные здания промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения с подвесными и мостовыми кранами, с возможностью устройства свето- и аэрационных фонарей. При таком решении покрытия значительно сокращается число типоразмеров элементов, уменьшается объем здания и трудоемкость работ. Железобетонная панель-оболочка отрицательной гауссовой кривизны представляет собой предварительно напряженную гладкую или ребристую плиту с седлообразной поверхностью размером 3х12 и ЗхI8 м, толщиной 35 м с ребрами у продольных бортов. Панель пролетом 18 м усилена вертикальным продольным ребром (килем). Высота ребра от 200 мм у опор, до 500 мм в середине. Высота профиля – 500мм. Применяются панели пролетом 18 м и без киля при высоте профиля 700 мм и толщине 50мм. Жесткость и устойчивость элемента обеспечивается в основном геометрической формой самой панели. Область применения – актовые и спортивные залы школ, производственные здания. Интерьеры перекрываемых помещений могут быть решены без применения подвесных потолков. Линейчатая армоцементная панель “бабочка” образуется двумя коноидальными поверхностями, сопряженными между собой по длинным сторонам предварительно напряженным ребрам. Размеры - 3х12, 3х15 и ЗхI8 м. Ребра, очерченные по дуге окружности, соединяются между собой с помощью сварки закладных деталей. Возможны решения покрытий с зенитными фонарями. Применяют такие покрытия над зальными помещениями самого различного назначения и без подвесных потолков. Другие типы панелей-оболочек, представленные на листе 2.1 отличаются формой плиты и отдельными конструктивными элементами. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 29 Жесткие оболочки и складки Лист 2.1 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 30 Жесткие оболочки и складки 2.2. Складки, шатры Складками и шатрами называют конструкции, образованные из соединенных между собой и образующих поверхность многогранника пластинок-граней. Складки из прямоугольных пластинок называются призматическими. Балочные складки состоят из плоских элементов – граней, соединенных между собой под углом так, что в месте их сопряжения образуется прямолинейное ребро. Покрытия из пластинок треугольной, трапециевидной и др. формы образуют шатры. Складчатые покрытия состоят из ряда повторяющихся в определенном порядке складок, опирающихся на балки или диафрагмы жесткости. Такие покрытия чаще всего используют для перекрытия прямоугольных в плане зданий. Шатровые покрытия по своим конструктивным и архитектурным особенностям больше всего подходят для зданий круглой или правильной полигональной формы в плане. К достоинствам шатровых конструкций можно отнести возможность устройства верхнего света, открытых проемов, а также технологичность. Такие конструкции в сборно-монолитном варианте целесообразны при устройстве междуэтажных перекрытий, в случае сетки колонн 12 х 12 м и больших полезных нагрузках (до 5 т/м2). Кроме того, они не требуют устройства подвесного потолка, а пустоты в самой конструкции перекрытия используются для прокладки инженерных коммуникаций. Материалы для складчатых и шатровых покрытий В качестве материалов для изготовления элементов складчатых покрытий используют железобетон (сборный и монолитный), армоцемент, металлы (сталь и алюминий), пластмассы, специальные типы фанеры, картон и др. Основными достоинствами железобетонных и армоцементных складок являются высокая степень унификации, относительно небольшой расход материалов, возможность автоматизации процесса изготовления. Для складок из пластических масс характерна возможность придать элементам любую геометрическую форму, светопрозрачность, стойкость к воздействию агрессивных сред. Однако складчатые конструкции из этих материалов не лишены недостатков. Так, сборные железобетонные складки обладают большим весом и требуют дополнительных затрат на транспортировку, а их монтаж – тяжелого кранового оборудования и устройства сложных подмостей. Конструкциям из пластмасс присущи повышенная деформативность, горючесть, склонность к старению, высокая стоимость. Металл в наибольшей степени соответствует конструктивной форме складчатых конструкций, объединяя в себе основные преимущества двух вышеназванных материалов и не имея их недостатков. Пожалуй, единственным недостатком (относящимся только к стали) является необходимость создания антикоррозионной защиты тонкостенных профилированных листов. Но благодаря разработке недорогих высокоэффективных антикоррозионных синтетических покрытий и появлению специальных марок сталей этот недостаток может быть устранен. Материалом шатровых покрытий чаще всего является монолитный или сборный железобетон. В практике проектирования и строительства известны шатровые покрытия, выполненные из стекла и металла. В этом случае грани шатра (пирамиды) образуются плоскими стальными решетками, на которые опирается стеклянное ограждение. Ниже рассматриваются только призматические складки. Складчатые конструкции, применяемые в оболочках, системах регулярной структуры, комбинированных покрытиях рассматриваются в соответствующих разделах. Классификация складчатых покрытий Покрытия в виде складок и шатров можно разделить на две большие группы. К первой относятся призматические (линейные) складки; ко второй – многогранные. По форме поперечного сечения призматические складки могут быть треугольные, трапециевидные, прямоугольные и др. По конструктивным особенностям они бывают открытые, закрытые, шедовые, встречные, консольные и т.д. (лист 2.2). Встречаются складки комбинированного типа, когда консольные свесы решены с от-крытым сечением, а пролетная часть – из складок замкнутого профиля. По способу изготовления и монтажа складки и шатры бывают сборные и монолитные. Шатровые покрытия являются многогранниками и их можно разделить как по форме, зависящей от количества граней, их конфигурации и пр., так и по форме перекрываемого плана. Классификацию покрытий в виде складок и шатров можно увидеть на рис. 2.5 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 31 Жесткие оболочки и складки Рис. 2.5. Классификация покрытий в виде складок и шатров 2.2.1. Складки и шатры из железобетона и армоцемента Конструктивные формы покрытий в виде складок и шатров из железобетона и армоцемента представлены на листах 2.2. и 2.3 [16]. Из треугольных и трапециевидных складок могут быть образованы так называемые шедовые покрытия, в которых часть площади наклонных граней заменяется ленточным остеклением. Треугольные складки встречаются пролетом до 60 м, шириной не более 8 м. Ширина отдельных граней не превышает 3…3,5 м, толщина не менее 50 мм. На торцах складчатых покрытий предусматриваются диафрагмы жесткости в виде глухих стен, треугольных рам или пилообразных элементов. Кроме того, жесткость складок может быть обеспечена введением ребер жесткости и в пролете. Шаг ребер – 1,5-2,0 м. Рекомендуемые пролеты складчатых покрытий (L ): 12–36 м, высота (Н): 1/10—1/20L. (Н= 1/10 L — отвечает требованиям архитектурной выразительности, Н = 1/20 L — возможностям конструкции). При одном и том же пролете конструктивная высота трапециевидных складок несколько меньше, чем треугольных, поскольку при одной и той же высоте трапециевидные складки имеют значительно больший момент инерции. Складки могут быть выпущены за пределы крайних опор, образуя консольные свесы. Толщину плоского элемента складки принимают около 1/200 пролета, высоту элемента не менее 1/10, а ширину грани — не менее 1/5 пролета. Складками обычно перекрывают пролеты до 50 – 60 м, а шатрами до 24 м. При изготовлении складок из монолитного железобетона угол наклона граней рекомендуется принимать не более 35°. Это делается для того, что бы обеспечить возможность их бетонирования без двойной опалубки. Сборные железобетонные складки получают как из плоских, так и V-образных элементов. Грани армоцементных складок могут быть и криволинейного очертания. Складчатые конструкции имеют целый ряд положительных качеств: • простота формы и, соответственно, простота изготовления; • возможности заводского изготовления; • экономия высоты помещения и др. Применение складок с открытым сечением позволяет обогатить пластику фасадов, особенно при наличии консольного свеса, а также интерьер, однако, усложняет гидро-, паро - и теплоизоляционные работы. Складки замкнутого профиля, сохраняя выразительность в интерьере, позволяют упростить вопросы изоляции и размещения инженерных коммуникаций. Кроме того, плоская верхняя плита включается в работу конструкции, что позволяет уменьшить высоту покрытия. На фасад такие складки не выводят. Область применения веерообразных складок – здания трапециевидной и сложной (криволинейной) формах плана. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 32 Жесткие оболочки и складки Лист 2.2 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 33 Жесткие оболочки и складки Лист 2.3 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 34 Жесткие оболочки и складки 2.2.2. Складки и шатры из металла Первые сведения о складчатых конструкциях из металла относятся к 30-м годам прошлого столетия. Покрытия из металлических складок представляли собой пространственные трехгранные металлические фермы и закрепленный на их наклонных гранях тонколистовой настил. Дальнейшее развитие конструктивные формы складчатых покрытий из металла получили в 40..50-х гг., когда в США были выданы патенты на бескаркасные сводчатые здания, собираемые из лоткообразных элементов трапециевидного, треугольного и Vобразного поперечного сечения. В это же время обозначились основные направления развития этого вида конструкций [15]. Первое направление – это формирование систем из тонкостенных лоткообразных элементов, второе – из ромбических (треугольных) элементов и третье – формирование систем из пространственных элементов сложной конфигурации (так называемых элементов пространственной структуры профилирования). Складчатые элементы получают из тонколистовой заготовки холодной гибкой. По конструктивному признаку складчатые покрытия из металла можно разделить на четыре группы. К первой группе относятся линейные складки, опирающиеся на каркас. Довольно большую группу составляют бескаркасные здания сводчатого и рамного типа (лист 2.4). К третьей группе относятся так называемые системы регулярной структуры, собираемые из складчатых элементов пластинчатой структуры. Это кристаллические своды и купола, а также плиты. И, наконец, четвертую группу образуют комбинированные системы, у которых складчатые элементы присутствуют и в покрытии, и в поддерживающих его конструкциях. Описанные выше конструктивные формы складчатых покрытий из металла представлены на листе 2.4. По структурным особенностям в таких покрытиях можно выделить конструкции с жесткими несущими контурами, а по форме профилированных элементов, определяющей их класс, на лоткообразные, ромбические и объемные. В свою очередь, лоткообразные и ромбические элементы могут быть с плоскими или криволинейными гранями (лист 2.5). Характерными признаками, отличающими складчатые конструкции из металла от других типов пространственных конструкций, являются высокая степень тонкостенности элементов при одновременном увеличении их общих размеров; максимальная унификация, а также форма элементов, позволяющая перевозить их в компактном виде за счет вкладывания элементов один в один. Если первые здания с покрытиями в виде металлических складок имели пролеты 12…18 метров, то сегодня благодаря научным исследованиям и разработкам специалистов их пролеты достигают 60..72 и более метров [15, 19, 24]. Область применения складчатых покрытий из металла – здания сельскохозяйственного назначения, общественные здания спортивного и культурно-развлекательного назначения (крытые корты, бассейны, универсальные спортивные залы выставочные комплексы ит.д.). Складки и шатры из синтетических материалов (пластмасс, стеклопластиков и пр.) чаще всего применяются в виде сводов, куполов и в комбинированных системах. Поэтому они рассматриваются в соответствующих разделах пособия. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 35 Жесткие оболочки и складки Лист 2.4 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 36 Жесткие оболочки и складки Лист 2.5 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 37 Жесткие оболочки и складки 2.3. Жесткие оболочки Классификация покрытий в виде жестких оболочек Тонкостенные оболочки являются одним из наиболее эффективных видов пространственных покрытий, которые используются при строительстве зданий с большими пролетами (ангаров, стадионов, рынков и т.п.). Напомним, что тонкостенная оболочка представляет собой изогнутую поверхность, которая при минимальной толщине, небольшой массе и расходе материалов обладает очень большой несущей способностью – благодаря криволинейной форме она работает как пространственная несущая конструкция. По геометрии поверхности все покрытия в виде жестких оболочек можно разделить на три группы: оболочки одной формы поверхности; оболочки составной формы и оболочки произвольной формы поверхности. Рис. 2.4. В свою очередь, оболочки одной формы могут иметь поверхности нулевой (одинарной), положительной или отрицательной (двоякой) кривизны, а сопряженные оболочки могут быть образованы из элементов либо одной геометрии поверхности, либо из элементов разной формы. В отдельную группу можно выделить покрытия в виде панелей-оболочек, имеющих разную форму поверхности и плоские покрытия в виде плит-настилов. По конструктивной схеме все оболочки могут быть гладкими, ребристыми (подкрепленными), волнистыми, складчатыми и комбинированными. Классификация покрытий в виде жестких оболочек представлена на рис. 2.4. Классификация пространственных покрытий в виде жестких оболочек Как видно из представленной классификации, к покрытиям нулевой гауссовой кривизны относятся цилиндрические и конические оболочки, а также коноиды. К покрытиям положительной кривизны относятся купола и парусные (пологие) оболочки. Сводчатые и купольные покрытия мы выделяем в отдельную подгруппу. 2.3.1. Оболочки различной формы поверхности Цилиндрические оболочки имеют круговое, эллиптическое или параболическое очертание и опираются на торцевые диафрагмы жесткости, которые могут быть выполнены в виде стен, ферм, арок или рам. В зависимости от длины оболочек их делят на короткие, у которых пролет по про- дольной оси не более чем полторы длины волны (пролет в поперечном направлении), и на длинные, у которых пролет по продольной оси более, чем полторы волны (рис. на листе 2.6) [16]. По продольным краям длинных цилиндрических оболочек предусматриваются бортовые Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 38 Жесткие оболочки и складки элементы (ребра жесткости), в которых размещается продольная арматура, позволяющая работать оболочке вдоль продольного пролета подобно балке. Кроме того, бортовые элементы воспринимают распор от работы оболочек в поперечном направлении и поэтому должны обладать достаточной жесткостью и в горизонтальном направлении. Длина волны длинной цилиндрической оболочки обычно не превышает 12 м. Отношение стрелы подъема к длине волны принимается не менее 1/7 пролета, а отношение стрелы подъема к длине пролета – не менее 1/10. Сборные длинные цилиндрические оболочки собираются из цилиндрических секций, бортовых элементов и диафрагм жесткости, арматура которых в процессе монтажа сваривается между собой и омоноличивается. Длинные цилиндрические оболочки целесообразно применять для покрытий больших помещений с прямоугольным очертанием в плане. Обычно их располагают параллельно короткой стороне перекрываемого прямоугольного пространства для сокращения величины пролета вдоль продольной оси. Оболочки положительной кривизны Поверхность оболочек положительной гауссовой кривизны может быть образована либо вращением в общем случае произвольной плоской кривой (образующей) вокруг верти-кальной или горизонтальной оси, либо поступательным перемещением образующей (прямой или кривой) по направляющей, которая может иметь форму прямой или кривой. В первом случае мы имеем оболочки вращения, во втором – оболочки переноса. С помощью способа переноса с использованием кривых любой формы можно получить поверхности двоякой кривизны. Покрытия в виде оболочек, как правило, состоят из криволинейной плиты и контурных элементов в виде ферм, арок с затяжками или диафрагм. Плита оболочки может быть гладкой и ребристой (подкрепленной), а по способу изготовления – сборной или монолитной. Плита оболочки работает в основном на сжатие и только в углах возникают растягивающие усилия. Основные геометрические параметры покрытий в виде оболочек – форма в плане, пролет (ширина) и стрела подъема. Стрела подъема назначается в пределах 1/10..1/5 L. Толщина плиты назначается по расчету (обычно в пределах 1/600...1/500 L), но не менее 40 мм по конструктивным требованиям. В приконтурных зонах толщина плиты увеличивается для размещения дополнительной арматуры и восприятия возникающих в этих зонах усилий. Пологие оболочки переноса на квадратном или близком к нему прямоугольном плане с отношением сторон 1…1.5 и стрелой подъема f меньшей или равной 1/5 минимального пролета (или 1/10 меньшей стороны) называются парусными. К достоинствам этих оболочек можно отнести небольшую строительную высоту, возможность применения унифицированных элементов, экономичность. Пролеты парусных оболочек достигают 100 и более метров Парусная оболочка имеет много общего с куполом – ее можно представить как купол с отсеченной вертикальными или наклонными плоскостями плитой (оболочкой). Оболочки отрицательной кривизны К оболочкам отрицательной кривизны относятся гиперболический параболоид (поверхность переноса) и однополостной гиперболоид вращения (подробнее об этом смотри раздел «Краткие сведения...»). Характерной особенностью этих поверхностей является их линейчатость. Как и другие типы оболочек, гипары состоят из пролетной части – гладкой или ребристой плиты и контурных элементов, которые проектируются в виде ферм, балок или рам. При этом контурные элементы могут быть как плоскими и прямолинейными, так и пространственными и криволинейными. Гипары отличаются большим разнообразием архитектурных и конструктивных форм, высокой несущей способностью, хорошими технико-экономическими показателями. Материалом для оболочек в виде гипаров служат железобетон, армоцемент, металл, древесина, пластмассы. Весьма эффективно использование в покрытиях такого типа комбинации различных материалов. Применяются оболочки – гипары в покрытиях общественных и производственных зданий с различной формой плана пролетами от 18 до 80 и более метров, в малых архитектурных формах. При этом покрытия могут быть как отдельно стоящими, так и составными, в виде сочетаний отдельных гипаров, которые образуют многопролетные покрытия. Опираются такие покрытия как по контуру (на стены, балки и т.п.), так и на отдельные опоры по углам (контрфорсы или фундаментные конструкции). Железобетонные гипары могут возводиться в монолитном, сборном или сборномонолитном варианте. О покрытиях с применением в качестве материала пролетной конструкции тонкого металлического листа или ткани рассказывается в соответствующих разделах пособия. Составные (сопряженные) оболочки образуются совокупностью взаимно пересекающихся фрагментов (тоже оболочек), имеющих либо одинаковую для всех, либо отличную для каждого фрагмента форму поверхности. По линиям сопряжения фрагментов, образующих составную оболочку, проходят переломы ее поверхности, а фрагменты могут иметь нулевую, положительную, отрицательную кривизну, а также многогранную (складчатую) форму [19, 23, 45]. Составляющие оболочки имеют, чаще всего, треугольный, трапециевидный или квадратный план, либо план, получаемый сопряжением этих фигур. Некоторые формы составных оболочек имеют полигональный план, достаточно близко вписанный в замкнутую кривую (круг, эллипс и т.д.). Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 39 Жесткие оболочки и складки Очень часто составные оболочки являются элементами более сложных, комбинированных несущих систем, в которых они работают совместно с висячими конструкциями, складками, мембранами и т.д. Такие системы подробно проанализированы в главе 7. Покрытиями в виде составных оболочек перекрывают здания пролетами от 24 до 150 и более метров с различной формой плана (квадратной, прямоугольной, многоугольной, криволинейной). Одной из наиболее распространенных конструктивных форм составных покрытий являются оболочки в виде сочлененных гипаров, перекрывающие пролеты до 70 м (лист 2.7), а также разнообразные зонтичные оболочки (лист 2.8). Очень интересные конструктивные формы создают составные оболочки положительной кривизны на полигональном плане и купольно-складчатые оболочки (лист 2.9). Верхняя часть таких оболочек образована оболочкой положительной кривизны или кольцом, а нижняя – складчатыми элементами (оболочками), опирающимися по периметру на фундаменты и контрфорсы. Пролеты таких покрытий достигают 150 м. Отдельный вид представляют собой составные покрытия висячего типа. В таких покрытиях в работу составной оболочки включаются ребра жесткости и висячие элементы типа затяжек, жестких нитей, вантовых ферм и др. Подробнее о составных покрытиях висячего типа можно прочитать в [45]. В качестве материалов составных оболочек обычно используют железобетон или комбинацию различных материалов, например, железобетонную плиту и стальные контурные элементы – фермы, арки. Работа покрытий в виде составных оболочек определяется формой поверхности, конструктивными особенностями, характером опирания по контуру. Развитие конструктивных форм жестких оболочек тесно связано с потребностями современной архитектуры. Именно архитекторы придумывают новые формы поверхностей покрытий в виде жестких оболочек, увязывая эти формы с функциональным назначением, параметрами планировочного решения и градостроительными требованиями конкретного участка строительства. На листе 2.10 показана примерная взаимосвязь разнообразных форм оболочек (в основном положительной кривизны) с формой плана перекрываемого помещения [38]. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 40 Жесткие оболочки и складки Лист 2.6 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 41 Жесткие оболочки и складки Лист 2.7 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 42 Жесткие оболочки и складки Лист 2.8 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 43 Жесткие оболочки и складки Лист 2.9 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 44 Жесткие оболочки и складки Лист 2.10 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 45 Жесткие оболочки и складки 2.3.2. Своды Сводом называется пространственная конструкция покрытия (оболочка), имеющая геометрическую форму выпуклой криволинейной поверхности нулевой кривизны. Поверхность свода может быть очерчена любой выпуклой кривой – дугой окружности, параболой и др. Призматический (многогранный) свод состоит из прямолинейных участков, вписанных в соответствующую кривую. Свод – наиболее древняя и широко распространенная система криволинейного покрытия. На его основе был создан целый ряд архитектурных форм прошлого, позволивших решить проблему перекрытия зальных помещений с различным функциональным назначением. По профилю поперечного сечения своды делятся на цилиндрические (с прямолинейной образующей поверхности), складчатые и волнистые (лист 2.11) [16]. Придание своду в продольном направлении складчатого (треугольного, трапециевидного) или волнистого очертания повышает жесткость и несущую способность покрытия, придает ему дополнительные пластические качества. Простейшим и наиболее распространенным является гладкий цилиндрический свод, опирающийся на параллельно расположенные опоры (стены, ряды столбов, аркады и т.п.). В поперечном сечении свод представляет собой часть окружности, эллипса, параболы и др. Отдельную группу составляют стрельчатые своды, образованные двумя участками гладкой кривой с изломом в ключе. По конструктивной форме сводчатые покрытия бывают отдельно стоящие и составные, а по структурным особенностям – гладкие, ребристые (подкрепленные), сетчатые и др. (лист 2.11). Два цилиндрических свода одинаковой высоты, пересекающиеся под прямым углом, образуют составное покрытие, которое получило название крестовый свод. Для перекрытия треугольных и квадратных в плане зданий используется составное покрытие в виде сомкнутого свода. В практике современного строительства сводчатые покрытия выполняются из железобетона (сборного и монолитного), армоцемента, металла, древесины и синтетических материалов. В сводах возникают усилия распора и для их восприятия устраиваются затяжки, контрфорсы и т.п. конструкции. К достоинствам сводчатых покрытий можно отнести совмещение несущих и ограждающих функций, простоту разрезки на сборные элементы, хорошие технико-экономические показатели. Недостатками таких покрытий являются ограниченность в выборе формы плана, увеличение строительного объема здания, необходимость в устройстве конструкций, воспринимающих распор и т.д. 2.3.3. Купола Купол (итал. cupola – купол, свод, от лат. сupula; уменьшительное от cupa – бочка) – пространственное покрытие здания двоякой кривизны. Формы купола образуются вращением различных выпуклых кривых вокруг вертикальной оси. По этому признаку (виду образующей) купола бывают сферическими, эллипсоидальными, стрельчатыми и др. (Лист 2.12) [16]. Как и другие типы покрытий в виде оболочек, купола состоят из тонкой криволинейной плиты, нижнего растянутого опорного контура и верхнего сжатого кольца, служащего также в качестве светового и аэрационного проема. Основными геометрическими параметрами таких покрытий являются пролет (диаметр перекрываемого здания), стрела подъема и толщина плиты. По величине стрелы подъема различают пологие (f/D меньше или равно 1/5...1/10) и подъемистые купола (f – стрела подъема; D – диаметр). По конструктивной схеме купола бывают гладкие, ребристые, ребристо-кольцевые, складчатые, сетчатые и геодезические. По структурным особенностям (строению плиты) купола бывают сплошные, решетчатые (стержневые) и пластинчатые (кристаллические). Покрытия в виде куполов применяют для перекрытия круглых, эллиптических или многоугольных в плане зданий различного назначения пролетами до 150 и более метров. Если куполом завершается прямоугольная в плане ячейка здания, переход от квадрата к круглому (или эллиптическому) основанию купола решается с помощью специальных сводов – парусов или тромпов. Материалами для купольных покрытий могут служить железобетон (сборный и монолитный), армоцеменет, древесина, конструкционные пластмассы, а также различные ткани и пленки. В куполе обычно возникают как вертикальные сжимающие, так и горизонтальные усилия (распор), которые передаются на поддерживающую его конструкцию или воспринимаются нижним (опорным) кольцом самого купола. К достоинствам куполов следует отнести наиболее эффективное использование материала и простоту водоотвода. Недостатками таких покрытий являются большой строительный объем перекрываемого здания и трудности создания требуемых акустических характеристик (форма купола не способствует созданию диффузного звукового поля). Область применения купольных покрытий: спортивные сооружения, цирки, рынки и т.д. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 46 Жесткие оболочки и складки Лист 2.11 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 47 Жесткие оболочки и складки Лист 2.12 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 48 Жесткие оболочки и складки Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 49 Жесткие оболочки и складки Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 50 Жесткие оболочки и складки Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 51 Системы регулярной структуры 3. СИСТЕМЫ РЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ И РАЗВИТИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ Среди большого разнообразия конструкций, применяемых в современном строительстве, особое место занимают системы регулярной структуры (СРС). К системам регулярной структуры (СРС) относятся плоские (плиты) и пространственные несущие конструкции зданий или сооружений (оболочки), образуемые повторяющимися однотипными ячейками из стержневых или пластинчатых элементов. Практика современного строительства имеет немало примеров применения покрытий в виде систем регулярной структуры для зданий самого различного назначения – общественных, производственных, сельскохозяйственных и др. Находят применение СРС и как элементы крупноразмерных стен зданий. В качестве ограждающей части в покрытиях с применением СРС чаще всего используют металлические профилированные листы или трехслойные панели с металлическими обшивками. Как правило, настил опирают непосредственно на элементы верхнего пояса. Опоры располагают либо по контуру покрытия, либо в отдельных точках как по периметру, так и внутри контура [37, 50]. В зависимости от объемно-планировочного решения здания покрытия с применением СРС могут быть выполнены в виде плит, складок, оболочек (сводов, куполов), а также использоваться в качестве элементов комбинированных систем. По форме поверхности системы регулярной структуры подразделяются на плоские (плиты) и пространственные (оболочки). По конструктивной форме их можно разделить на перекрестно-ребристые, структурные плиты (стержневые и пластинчатые), а также сетчатые и пластинчатые оболочки. По структурным особенностям пространственные системы регулярной структуры выполняются одно-, двух- и многослойными. Классификация СРС представлена на рис. 3.1. Рис. 3.1. Классификация пространственных конструкций в виде систем регулярной структуры В системах регулярной структуры (независимо от формы и конструктивного решения) всегда можно выделить следующие типы образующих их элементов – это узлы, линейные (стержневые), плоские или пространственные (стержневые или пластинчатые) элементы, которые можно назвать структурообразующими ячейками. Соединенные между собой в узловых соединениях в определенном порядке эти элементы и образуют системы регулярной структуры. К достоинствам СРС следует отнести возможность перекрывать здания любой формы плана, свободно располагать опоры, создавать консольные свесы и отверстия для зенитных фонарей, сравнительно малую строительную высоту покрытия (1/20 – 1/35 L). Из однотипных элементов, изготовленных в заводских условиях, можно создавать покрытия со сложным профилем поперечного сечения в виде односкатных и двускатных покрытий, шатров, сводов, куполов и т.п. Сложная форма покрытий и достаточно свободная расстановка опор создают предпосылки для создания рациональных объемно-планировочных решений и выразительных архитектурных форм. Системы регулярной структуры великолепно смотрятся в интерьере без каких–либо декоративных элементов типа подвесных потолков и пр. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 52 Системы регулярной структуры Покрытия с применением СРС отличает повышенная надежность от внезапных разрушений, максимальная унификация элементов и узлов, небольшие транспортные расходы, простота сборки и монтажа. Возведение таких покрытий сводится к простой операции сборки (соединению в узлах) структурообразующих ячеек. Причем сборку конструкций можно производить на уровне земли и монтировать (поднимать) покрытия либо целиком, либо крупными блоками. К недостаткам некоторых типов СРС специалисты относят достаточно высокие требова- ния по точности изготовления элементов и повышенный расход стали. Область применения СРС весьма обширна. Они используются в качестве покрытий зданий самого различного назначения: общественных (для зальных помещений торгово-бытового и спортивно-зрелищного назначения), производственных, сельскохозяйственных, транспортных. В последние годы эти системы находят применение не только для покрытий, но также в качестве несущих конструкций перекрытий и стен. 3.1. Перекрестно-ребристые покрытия Перекрестно-ребристые покрытия представляют собой систему перекрещивающихся в двух или в трех направлениях балок или ферм с параллельными поясами и опирающийся на эту систему настил (лист 3.1,а). Настил (плита) может выполняться из сборного или монолитного железобетона, металла, древесины. За счет создания перекрестной системы появляется возможность уменьшить высоту ферм или балок до 1/6 - 1/24 пролета. Расстояние между ребрами назначают в пределах от 1,5 до 6 м. Такие системы эффективны для перекрытия квадратных или прямоугольных в плане помещений с отношением сторон от 1:1 до 1,25:1. При дальнейшем увеличении этого отношения конструкция теряет свои преимущества, превращаясь в обычную балочную систему. В перекрестных системах целесообразно устраивать консоли с вылетом до 1/5 – 1/4 пролета. Перекрестно-ребристые покрытия проектируются стальными, железобетонными и деревянными. Железобетонные перекрытия и покрытия, выполненные в виде кессонов, рациональны в зданиях с пролетами 18–36 м. При больших пролетах необходимо использовать стальные или железобетонные фермы. Деревянные перекрестные системы эффективны для пролетов до 24 м. При значительных нагрузках и больших пролетах в качестве ребер очень эффективны стальные трехгранные фермы. Пространственная жесткость перекрестно ребристых покрытий обеспечивается жестким соединением ферм в местах их пересечения и конструкциями настила, который может быть выполнен сборным или монолитным в виде плиты. 3.2. Системы регулярной структуры стержневые Как уже отмечалось выше, к стержневым системам регулярной структуры относятся структурные плиты, составленные из таких плит шатры (многогранники) и сетчатые оболочки (цилиндрические, конические, парусные, купола и т.д.). Конструктивные формы стержневых пространственных систем представлены на рис. 3.2. Однопоясные системы (рис. 3.2,а и б) используют только в пространственных покрытиях – цилиндрических сводах, куполах, гипарах и т.д. Двухпоясные системы, как правило, применяют в структурных плитах (рис. 3.2, в), однако при больших пролетах и значительных нагрузках они становятся эффективными и для покрытий в виде оболочек различной формы поверхности (рис. 3.2, г и д). Элементы решетчатых стержневых систем обычно выполняются из стали или алюминиевых сплавов. Но есть большое количество примеров использования в таких покрытиях древесины, а также комбинации различных материалов, например, сжатых элементов из древесины, а растянутых из металла. 3.2.1. Структурные плиты стержневые Для стержневых элементов применяют стальные гнутые или прокатные профили, а также профили из алюминиевых сплавов. Наибольшее распространение получили профили круглого и квадратного сечения. Применение таких профилей позволяет существенно снизить массу конструкций, но затрудняет конструкции узловых соединений. Поэтому наряду с закрытыми (трубчатыми) профилями находят применение прокатные профили двутаврового, швеллерного, углового сечения, которые позволяют упростить конструкцию узловых соединений. Конструктивное решение стержневых плит позволяет использовать их не только в плоских покрытиях, но открывает широкие возможности для проектировщиков при разработке покрытий сложного профиля – двухскатных, шедовых, произвольного профиля и т.п. (лист 3.2) [37, 48, 50]. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 53 Системы регулярной структуры Рис. 3.2. Конструктивные формы стержневых систем регулярной структуры: а, б – однопоясные; в, г, д – двухпоясные Вариантов опирания стержневых плит на опоры достаточно много. В одном случае это опирание отдельных узлов структуры непосредственно на колонны, в другом – опирание с использованием жестких капителей и пространственных опор (лист 3.2). Во втором случае опорными являются уже несколько узлов структуры, что благоприятно сказывается на распределении усилий в ее стержнях. Расположение опор в покрытиях с использованием стержневых плит определяется планировочным решением перекрываемого помещения. И тут проявляется одно из главных преимуществ этих конструкций – возможность размещения опор в любой зоне как по периметру, так и внутри контура плиты (лист 3.3). При этом плита может иметь консольные участки, а элементы стенового ограждения – располагаться внутри контура перекрытия. Двухпоясные решетчатые плиты состоят из из двух плоских решетчатых поясов и раскосов или стоек между ними. Ячейкам поясов придается форма квадрата, равностороннего треугольника или правильного шестиугольника (см. лист 3.1,б). Плиты собираются из элементов только двух типов: стержневых, которые могут иметь одинаковую длину, и узловых – одинаковых для разных конструкций. Ячейки верхнего пояса располагают либо точно над ячейками нижнего пояса, либо со смещением. Квадратные ячейки смещаются на половину стороны ячейки в каждую сторону, треугольные – на одну треть стороны. При таких смещениях обеспечивается одинаковая длина всех раскосов между поясами. В литературных источниках описываются примеры применения в разных поясах разных по форме решеток. Например, треугольных в одном поясе и шестиугольных – в другом. При выборе схемы размещения опор надо учитывать статические и конструктивные особенности стержневых плит – увеличение внутренних усилий при редкой сетке колонн и необходимость усиления опорных узлов, воспринимающих значительные нагрузки. Например, для квадратной в плане плиты наиболее рациональным является опирание каждой стороны на две колонны, расположенные от углов плиты на расстоянии ¼ пролета. При внутриконтурном опирании с образованием консольных свесов рекомендуется отношение вылета консоли к пролету принимать в пределах 0,1 – 0,3 [32]. Узловые соединения В зависимости от способа соединения элементов все узловые соединения подразделяются на три группы (лист 3.4): • болтовые соединения, исключающие сварку как в заводских условиях, так и при монтаже и позволяющие собирать структуры только на болтах или подобных сборочных деталях; • комбинированные соединения, допускающие сварку в заводских условиях и сборку на болтах в условиях строительной площадки; • сварные соединения, осуществляемые на строительной площадке. Рекомендации по применению тех или иных видов узловых соединений в различных компоновочных схемах структурных плит можно найти в справочной литературе [45, 48, 49]. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 54 Системы регулярной структуры Лист 3.1 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 55 Системы регулярной структуры Лист 3.2 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 56 Системы регулярной структуры Лист 3.3 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 57 Системы регулярной структуры Лист 3.4 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 58 Системы регулярной структуры 3.2.2. Сетчатые своды, купола Пространственная стержневая конструкция, узлы которой лежат на некоторой поверхности, образует сетчатую оболочку. В зависимости от формы поверхности различают сетчатые цилиндрические и конические оболочки (оболочки нулевой кривизны); сетчатые купола и оболочки переноса (оболочки положительной кривизны). В этом разделе рассматриваются вспарушенные (подъемистые) сетчатые оболочки. Сетчатые оболочки висячего типа рассматриваются в главе 4. Рис. 3.3. Цилиндрический сетчатый свод Вуппермана По структурным особенностям сетчатые оболочки могут быть однопоясными, двух-, а иногда и трехпоясными (см. рис. 3.2, в, г. д). Однопоясные оболочки проще в конструктивном решении и монтаже, но из-за возможности потери устойчивости их пролеты ограничены. Рис. 3.4. Другим признаком, по которому можно разделить сетчатые оболочки на отдельные группы, является структура или форма ячейки стержневой сетки, которая может быть квадратной, треугольной, ромбической, шестиугольной и т.д. (рис. 3.4). Форма ячеек поясной сетки свода Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 59 Системы регулярной структуры Сетчатые своды выполняются в виде сеток с одинаковыми ячейками. Простейшая конструкция сетчатого цилиндрического свода образуется при изгибании плоской сетки с треугольными ячейками вдоль семейства параллельных прямых (в продольном направлении). Чтобы обеспечить геометрическую неизменяемость системы, сетку закрепляют в плоскости торцов оболочки. Сетчатые купола представляют собой многогранники, вписанные в сферическую или другую поверхность вращения и состоящие из одного слоя конструктивных элементов. Покрытия в виде сетчатых куполов проектируются Рис. 3.5. в основном металлическими, однако известны примеры их выполнения из железобетона и древесины (даже из картона!). Главная особенность сетчатых куполов, являющаяся следствием их формы, это пространственная работа, обеспечивающая благоприятные условия работы образующих купол элементов и возможность отказаться от вертикальных поддерживающих элементов типа колонн, стен и т.п. Кроме того, сферический купол перекрывает максимальную площадь при минимальной собственной поверхности. Конструктивные формы сетчатых куполов Способов построения сетчатых куполов достаточно много [12, 27, 39, 45, 50]. Для относительно пологих покрытий используются схемы, обладающие осевой симметрией. Все они состоят из определенного числа зеркально симметричных секторов. Форма поверхности может быть любая, но чаще всего используется сферическая. Основными схемами построения купола являются: - ребристо-кольцевая со связями в каждой ячейке (купол Шведлера); - звездчатая (купол Феппля); - схема Чивитта; - схема «ромб». Недостатком схем Шведлера и Феппля является сгущение сетки в верхней части, что усложняет конструкцию узлов и приводит к необходимости устройства центрального кольца большого диаметра. В схеме Чивитта этих недостатков нет, что позволило использовать ее при проектировании и строительстве самых больших в мире купольных покрытий в Хьюстоне (США) – пролет 195,6 м; высота 28,4 м и в Новом Орлеане (США) – пролет 207,3 м; высота 32 м [45]. В основе построения сетчатого купола с ромбической ячейкой лежит правильная сеть Чебышева. Эта схема образует наиболее равномерную сеть, в которой все линии стержней плавно переходят друг в друга, следуя кривизне покрытия. Для сферических куполов предложено большое количество схем или способов построения сферических сетей с использованием симметрии правильных многогранников. Наибольшее распространение в практике проектирования получили два способа. Первый – с использованием при разбивке геодезических линий на сфере додекаэдра (правильно- Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 60 Системы регулярной структуры го многогранника, имеющего 12 граней-пятиугольников); второй – построение 720-гранника на основе усеченного икосаэдра (правильный икосаэдр – многогранник, имеющий 20 гранейтреугольников). При первом способе, автором которого является известный американский инженер Р.Б. Фуллер, исходная сеть состоит из 60 одинаковых равнобедренных сферических треугольников, каждый из которых в дальнейшем разбивается с таким расчетом, чтобы по оси симметрии исходного треугольника укладывалось определенное число одинаковых равнобедренных треугольников. Во втором способе, предложенным советским архитектором М.С. Туполевым, исходная сеть состоит из 180 равнобедренных треугольников, при последующей разбивке которых и образуется треугольная сеть на сфере, состоящая из 720 ячеек. Идея «геодезических куполов» появилась в результате исследований в области картогра- фии, а именно переноса сферической поверхности земли на плоскость с минимальными искажениями. Свой первый геодезический купол Букминстер Фуллер (1895–1983) построил в 1952 г. в Woods Hole, Масачусетс (США) для местного ресторана. Диаметр этого купола был всего 18 м. В 1959 году для Американской национальной выставки в Москве, проходившей в Сокольниках, был построен так называемый «золотой купол» (он был окрашен в золотой цвет). В дальнейшем он использовался как выставочный павильон для экспозиции американского искусства. За прошедшие годы во всем мире построено более трехсот тысяч «геодезических куполов», которые используются не только как выставочные павильоны, но и как ангары, склады, эксплуатируются как жилища в местах со сложными погодными условиями, например, на Южном полюсе (см. рис. на листе 3.4) [60]. 3.3. Системы регулярной структуры пластинчатые К пластинчатым системам регулярной структуры относятся плиты из армоцементных элементов пирамидального или криволинейно- го очертания и оболочки (купола) из тонкостенных профилированных элементов из стали или алюминиевых сплавов. 3.3.1. Структурные плиты пластинчатые Рис. 3.6. Интерьер зала с покрытием в виде плиты из армоцементных элементов Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 61 Системы регулярной структуры Плиты регулярной структуры из армоцемента (рис. 3.6) собираются из тонкостенных многогранников пирамидальной формы с открытой нижней гранью и плоских тонкостенных плит, укладываемых между вершинами пирамид (см. лист 3.3). После объединения всех элементов между собой, которое осуществляется сваркой закладных деталей, конструкция приобретает необходимую жесткость и по своей работе приближается к двухпоясным стержневым плитам – структурам. Причем роль стержней, соединяющих пояса структуры, выполняют грани пирамид, а поясные сетки образуются ребрами открытых граней и плоскими плитами настила. Структурные плиты из армоцементных элементов отличают выразительный интерьер, не требующий устройства подвесного потолка; достаточно высокие акустические качества; возможность устройства естественного освещения через покрытие; малая строительная высота; возможность перекрытия залов с произвольным планом, повышенная огнестойкость. Разработанные в институте ЛенЗНИИЭП варианты структурных плит из армоцементных элементов предназначены для перекрытия зальных помещений гражданского назначения пролетами 12…48 м. Целесообразны такие конструкции и в качестве междуэтажных перекрытий в зданиях с разреженной сеткой колонн и большими полезными нагрузками [24, 29, 45]. 3.3.2. Своды, купола пластинчатые К пластинчатым сводам и куполам относятся оболочки (многогранники), образованные из соединенных между собой в определенном порядке тонкостенных (стальных или из алюминиевых сплавов) профилированных элементов. Более подробную информацию о покрытиях в виде пластинчатых сводах и куполах можно найти в [15, 16, 45, 50]. Рис. 3.7. Пластинчатые купола Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 62 Системы регулярной структуры Лист 3.3 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 63 Системы регулярной структуры Лист 3.4 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 64 Системы регулярной структуры Лист 3.5 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 65 Висячие покрытия 4. ВИСЯЧИЕ ПОКРЫТИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ И РАЗВИТИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ Висячими называют покрытия, основные несущие элементы которых, перекрывающие пролет здания, работают на растяжение. Составными частями практически всех типов висячих покрытий являются собственно покрытие (пролетная часть) и опорный контур, воспринимающий реакции от пролетной конструкции. По характеру воспринимаемой нагрузки и очертанию несущие элементы пролетной части висячих покрытий подразделяются на два вида – висячие и вантовые. Висячие элементы воспринимают поперечную нагрузку от закрепленных на них конструкций настила или подвесок и передают ее на опоры. Поэтому они имеют криволинейное очертание и выполняются в виде гибких тросов, канатов, тонколистовых мембран, висячих балок (нитей конечной изгибной жесткости – «жестких нитей») или ферм. В свою очередь, висячие фермы могут быть выполнены либо из гибких тросов, либо из жестких прокатных или гнутых элементов. Ванты или подвески – это прямолинейные гибкие растянутые стержни, не воспринимающие поперечной нагрузки по своей длине и передающие усилия растяжения от одного узла крепления к другому (или на анкерные элементы). К этому типу висячих элементов относятся и так называемые струны – предварительно натянутые ванты. Впервые в мировой практике висячие покрытия были предложены выдающимся русским инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым. По его проектам в 1886 году на Нижегородской ярмарке были построены четыре павильона основным несущим элементом покрытий которых был шатер из пересекающихся стальных полос (см. рис. 4.4). Это были однопоясные покрытия – все несущие элементы шатров располагались в одной поверхности [18, 25, 47]. Следующий шаг в развитии конструктивных форм висячих систем связан с использованием в качестве несущих элементов высокопрочных стальных канатов и тонколистовых мембран, а также созданием разнообразных двухпоясных и комбинированных (арочно-вантовых, мембранностержневых и т.д.) систем. При проектировании висячих покрытий необходимо учитывать их основной недостаток – повышенную деформативность при действии временной, односторонней нагрузки, так называемую «геометрическую нелинейность». Эта деформативность связана с изменением первоначальной равновесной формы висячей системы при ее загружении местной односторонней или сосредоточенной нагрузкой. Такие перемещения, не связанные с прогибами вследствие упругих деформаций, получили название «кинематических». Уменьшить кинематические перемещения можно за счет усложнения конструктивной схемы (введения оттяжек, дополнительных жестких элементов и т.п.), а также за счет предварительного натяжения [18, 39, 45]. Способов стабилизации формы (уменьшения кинематических перемещений) за счет предварительного натяжения достаточно много. Эти способы зависят как от формы покрытия, так и от его конструктивного решения. Одним из самых простых является увеличение массы (собственного веса) покрытия за счет использования в качестве настила жестких плит и последующего омоноличивания их стыков, т.е. превращение системы отдельно работающих плоских элементов в пространственно работающую систему. Этот способ позволяет уменьшить упругие прогибы и кинематические перемещения в 4–5 раз, однако приводит к дополнительным затратам не только на несущие конструкции, но и на конструкции, воспринимающие увеличенные усилия распора. Следующий способ стабилизации формы висячих и вантовых покрытий – создание двухпоясных систем, т.е. включение в конструкцию покрытия дополнительных поясов, связанных с основным несущим поясом растяжками, подвесками, распорками и т.п. элементами, с помощью которых можно создать в элементах системы предварительное натяжение. К этому способу можно отнести и создание в элементах покрытия усилий предварительного натяжения за счет избыточного давления воздуха, нагнетаемого в пространство между поясами (пневматические конструкции). Еще одним способом обеспечения сохранности формы однопоясных покрытий любой формы поверхности является включение в их работу изгибно жестких несущих или стабилизирующих элементов типа балок, ферм и т.п. – так называемых «жестких нитей». Для покрытий отрицательной кривизны (седловидных), в которых провисающие элементы являются несущими, а вспарушенные стабилизирующими, предварительное натяжение достаточно просто можно создать за счет натяжения стабилизирующих тросов. Теперь о классификации висячих систем покрытий. Во-первых, как и любой тип пространственных покрытий, висячие системы могут быть разделены по форме поверхности на системы нулевой, положительной и отрицательной гауссовой кривизны. Такие покрытия могут иметь и сложную, произвольную или составную форму поверхности. Во-вторых, об этом уже говорилось выше, по структурным особенностям висячие покрытия могут быть однослойными, многослойными и комбинированными. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 66 Висячие покрытия В третьих, и это главный признак, в зависимости от конструктивных и статических особенностей, а также способа обеспечения жесткости пролетных элементов висячие покрытия можно разделить на подвесные (покрытия с внешними вантами), вантовые, висячие оболочки, покрытия с жесткими нитями и комбинированные системы (рис. 4.1). Рис. 4.1. Кклассификация висячих покрытий В свою очередь, вантовые покрытия (как и некоторые другие типы висячих покрытий) могут быть однослойными и двухслойными. К однослойным относятся вантовые (тросовые) сетки; к двухслойным – покрытия из плоских или про- странственных тросовых ферм. Подробнее о каждом типе висячих покрытий будет рассказано в следующих разделах настоящей главы. 4.1. Подвесные покрытия Основными конструктивными элементами таких покрытий являются наклонные пилоны или вертикальные стойки и подвешенные к ним с помощью растянутых нитей (вант) жесткие плоские или пространственные элементы типа ферм, балок, плит, оболочек и т.д. Поэтому подвесные покрытия можно рассматривать и как комбинированные системы. Напомним, что ванта – это конструктивный элемент (трос, канат и т.д.), расчетной схемой которого может служить гибкая нить. Вантовые подвески и оттяжки разгружают несущие элементы покрытий, что позволяет снизить возникающие в них внутренние усилия и уменьшить их поперечное сечение. Использование такой системы покрытий позволяет перекрывать здания и сооружения очень больших пролетов. Достаточно сказать, что пролеты современных висячих мостов достигают нескольких километров, а пролеты подвесных покрытий спортивных сооружений составляют сотни метров. Подвесные покрытия имеют большую жесткость, чем другие вантовые системы. Жесткость таких покрытий обеспечивается их большой собственной массой или предварительным натяжением оттяжек, которое осуществляется с помощью специальных натяжных приспособлений – муфт. К числу недостатков следует отнести наружное расположение вант, подвергающихся коррозии и температурным перепадам. Первое усложняет эксплуатацию покрытий (требует специальной защиты и постоянного контроля), второе вызывает вертикальные смещения подвешенной системы. Учитывая особенности этого вида покрытий, не рекомендуется использовать в них горизонтальные или слабо наклоненные ванты. Область применения подвесных покрытий: спортивные залы и выставочные павильоны, промышленные объекты (фабрики, гаражи и т.п.). Примеры конструктивных решений приведены на листе 4.1 [25]. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 67 Висячие покрытия Лист 4.1. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 68 Висячие покрытия 4.2. Вантовые покрытия К вантовым относятся покрытия, пролетная конструкция которых образована системой гибких нитей, закрепленных на опорном контуре или заанкеренных в фундаменте. Напомним, что гибкая нить характеризуется пренебрежимо малой жесткостью на изгиб и кручение, а также равномерным распределением напряжений растяжения в сечениях, нормальных к их продольной оси. В отличие от железобетонных висячих оболочек (см. 4.3.1), в вантовых покрытиях конструкции ограждающей части (настил) при действии вертикальных нагрузок допускается не включать в совместную работу с вантами. Как и другие типы висячих систем, вантовые покрытия являются распорными. Восприятие распора от пролетной конструкции возможно либо при помощи жесткого опорного контура, работающего на сжатие, изгиб или кручение, либо при помощи оттяжек, заанкеренных в грунт или контрфорс. В некоторых типах вантовых покрытий распор воспринимается гибким опорным контуром (трос-подбором), в котором отсутствуют напряжения изгиба и кручения. Гибкая нить как элемент строительных конструкций известна с древнейших времен. Достаточно вспомнить висячие мосты, выполненные из растительных материалов – лиан, бамбука и пр. Как элемент покрытий гибкая нить применяется сравнительно недавно, с конца XIX века. Основное преимущество вантовых покрытий – их экономическая эффективность за счет более рационального использования материала. Теоретические расчеты и практика строительства показывают, что вантовые покрытия дают возможность перекрывать рекордно большие пролеты без промежуточных опор. Основные признаки, по которым можно разделить все вантовые покрытия на отдельные группы, такие же, как и для всех висячих систем – это геометрия поверхности, форма плана, тип и геометрия опорного контура, способ стабилизации и пр. При этом основными признаками классификации именно этого вида висячих систем можно считать конструктивную схему и структурные особенности. По этим признакам вантовые покрытия можно разделить на однопоясные и двухпоясные. 4.2.1. Однопоясные вантовые покрытия К однопоясным относятся покрытия, все элементы которых (несущие и стабилизирующие) располагаются в одном, достаточно тонком слое. В свою очередь, однопоясные вантовые покрытия с учетом конструктивной схемы пролетной части выполняются либо плоскими из предварительно натянутых прямолинейных вант (так называемые «струнные покрытия», рис. 4.2), либо пространственными в виде системы отдельных (параллельных или радиальных) вант или вантовых сеток, имеющих нулевую, положительную или отрицательную кривизну. Рис. 4.2. Конструктивное решение многопролетного струнного покрытия В зависимости от конкретных условий проектирования, применяемых материалов, формы поверхности и т.п. вантовая сеть может иметь различную конфигурацию ячеек, их размеры и ориентацию относительно главных кривизн поверхности, т.е. разную структуру. Сети, в которых закон образования структуры одинаков для всех участков поверхности, называют- ся регулярными, в остальных случаях – нерегулярными. Для однослойных вантовых сеток, имеющих положительную кривизну, характерны прямоугольная (ортогональное пересечение вант), треугольная (пересечение вант в трех направлениях), шестиугольная и нерегулярная ячейки (рис. 4.3) [51]. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 69 Висячие покрытия Рис. 4.3. Конфигурация ячеек однослойных вантовых сеток положительной кривизны Основным недостатком вантовых покрытий нулевой и положительной кривизны является необходимость стабилизации формы за счет увеличения собственного веса ограждающих элементов (устройства так называемого «пригруза»). Для вантовых сеток седловидной формы (поверхности отрицательной кривизны, рис. 4.4 и рис. на листе 4.2) этот недостаток устраняется за счет разделения вант на несущие и стабилизирующие. Несущие (провисающие) ванты воспринимают вертикальные нагрузки, действу- ющие сверху вниз, а стабилизирующие (вспарушенные – ванты противоположного знака кривизны) воспринимают отрицательные нагрузки снизу вверх. Стабилизация формы поверхности таких покрытий обеспечивается предварительным напряжением системы пересекающихся вант, которое легко создается путем их натяжения к опорному контуру с помощью специальных приспособлений (муфт, домкратов и пр.). При натяжении ванты обоих направлений стремятся выпрямиться и тем самым напрягают друг друга и всю систему в целом. Рис. 4.4. Конструктивные формы однопоясных вантовых покрытий отрицательной кривизны: а, б, с – сетчатые оболочки В.Г. Шухова; д-к – покрытия различной конфигурации плана и конструкции опорных элементов Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 70 Висячие покрытия Лист 4.2 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 71 Висячие покрытия 4.2.2. Двухпоясные покрытия К двухпоясным (в некоторых случаях их можно отнести и к комбинированным) относятся висячие покрытия, у которых основные элементы (несущие и стабилизирующие) расположены в двух поверхностях и соединены друг с другом системой оттяжек, распорок и т.п. элементов. Наиболее ярким представителем двухпоясной висячей системы является плоская или пространственная вантовая ферма. В такой ферме обязательно присутствуют несущий и стабилизирующий пояса и система решетки (рис. 4.5). Рис. 4.5. Конструктивные схемы вантовых ферм Комбинации различных типов вантовых ферм позволяют создавать выразительные по форме и достаточно жесткие, предварительно напряженные системы покрытий (рис. 4.6) [51]. Рис. 4.6. Конструктивные решения и способы предварительного напряжения двухпоясных вантовых покрытий [46] Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 72 Висячие покрытия Двухпоясные висячие покрытия могут быть применены как для зданий круглой (овальной), так и полигональной формы плана. Наибо- лее известные конструктивные формы двухпоясных висячих покрытий представлены на рис. 4.7 и 4.8 [25]. Рис. 4.7. Конструктивные формы двухпоясных висячих покрытий: а, б, с, ж, к – с радиальным расположением несущих элементов в виде отдельных тросов, вантовых и комбинированных ферм; д, е, и – с перекрестным расположением тросо-стоечных элементов; з – с параллельным расположением вантовых ферм и оттяжек Рис. 4.8. Двухпоясные покрытия на прямоугольном (а) и овальном (б) плане Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 73 Висячие покрытия 4.3. Висячие оболочки Висячие оболочки образуют большой класс однопоясных висячих систем. К этому типу покрытий относятся висячие железобетонные оболочки и мембраны (рис. 4.9). Характерной особенностью этого типа покрытий является способ обеспечения жесткости пролетной конструкции. У висячих оболочек это, в большинстве случаев, увеличение собственной массы покрытия за счет железобетонных плит настила или стяжки. Увеличение собственной массы покрытия, являющейся постоянной на- грузкой, благоприятно влияет на работу покрытия при односторонних и сосредоточенных нагрузках – уменьшаются его кинематические и упругие деформации. Однако с экономической точки зрения этот способ не эффективен, поскольку увеличиваются сечения несущих элементов пролетной конструкции и растут затраты на опорные конструкции. Поскольку каждый из этих видов покрытий отличается своими характерными особенностями, рассмотрим их отдельно. Рис. 4.9. Конструктивные формы висячих оболочек различной геометрии поверхности: а, б, с, д, и – висячие железобетонные оболочки на прямоугольном и овальном планах; е, ж, з, к – висячие мембранные оболочки Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 74 Висячие покрытия 4.3.1. Висячие железобетонные оболочки Висячими железобетонными оболочками называют пространственные покрытия, у которых пролетная часть представляет собой систему совместно работающих несущих (ванты), ограждающих (настил) и опорных конструкций. Такие покрытия представляют собой жесткие пространственные системы, способные воспринимать значительные эксплуатационные нагрузки, в том числе неравновесные. Висячие железобетонные оболочки образуются после того, как плиты настила (кровли), уложенные на провисающие тросы или вантовую сеть, включаются в общую работу покрытия. Совместная работа плит и вант обеспечивается после замоноличивания стыков и предварительного напряжения системы одним из следующих способов: 1. Размещением на поверхности покрытия (или путем подвески) временного пригруза, равного массе утеплителя, кровли и снега. В качестве пригруза используют мешки с песком, бочки с водой или тяжелые железобетонные фундаментные блоки. Затем производят замоноличивание стыков. После набора бетоном достаточной прочности пригруз снимают. После резкого уменьшения нагрузки ванты стремятся вернуться в исходное положение (выпрямиться) и при этом обжимают плиты. 2. Натяжением вант домкратами или специальными приспособлениями после завершения всех видов монтажных работ. В этом варианте ванты размещают в специальных каналах, которые после натяжения вант заливаются (под давлением) цементным раствором. З. Замоноличиванием швов между плитами бетоном на напрягающем цементе. После завершения всех работ ванты становятся основной арматурой оболочки, а опорный контур вантовой сети превращается в бортовой элемент оболочки. Добавим, что висячую оболочку можно создать и путем укладки по вантовой сети монолитного железобетона. Стрелку провисания вант задают в пределах 1/10 - 1/25 пролета. Меньшие значения стрелы провисания снижают кубатуру здания, но увеличивают усилия в вантах и опорном контуре. Висячие железобетонные оболочки целесообразны как для прямоугольных, так и для круглых или близких к ним овальных в плане зданий. Для прямоугольных планов характерны висячие железобетонные оболочки с параллельно расположенными вантами, разомкнутым опорным контуром и оттяжками, передающими распор на анкерные фундаменты. Шаг вант 1,5...2,0 м. К торцам здания предусматривают уклон кровли, который может быть создан или за счет изменения длины вант (изменения стрелки провисания), или за счет кривизны бортовых элементов (при постоянной длине вант). Для восприятия распора железобетонные бортовые элементы имеют развитое сечение в горизонтальной плоскости. Круглая или овальная форма плана предопределяет радиальное расположение вант и замкнутый опорный контур. Такая система является самоуравновешенной, поскольку распор от вант воспринимает опорный контур, а вертикальные усилия передаются на поддерживающие контур опоры. Поскольку наружное кольцо работает на сжатие, его целесообразно проектировать железобетонным. Внутреннее кольцо, вводимое по конструктивным соображениям, растянуто, и его выполняют стальным. При устройстве внутренней опоры висячая оболочка становится шатровой. Такая оболочка позволяет перекрывать здания с прямоугольной и квадратной формой плана. В этом случае распор от основных вант воспринимает опорное кольцо, а на угловые опоры передается только небольшая часть усилий от дополнительных вант-подборов. Кровлю покрытий в виде висячих оболочек выполняют по традиционной схеме: жесткий утеплитель, стяжка и рулонный ковер. Применение висячих оболочек позволяет снизить кубатуру здания, улучшить акустические характеристики зальных помещений. В отличие от жестких вспарушенных оболочек висячие оболочки никогда не теряют устойчивость, поскольку несущие элементы всегда растянуты. Достоинства висячих оболочек определяют и область их применения. Это покрытия над спортивными сооружениями, рынками, кинотеатрами, гаражами, объектами промышленности с пролетами 30–160 м. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 75 Висячие покрытия Лист 4.3 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 76 Висячие покрытия 4.3.2. Мембранные покрытия К мембранным покрытиям относятся висячие системы, у которых пролетная конструкция представляет собой закрепленную на опорном контуре тонкую гибкую оболочку – мембрану, изгибающими моментами в которой можно пренебречь по сравнению с осевыми растягивающими усилиями [21, 25, 32, 47 и др.]. Главное отличие мембран от вантовых покрытий – способность воспринимать не только растягивающие, но и сдвигающие усилия в своей поверхности. В мембранных покрытиях можно выделить два важных конструктивных элемента – это пролетная конструкция и опорный контур. Конструктивные решения этих элементов взаимосвязаны, поскольку они работают совместно, однако у них можно найти индивидуальные особенности, которые позволяют провести анализ мембранных покрытий отдельно по пролетной части и отдельно по опорным конструкциям. В зависимости от материала мембраны подразделяются на металлические (стальные или из алюминиевых сплавов) и оболочки из синтетических или тканевых материалов – тенты. Стальной или алюминиевый лист, образующий оболочку, обычно совмещает в себе несущую и ограждающую функции. По условию прочности толщина листа не превышает 1 – 1,5 мм даже при перекрытии больших пролетов, но по соображениям коррозионной стойкости мембраны из листовой стали выполняют толщиной не менее 3 – 4 мм. По конструктивным особенностям и характеру статической работы пролетной конструкции мембраны выполняются однопоясными, двухпоясными и комбинированными, например, мембраны и тенты, подкрепленные вантами. По форме поверхности мембраны, как и другие типы пространственных покрытий, бывают одинарной (нулевой), двоякой (положительной и отрицательной) гауссовой кривизны, а также составной и сложной формы поверхности (см. рис. на листе 4.4). Способов стабилизации мембранных покрытий несколько (см. лист 4.4). Самый простой (но не самый эффективный) – увеличение собственного веса покрытия. Достаточно много примеров стабилизации формы за счет включения в работу мембраны дополнительных элементов в виде оттяжек, распорок, натяжных приспособлений, распределенных по контуру и т.д. Опорные конструкции мембранных покрытий также имеют несколько специфических признаков, по которым их можно классифицировать. Это их форма и очертание, характер статической работы, сечение, способ опирания и т.д. Для наглядности классификация мембранных покрытий представлена листе 4.5, а некоторые примеры конструктивных решений – на листе 4.6 [16, 40]. Мембраны на прямоугольных планах Мембранные покрытия прямоугольных в плане зданий обычно имеют цилиндрическую форму поверхности. В последние годы для полигональных в плане зданий стали применяться так называемые «лучевые мембраны» – покрытия, образованные сопряжением четырех или более цилиндрических секторов. При размерах зала 66х72 м мембрана, выполненная из нержавеющей стали, имеет толщину всего 2 мм. Нагрузка от мембраны на монолитный железобетонный опорный контур передается в углах покрытия через диагональные подкрепляющие элементы («лучи») из листовой стали толщиной 10 мм. Мембрана стабилизирована пригрузом – конструкцией (массой) утеплителя и кровли: слой пенобетона толщиной 150 мм, стяжка, стеклоткань на кремнийорганических смолах и фольгоизол. Стабилизацию мембран с цилиндрической формой поверхности или провисающих по кривой давления можно осуществить путем притягивания концов поперечных стабилизирующих ребер к оголовкам фахверковых колонн. В качестве таких ребер используют щирокополочные сварные двутавры или фермы. Уложенные по поперечным ребрам сравнительно легкие продольные балки (или жесткие ванты) из швеллера или тавра дополнительно стабилизируют мембрану и служат “постелью” при раскатке листовых рулонов. Распор от мембраны воспринимается стальными шпренгельными балками, расположенными по торцам зала, и распорками, идущими по продольным его сторонам. Стабилизацию мембран из двух слоев лент, образующих поверхность гиперболического параболоида, можно осуществлять притягиванием стабилизирующих лент к опорному контуру (аналогично покрытию с вантовой сетью). В таких покрытиях утеплитель укладывают между несущими и стабилизирующими лентами. При алюминиевых лентах можно отказаться от кровельного ковра, укладывая стабилизирующие ленты внахлестку с заделкой стыков каучуковым герметиком. При закреплении мембраны к трубобетонному контуру ниже его центра тяжести происходит перераспределение усилий в контуре, что делает целесообразным применение мембран и на прямоугольных планах. Широкий диапазон пролетов, высокие акустические качества при минимальной кубатуре зала – характерные особенности мембранных покрытий. Мембраны на круглых и овальных планах При круглом плане провисающая мембрана имеет сферическую или коническую поверхность. Сферические мембраны значитель- Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 77 Висячие покрытия но выгоднее конических, поскольку при тех же пролетах и нагрузках усилия в них, примерно, в два раза меньше (эффект двоякой кривизны). Поэтому при больших пролетах предпочтение отдается сферическим мембранным оболочкам. К преимуществам конических оболочек можно отнести простой способ стабилизации – приложение пригруза расчетной величины в вершине конуса. Область рационального применения конических мембран ограничивается пролетами до 60 м. Стрелу провисания мембран назначают в пределах 1/15 – 1/25 пролета. Для восприятия распора контурные конструкции мембран проектируются такими же, как и в других типах висячих покрытий. Крепление мембраны к опорному контуру может быть точечным и линейным (см. рис. на листе 4.6). Вырезы эллиптической формы в околоконтурной зоне мембраны при ее точечном креплении устраняют влияние местных напряжений и обеспечивают свободу кольцевых деформаций. Стабилизация мембран связана с предварительным растяжением оболочки. При круглом плане применяют стабилизацию покрытия введением системы вантовых ферм или жестких ребер. Ванты могут образовывать радиальные фермы, используемые на начальном этапе монтажа в качестве «постели» для раскатки рулонированных полос мембраны и напрягаемых на завершающем этапе монтажа покрытия. Система параллельных вант позволяет упростить решение мембранной конструкции за счет придания поверхности покрытия формы гиперболического параболоида. Стабилизация покрытий с помощью жестких ребер представляет со6ой систему совместно работающих с мембраной радиальных балок или ферм с высотой поперечного сечения h=1/70–1/90L и легких кольцевых ребер, шаг которых около 6 м. Мембранную оболочку можно получить путем переплетения лент из алюминиевых сплавов в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Переплетение лент предотвращает их расслаивание при неравномерной нагрузке и обеспечивает совместную работу. Для получения у мембраны требуемой стрелы провиса и придания ей слитной поверхности оболочку загружают до появления в материале лент пластических деформаций. Верхняя поверхность мембран защищается либо многослойным гидроизоляционным ковром (с эффективным утеплителем), например, пенополистиролцементом, либо полимерным составом (при напылении утеплителя снизу). Основная область применения мембранных покрытий на круглом плане – спортивные сооружения. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 78 Висячие покрытия Лист 4.4 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 79 Висячие покрытия Лист 4.5 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 80 Висячие покрытия Лист 4.6 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 81 Висячие покрытия 4.4. Покрытия с жесткими нитями (висячими балками или фермами) Напомню, что к жестким нитям относятся криволинейные (провисающие) конструкции, способные сопротивляться не только растяжению, но и, что очень важно, изгибу. Такими конструкциями являются висячие балки (обратные арки), фермы и комбинированные конструкции в виде ферм с жестким поясом и гибкой системой решетки. По этому признаку и разделяются все покрытия с жесткими нитями на балочные, ферменные и комбинированные. По своей сути, покрытия с жесткими нитями относятся либо к подкрепленным оболочкам, либо к комбинированным системам, поскольку совместную работу образующих покрытие нитей обеспечивает закрепленный на них настил (конструкции кровельного ограждения). Однако при изучении конструкций висячих покрытий принято выделять этот тип в отдельную группу. Основным доводом для такого подхода служит возможность расчета на предварительных этапах отдельной нити без учета совместной работы всех элементов покрытия. В отличие от висячих оболочек и вантовых сеток для основных несущих элементов таких покрытий используют не тросы, а стержневые элементы из профильной стали. По верхнему поясу висячих балок или ферм обычно укладывают стальной профилированный настил или мембрану. Висячие балки проектируют двутаврового поперечного сечения высотой в пределах 1/40 - 1/60 пролета и целесообразны они при высоте до 900 мм. Жесткие нити собирают из отдельных элементов и в зависимости от формы плана перекрываемого здания располагают либо параллельно друг другу, либо радиально (рис. 4.10) [25]. Рис. 4.10. Конструктивные формы висячих покрытий с жесткими нитями: а, б, с – нулевой кривизны с поперечным расположением жестких нитей в виде балок и комбинированных ферм; д – составной формы с продольным расположением висячих ферм (отрицательной кривизны); е, ж, з, и, к – положительной и отрицательной кривизны с радиальным и радиально-кольцевым (к) расположением жестких нитей Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 82 Висячие покрытия Лист 4.7 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 83 Висячие покрытия Элементы, из которых собираются жесткие нити, могут быть прямолинейными или с заранее приданной им на заводе кривизной. Соединение отправочных марок либо шарнирное, либо жесткое (на сварке). При закреплении на контуре из таких элементов можно образовать как свободно провисающую нить, так и более сложный профиль в виде ломаной кривой. Контур, воспринимающий распор от жестких нитей, проектируют в виде горизонтальных балок или ферм, наклонных арок, плоских или изогнутых железобетонных колец. К достоинствам покрытий с жесткими нитями относятся возможность применения более дешевых строительных сталей, четкая статическая схема работы, простые способы изготовления и монтажа, а также широкие возможности формообразования. 4.5. Комбинированные висячие покрытия К этому типу висячих покрытий могут быть отнесены несущие системы, у которых основными несущими элементами пролетной части являются не только гибкие нити и мембраны, но и другие типы несущих конструкций, например, балки, арки или фермы (рис. 4.11) [25]. Чаще всего такие конструкции выполняют роль стабилизирующих элементов, но поскольку они сами воспринимают нагрузку и перераспределяют ее между другими элементами покрытия, их также можно отнести к основным. Рис. 4.11. Конструктивные формы комбинированных висячих покрытий: а, б, с, д – с балками различной конфигурации (тросо-балочные покрытия нулевой и отрицательной кривизны); е, ж, з – покрытия с жесткими поперечными элементами в виде панелей (ж) и ферм-распорок (е, з); и – сетчатое тросо-балочное покрытие положительной кривизны; к – шатровое покрытие с жесткими кольцевыми балками-прогонами и вантами-оттяжками Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 84 Висячие покрытия Лист 4.8 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 85 Висячие покрытия Лист 4.9 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 86 Висячие покрытия Лист 4.10. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 87 Мягкие оболочки 5. МЯГКИЕ ОБОЛОЧКИ. КЛАССИФИКАЦИЯ И РАЗВИТИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ К мягким оболочкам относится особая группа пространственных конструкций, основной несущий элемент которых выполнен из синтетических тканей и пленок, обладающих высокой прочностью на растяжение, но не способных (изза своей толщины) сопротивляться сжатию, изгибу и сдвигу. По этому признаку мягкие оболочки могут быть отнесены и к мембранам. Как и в висячих покрытиях, форма мягких оболочек в значительной степени зависит от вида действующих нагрузок. При этом изменение формы является как следствием деформаций удлинения материала оболочки при растяжении, так и результатом кинематических перемещений. Поэтому способность мягких оболочек нести нагрузки, аналогичные нагрузкам жестких покрытий, зависит от способа обеспечения их устойчивой формы, т.е. при условии их предварительного напряжения (натяжения). Степень этого напря- жения должна быть такой, чтобы в любой точке оболочки сумма усилий от внешних нагрузок и усилий предварительного напряжения была всегда положительной и, в то же время, не превосходила расчетного сопротивления материала оболочки растяжению. Другими словами – в любой точке оболочки ни при каких условиях не должны появиться усилия сжатия. В современной практике строительства существует два способа предварительного напряжения мягких оболочек: аэростатический (пневматический) и механический. По этому признаку мягкие оболочки разделяются на пневматические, тентовые и комбинированные (рис. 5.1). Соответственно этому и конструкции, использующие в качестве основного несущего элемента мягкие оболочки, подразделяются на тентовые, пневматические и комбинированные [33, 34, 35, 45]. Рис. 5.1. Классификация мягких оболочек К пневматическим относятся конструкции, проектная форма и сопротивление внешним нагрузкам которых зависят от разницы давлений воздуха между внутренним объемом, ограниченным мягкой оболочкой, и атмосферным. Простыми примерами таких конструкций являются воздушный шарик и корабельный парус. Если эксплуатируемый объем (внутреннее пространство сооружения) находится под избыточным давлением воздуха, то конструкция относится к воздухоопорному типу. Если же в эксплуатируемом объеме давление воздуха остается атмосферным, а избыточное давление присутствует только в замкнутом пространстве мягкой оболочки, то такие конструкции называют воздухонесомыми [20, 34, 35]. Существует и третий тип пневматических конструкций – это так называемые пневмолинзы (или подушки). Их можно отнести и к воздухонесомым конструкциям, и к висячим, поскольку чаще всего их используют как элементы покрытий. К тентовым относятся конструкции, состоящие из гибкой, предварительно напряженной мягкой оболочки, закрепленной на гибком или жестком опорном контуре. При этом следует помнить, что натяжение тентовой оболочки осуществляется с помощью различных механических приспособлений. Конструкции типа мягких оболочек широко распространены в растительном и животном мире как один из основных конструктивных принципов природы. Подробнее о конструктивных формах мягких оболочек и присущих им особенностях будет сказано в следующих разделах. Материалы для мягких оболочек Самыми распространенными материалами мягких оболочек являются ткани с различными покрытиями (импрегнированные ткани) и армированные пленки (лист 5.1). Реже применяются однородные пленки и тонкие металлические листы. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 88 Мягкие оболочки Основные требования, предъявляемые к материалам мягких оболочек: • прочность при растяжении; • водо- и воздухонепроницаемость (для пневматических оболочек); • прочность при раздире (для тентовых оболочек); • долговечность; • стойкость против воздействия окружающей среды (солнечная радиация, химическая агрессия и т.д.) и механических повреждений (проколов, порезов, истирания) [35, 45]. Для некоторых типов мягких оболочек предъявляются специальные требования, например, огнестойкость, свето- и радиопроницаемость. Не стоит забывать и о таких (технологических) требованиях к материалам мягких оболочек, как окрашиваемость в разные цвета, удобство стыковки полотнищ (шитье, сварка, склеивание) и др. Ткани с покрытием состоят из силовой основы – ткани из натурального, синтетического или минерального волокна – и полимерного покрытия. Чаще всего в качестве силовой основы мягких оболочек используют ткани из синтетических волокон: полиамидного (капрон, нейлон и др.) или полиэфирного (лавсан, дакрон и др.); реже – полиакрилонитрильного (нитрон), поливинилспиртового (винол), полипропиленового (кевлар). Для особо долговечных сооружений (со сроком службы 25…30 лет) используют стойкие против ультрафиолетового излучения минеральные волокна (стеклянные). Полимерное покрытие, наносимое на силовую основу в виде пасты или привариваемой пленки, придает ткани водо- и воздухонепроницаемость, защищает волокна от излучений и механических повреждений. В качестве покрытия чаще всего используют пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ), которому подбором компонентов придают необходимые свойства. В зарубежной практике для покрытий уникальных большепролетных сооружений в качестве силовой тканевой основы используют политетрафторэтилен (тефлон) и другие волокна [55, 56, 55]. В зависимости от физико-механических свойств материалов мягкие оболочки подразделяются на два типа: изотропные, у которых свойства одинаковы по всем направлениям (тонколистовая сталь, фольга, пленки из неориентированных волокон и др.) и анизотропные, у которых свойства неодинаковы в разных направлениях (ткани, армированные пленки и т.п.). Об особенностях мягких оболочек разного типа, их характеристиках и областях применения будет рассказано в следующих разделах. Но здесь хотелось бы сказать о человеке, точнее инженере и архитекторе, внесшем очень большой вклад в развитие легких конструкций – тентовых, вантовых, пневматических. Речь идет о немецком специалисте Фрае Отто, много лет возглавлявшем Институт легких конструкций в Штутгарте (Германия). Многие поколения студентов и дипломированных специалистов учились по его учебникам и проектам [32–34]. 5.1. Пневматические конструкции Если примеры использования воздуха для придания формы отдельным предметам известны давно, то в области строительства, по-видимому, первым, кто выдвинул идею применения надувных сферических оболочек для большепролетных сооружений, был английский инженер Ф.В. Ланчестер. В его патенте 1917 г. присутствуют все конструктивные элементы пневматических сооружений [32, 35, 53]. Как вспомогательные строительные средства пневматические конструкции стали использоваться с середины 30-х годов прошлого века. Резиновые баллоны нашли применение в качестве опалубки, на которую наносился бетон для получения строительных элементов криволинейной формы. Надувные оболочки использовались и как приспособления для монтажа стержневых куполов. С середины 50-х годов эти конструкции стали выпускаться американской фирмой “BERDAIR”, созданной авиационным инженером Уолтером У. Бэрдом для покрытий выставочных павильонов, плавательных бассейнов, зернохранилищ и т.д. С тех пор практически во всех странах мира с развитой промышленностью химии полимеров эти конструкции получили большое распространение. Напомню, что пневматические конструкции относятся к большой группе растянуто-напряженных конструкций (как мембраны и вантовые сетки). Избыточное давление вызывает в пневматических конструкциях (в их оболочках) предварительное напряжение, что позволяет им в дальнейшем сопротивляться внешним нагрузкам. По характеру использования эксплуатируемого пространства (есть избыточное давление или нет), а также некоторым конструктивным особенностям, все пневматические конструкции подразделяются на воздухоопорные, воздухонесомые (пневмокаркасные), висячие и комбинированные (лист 5.2) [45]. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 89 Мягкие оболочки Лист 5.1 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 90 Мягкие оболочки 5.1.1. Пневматические конструкции воздухоопорного типа Пневматические конструкции воздухоопорного типа – это строительные системы (здания, сооружения), в которых избыточное давление воздуха создается в замкнутом объеме эксплуатируемого пространства с помощью вентиляторов или воздуходувок низкого давления. Разница между давлением в этом объеме и атмосферным составляет тысячные доли атмосферы, что практически не ощущается людьми и не препятствует нормальной эксплуатации здания [20, 34, 35]. Основными конструктивными элементами здания воздухоопорного типа являются гибкая оболочка, фундамент или легкое опорное устройство и воздухоподающая установка. Для обеспечения нормальной эксплуатации в таких зданиях предусматривают специальные входные устройства (шлюзы), отопительные установки и систему контроля подачи воздуха. Принципиальное конструктивное решение здания воздухоопорного типа показано на листе 5.3. Простейшей формой сооружения воздухоопорного типа является сферический купол. Благодаря его форме напряжения во всех точках гибкой оболочки от внутреннего давления воздуха одинаковы. В практике проектирования и строи- тельства получили распространение воздухоопорные здания и других форм поверхности, например цилиндрические со сферическими торцами. Формы и размеры таких зданий зависят от формы перекрываемого плана и прочностных характеристик материала оболочки. Для создания новых форм, а также увеличения габаритов перекрываемых пространств используют системы разгружающих канатов или сеток, а также внутренние оттяжки (лист 5.4). Для крепления воздухоопорного здания к основанию используют специальные анкера (винтовые сваи) или контурную трубу из мягкого материала, заполненную водой или песком. Эта труба располагается на заранее спланированной площадке и закрепляется к основанию специальными винтовыми анкерами. Для более капитальных зданий устраивается ленточный фундамент. Вариантов крепления гибкой оболочки к фундаменту достаточно много. Некоторые из них показаны на листе 5.3. По форме поверхности воздухоопорные оболочки могут быть простыми (как правило, это поверхности вращения), составными (состыкованными из участков поверхностей простых оболочек) и сложными, а по структурным особенностям – однослойными и двухслойными. 5.1.2. Пневматические конструкции воздухонесомого типа К воздухонесомым или пневмокаркасным относятся конструкции (оболочки), в которых избыточное давление воздуха создается в замкнутых, герметичных полостях несущих элементов каркаса – балках, стойках, рамах и т.д. (лист 5.5). Элементы каркасов таких сооружений могут быть как прямолинейными, так и криволинейными в виде арки или рамы. Разновидностью конструкций воздухонесомого типа являются пневмопанельные здания, у которых основным несущим элементом служат соединенные между собой балки или арки (лист 5.5). Установленные вплотную и соединенные между собой, такие элементы обеспечивают необходимую пространствен- ную жесткость здания, позволяют совместить в одном конструктивном элементе несущие и ограждающие функции, обеспечивают высокие теплотехнические качества. К воздухонесомым можно отнести и так называемые пневмолинзы или пневмоподушки. Отличительной особенностью именно этих конструкций является их функциональное назначение – чаще всего они используются в качестве несущей конструкции покрытия и по этому признаку их можно отнести и к висячим системам. С целью увеличения несущей способности и создания выразительных архитектурных форм в таких покрытиях используются либо отдельные тросы, либо сетки. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 91 Мягкие оболочки Лист 5.2 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 92 Мягкие оболочки Лист 5.3 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 93 Мягкие оболочки Лист 5.4 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 94 Мягкие оболочки Лист 5.5 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 95 Мягкие оболочки 5.2. Тентовые конструкции (покрытия) Тентовые покрытия – это конструкции, устойчивость формы которых обеспечивается выбором соответствующей кривизны и предварительным напряжением [33, 36, 45, 51]. Обязательными конструктивными элементами тентовых покрытий являются гибкая оболочка, жесткий (плоский или пространственный) или гибкий опорный контур и система предварительного напряжения. Натяжение оболочки осуществляется механическим способом: оттягиванием углов, подъемом опорных стоек, притягиванием отдельных точек тента к земле или опорному контуру, оттягиванием их кверху, искривлением жесткого опорного контура и др. Некоторые из перечисленных выше способов можно увидеть на листе 4.9. Рис. 5.3. Классификация тентовых конструкций В результате предварительного напряжения в оболочке возникает начальное натяжение, которое должно быть равномерным по всей поверхности тента. При этом форма поверхности должна обеспечивать ограничение перемещений точек оболочки при действии на нее знакопеременной нагрузки. Такая форма присуща поверхностям отрицательной гауссовой кривизны, у которых радиусы главных кривизн имеют разные знаки (см. “Краткие сведения...”). Образование устойчивой формы оболочки осуществляется четырьмя способами [45]. Рис. 5.4. Образование устойчивой формы тентовой оболочки Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 96 Мягкие оболочки Первый способ заключается в том, что оболочка крепится к контуру в четырех точках, расположенных в разных уровнях (рис. 5.4,а). Контур оболочки гибкий и пространственный. Второй способ состоит в закреплении оболочки на криволинейном или полигональном в плане изгибно-жестком неплоском опорном контуре (рис. 5.4,в, г). Третий и четвертый способы заключаются в том, что устойчивая форма оболочки обеспечивается выведением ее фиксированных внутриконтурных точек из условной плоскости наружу (вверх) или внутрь (вниз) (рис. 5.4, д-з). В конкретных случаях возможны различные комбинации описанных выше способов. Конструктивные формы и области применения тентовых покрытий Оболочки с гибким контуром обычно применяют для покрытий зданий, не образующих замкнутого объема. Такие покрытия защищают от осадков и инсоляции, но требуют особого внимания к ветровым нагрузкам (закреплению к основанию). Оболочки с жестким контуром могут использоваться в качестве покрытий зданий и сооружений самого широкого назначения различной конфигурации в плане. В таких покрытиях опорный контур оболочки выполняется чаще всего из отдельных арок. Оболочки с внутриконтурными опорами – наиболее распространенный тип тентового покрытия. Контур таких покрытий может быть закреплен как в отдельных точках, так и по периметру, он может быть плоским или пространственным. Разнообразные формы и высокую архитектурную выразительность имеют комбинированные тентовые покрытия, совмещающие в себе различные способы обеспечения устойчивой формы оболочки. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 97 Мягкие оболочки Лист 5.6 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 98 Мягкие оболочки Лист 5.7 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 99 Мягкие оболочки 5.3. Комбинированные покрытия на основе мягких оболочек Пневматически напряженные оболочки и тенты можно использовать в комбинации с другими конструктивными элементами в виде сжатых стоек, тросовых сеток, мембран, изгибножестких конструкций. Некоторые типы комбинированных конструкций с использованием мягких оболочек показаны на рис. 5.5. Рис. 5.5. Комбинированные покрытия: а – пневмопанель, подкрепленная шпренгелем; б – арка с подвешенным тентом; в – многопролетное здание с несущими арками, тентовой оболочкой и вантовыми оттяжками; г – плита из пневмоподушек, подвешенная к стойкам В качестве примера осуществленного комбинированного покрытия приведем конструк- Рис. 5.6. цию трехслойной оболочки терминалов международного аэропорта Бангкока [52, 54, 62]. Международный аэропорт в Бангкоке. Общий вид, интерьер и трехслойная оболочка покрытия терминалов. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 100 Мягкие оболочки Лист 5.8. Лист 5.8 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 101 Трансформируемые покрытия Многопролетное покрытие терминалов выполнено в виде системы соприкасающихся оболочек-гипаров с контуром из пространственных стальных арок и прикрепленной к ним трехслойной оболочки (рис. 5.6). Пролет оболочек в поперечном направлении достигает 40 метров, высота 18 м. Средний слой каждой оболочки представляет собой тросовую сетку отрицательной кривизны, в ячейках которой закреплены тепло- и звукоизолирующие плиты. Нижний слой, повторяющий поверхность среднего слоя, выполнен в виде тентовой оболочки, являющейся потолком перекрываемого помещения. Эта оболочка расположена на некотором расстоянии от среднего слоя, что обеспечивает его свободные деформации. Внешняя тентовая оболочка, воспринимающая нагрузки, а также солнечно-, грязе- и химические воздействия, выполнена из материала со специальным покрытием, обеспечивающим ее устойчивость к вышеназванным воздействиям. Для обеспечения формы при действии ветрового отсоса в материал оболочки интегрированы несколько стабилизирующих тросов. Другие примеры комбинированных покрытий приведены в главе 7. 6. ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ 6.1. Трансформация в живой природе и архитектуре В последние годы конструкции, способные к изменению своей геометрической формы и первоначального положения, стали все шире применяться и в архитектуре. В предшествующий период их можно было увидеть разве что в космической или военной отраслях (солнечные батареи и антенны искусственных спутников, самораскрывающиеся спасательные плоты и пр.). Осознание того, что меняющиеся форма и объем могут стать элементами архитектурного приема, пришло только в самом конце ХХ века. В современной архитектуре существует направление, которое получило условное наименование «динамической архитектуры». Объекты такой архитектуры объединены не внешним сходством. Их можно объединить на основе подхода, в основе которого лежит свойство, давно используемое объектами живой природы – свойство трансформации. Появление такой архитектуры обусловлено динамикой современной жизни, которая требует создания и соответствующих ей трансформируемых архитектурных форм. В динамической архитектуре трансформация используется для решения следующих функциональных задач: • временных, обратимых преобразований архитектурного пространства в случае его многофункционального использования; • регуляции микроклимата помещения за счет обратимых движений конструктивных элементов (ограждающие поверхности, кровли, жалюзи); • транспортировки сооружений или их элементов в сложенном виде к месту их возведения; • монтажа других конструкций зданий. Кроме того, трансформация расширяет не только функциональные возможности эксплуатируемого пространства, но позволяет архитекторам менять и его пластическое решение. Известно, что многие растения в процессе развития быстро, часто даже заметно для глаза наблюдателя, peaгируют на изменение различных факторов внешней среды – освещенности, температуры воздуха, влажности и др. Фото-, гидро- и термостатические движения лепестков и соцветий (открывание и закрывание цветков) представляют интерес как наиболее зрительно ощутимый процесс трансформаций, носящий у многих из них обратимый характер [28]. Принципиальных схем трансформации достаточно много (рис. 6.1). Первая – трансформация объема путем его расчленения на несколько составных частей. При этой схеме составные части трансформируемого объема отделяются друг от друга с помощью специальных конструктивных элементов, которые приводятся в движение различными механизмами, но общая форма остается неизменной. Примерами такой трансформации являются помещения с раздвижными и складными перегородками (выставочные залы, административные помещения офисов и т.д.). Вторая схема – трансформация планировочная. В этой схеме при неизменном объеме меняется планировка помещения. Конструкции, с помощью которых можно осуществить такую трансформацию, также хорошо известны. Это трансформируемые (выдвигающиеся или складывающиеся) трибуны спортивных и концертных залов, сценические и спортивные площадки и т.д. И, наконец, третий тип трансформации – изменение формы эксплуатируемого пространства. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 102 Трансформируемые покрытия Осуществляется этот тип трансформации путем изменения положения основных несущих конструкций (или их частей), образующих первоначальную форму здания или сооружения. Примерами такой трансформации, которую можно назвать «зонтичной», служат раздвижные покрытия или стены спортивных и выставочных комплексов, сооружений космической связи и т.п. Рис. 6.1. Принципы трансформации в архитектуре Какие же цели преследует трансформация? Во-первых, и это, пожалуй, главное, – трансформация расширяет функциональные возможности сооружений, повышает их комфортность и рентабельность. Раздвижка стен и потолков залов в теплое время года позволяет увеличить (или, на- оборот, уменьшить) площадь помещения, обеспечить его лучшую аэрацию и инсоляцию, снизить расходы на освещение и вентиляцию. Во-вторых, трансформация дает в руки архитекторов новые средства для создания новых выразительных «динамических» объектов. 6.2. Принципы классификации трансформируемых конструкций В качестве критерия, позволяющего разделить все трансформируемые конструкции на отдельные типы, предлагается принцип, а точнее механизм их перемещения в пространстве. По этому принципу трансформируемые конструкции можно разделить на: • перемещаемые в пространстве поступательно по прямолинейным или криволинейным направляющим; • перемещаемые в пространстве путем поворота вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси; • перемещаемые путем разворачивания (складывания); • элементы комбинированного перемещения. Предлагаемая классификация трансформируемых покрытий представлена на рис. 6.2. Рис. 6.2. Классификация трансформируемых покрытий по механизму перемещения Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Трансформируемые покрытия 103 Лист 6.1 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 104 Трансформируемые покрытия Лист 6.2 Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 105 Трансформируемые покрытия Принципиальные схемы таких перемещений показаны на рисунках, представленных на листах 6.1 и 6.2. При первом и втором принципе классификации геометрия трансформируемого элемента мо- жет оставаться неизменной. При разворачивании (складывании) происходит изменение геометрии конструкции при одновременном поступательном движении или повороте. 6.3. Примеры трансформируемых покрытий в современной архитектуре Во Франции создана типовая конструкция крытого спортивного комплекса «Туронесоль», принятого для строительства в городских районах с населением от 5 до 15 тыс. жителей. Одним из зданий этого комплекса был бассейн в Нанси близ Парижа. Круглое в плане сооружение диа- Рис. 6.3. метром 34 м перекрыто куполом со стрелой подъема 6 м, имеющим форму эллипсоида вращения (рис. 6.3). [Подробнее см. Физкультурно-спортивные сооружения: Учебное пособие /Под общ. ред. Аристовой Л.В. – М.: СпортАкадемПресс, 1999. - 536 с.]. Трансформируемое покрытие бассейна (Франция) Купол состоит из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть, соответствующая центральному углу 120°, представляет собой две раздвижные створки, перемещаемые по концентрической поверхности над покрытием. В солнечное время дня створки раздвигаются в противоположные стороны, обеспечивая естественное освещение и инсоляцию бассейна. Несущими конструкциями покрытия служат стальные арочные ребра, сходящиеся в стальном замковом элементе. Каждое арочное ребро включает два криволинейных пояса и объединяющую их треугольную решетку. В уровне земли ребра опираются на кольцевой фундамент. Ограждающая часть покрытия выполнена из трехслойных панелей толщиной 40 мм с обшивками из стеклопластика и средним слоем из фенольного пенопласта. В качестве примера трансформации путем поступательного перемещения по криволинейным направляющим можно привести покрытие футбольного стадиона «Arizona Cardinals» (США), вмещающего 63 тыс. зрителей (рис. 6.4) [66]. Пологая оболочка покрытия, перекрывающая футбольное поле размером 240х360 футов (73х110 м), имеет в средней части две раздвижные панели размером 180х240 футов (55х75м), которые с помощью гидравлической системы, управляемой компьютером, открывают в хорошую погоду игровое поле в течение 12 минут. (Подробнее см. http://www.azcardinals.com). Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 106 Трансформируемые покрытия а. б. Рис. 6.4. Общий вид (а) и открытая часть (б) покрытия стадиона «Arizona Cardinals» Примером комбинированного способа трансформации может служить покрытие теннисного корта в Мюнхене (ФРГ). Покрытие центрального корта теннисного стадиона представляет собой тентовую оболочку, прикрепленную к замкнутому опорному контуру. Стабилизация формы оболочки (преднапряженние) обеспечивается системой распорок и оттяжек (рис. 6.5). Средняя часть покрытия выполнена в виде радиальной двухпоясной вантовой системы со смещенным центром, в котором размещена сложенная тканевая оболочка из специального светопрозрачного материала [52, 62]. При хорошей погоде эта оболочка находится в сложенном состоянии, а при изменении погодных условий (дождь, снег, ветер) она с помощью специальных механизмов раскрывается над игровой зоной корта и трибунами для зрителей. Направляющими для такого способа трансформации служат верхние пояса вантовой системы. а. .б. Рис. 6.5. Общий вид (а) и процесс трансформации (б) покрытия теннисного корта в Мюнхене Трансформируемые конструкции как элементы кинетических объектов архитектуры городской среды имеют большое будущее. По мере внедрения компьютерного моделирования в проектное дело проблемы, связанные с разработкой динамических моделей будущих зданий, будут не столь сложными, как сегодня. К тому же, проникновение высоких технологий в строительство позволит архитекторам и конструкторам решать немыслимые прежде задачи. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 107 Комбинированные пространственные покрытия 7. КОМБИНИРОВАННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ 7.1. Классификация комбинированных покрытий Комбинированными называются покрытия, в которых совместно работают элементы рас-смотренных выше конструктивных систем – оболочек (жестких и мягких), висячих покрытий, систем регулярной структуры и др. Наиболее наглядными примерами таких покрытий являются составные оболочки, подкрепленные вантами, и подвесные покрытия, у которых основная часть может быть выполнена или в виде решетчатой плиты, или в виде оболочки (жесткой или мягкой, например, тентовой). Именно сочетание признаков входящих в систему комбинированного покрытия элементов может быть положено в основу их классификации. Например, конструкция покрытия, изображенного на рис. 7.1, относится к складчатым куполам, подкрепленным вантами. Рис. 7.1. Складчатая оболочка, подкрепленная вантами Разрабатываются комбинированные системы с целью увеличения несущей способности и пространственной жесткости покрытия, а также поиска новых выразительных архитектурных форм. Сегодня практически все системы покрытий большепролетных зданий проектируются и выполняются комбинированными. В процессе разработки таких покрытий проектировщики сталкиваются не только с типичными для повседневного строительства задачами и проблемами, но им приходится решать совершенно новые задачи из области материаловедения, машиностроения, пневматики, гидравлики, аэродинамики и пр. Комплексность решения этих задач позволяет создавать сооружения необычных форм, широкого спектра эксплуатационных возможностей на основе конструктивных решений, ранее не применявшихся в строительстве. Архитектурные и конструктивные решения комбинированных пространственных покрытий рассмотрим на примерах проекта стадиона на Крестовском острове в Санкт-Петербурге и Купола тысячелетия в Лондоне. Информацию по первому проекту любезно предоставили докторинженер Анвар Садыков (мастерская Werner Sobek Ingenieure, Германия) и канд. техн. наук А.М. Мелентьев (ЭКБ ЦНИИСК им. Кучеренко, г. Москва). Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 108 Комбинированные пространственные покрытия 7.2. Примеры конструктивных решений 7.2.1. Покрытие стадиона ФК «ЗЕНИТ» в Санкт-Петербурге В 2006 г. победу в международном конкурсе на строительство нового современного футбольного стадиона в западной части Крестовского острова Санкт-Петербурга вместимостью не менее 60 000 мест, одержал японский проект «Космический корабль» архитектурной мастерской «Kisho Kurokawa architect & Аssociates» (рис. 7.2). Одним из условий конкурса было устройство трансформируемого покрытия над чашей стадиона и выдвигающегося за пределы стадиона футбольного поля. Разработка рабочей документации по покрытию стадиона была поручена мастерской Werner Sobek Ingenieure, Германия. Рис. 7.2. Общий вид футбольного стадиона на 60 тысяч мест Конструкция покрытия Покрытие стадиона, круглое в плане и диаметром около 288 м, состоит из стационарной и подвижной (раскрывающейся) частей. Все покрытие с помощью систем не лежащих в одной плоскости тросов подвешено к восьми наклонным пилонам, шарнирно опирающимся на фундаменты. В зонах портов трансформируемой подвижной части покрытие опирается на конструкции лестничных клеток (рис. 7.3). Рис. 7.3. Конструктивная схема стационарной части покрытия Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 109 Комбинированные пространственные покрытия Стационарная часть покрытия Конструкция стационарной части покрытия представляет собой стальную пространственную стержневую плиту, состоящую из радиальных несущих ферм, объединенных с помощью круговых ферм и балок в единую несущую систему. Для обеспечения жесткости покрытия в его плоскости устроены диагональные связи. В качестве ограждения используется утепленная кровля по профилированному настилу с металлическим покрывающим гидроизолирующим листом. Ближе к раздвижной части покрытия выполнены светопрозрачные проемы (остекление из стеклопакетов). В центральной части покрытия, над футбольным полем, организовано отверстие размером 224х92 м, над которым устроена трансформируемая часть покрытия, которая будет постоянно закрыта в зимний период, а в теплое время года будет открываться. Для его перемещения по стационарной части покрытия по длинным сторонам внутренней кромки отверстия предусмотрены направляющие несущие фермы. Эти фермы представляют собой диагональную трехпоясную систему, проходящую вдоль всего периметра проема. Несущая часть этих пространственых ферм расположена вертикально и параллельно боковой линии футбольного поля. Верхние пояса ферм, являющиеся направляющими подвижной части покрытия, имеют криволинейное очертание - поднимаются от центра вверх. Увеличение высоты ферм в этих зонах к тому же увеличивает и их жесткость. Трансформируемая часть покрытия С целью обеспечить солнечное освещение травяного поля и естественные условия инсоляции в замкнутой чаше стадиона, в средней части покрытия предусмотрена раздвижная часть, состоящая из 2 рандбалок, закрепленных по краям стационарного покрытия, и 14 подвижных решетчатых ферм, между которыми расположены пневматические подушки, выполняющие роль ограждения. Трансформируемая часть покрытия состоит из двух симметричных подвижных элементов (частей), которые открываются и закрываются, соответственно, в северном и южном направлениях (рис. 7.4). Рис. 7.4. Трансформируемая часть покрытия стадиона в открытом и закрытом положении Поперечные трехпоясные решетчатые фермы пролетом 98 метров выполняют роль основных несущих элементов, между которыми закрепляются пневматические подушки размером 14х86 метров. Движение каждой фермы вдоль направляющих, расположенных по длине отверстия в покрытии, осуществляется при помощи электроприводного механизма. В процессе движения ферм (закрывание покрытия) в подушки подается воздух (создается повышенное давление), что обеспечивает раскрытие подушек и стабилизацию их формы (рис. 7.4). При откачивании воздуха из внутреннего пространства между верхней и нижней мембранами подушек происходит их складывание (покрытие открывается). Давление воздуха внутри воздушной подушки поддерживается средствами активного управления на постоянном уровне 200 Па или на максимальном уровне 1400 Па во время снегопада. В целях обеспечения безопасности (например, на случай выведения одной подушки из строя) в соответствующих расчетных комбинациях учтено, что давление воздуха в каждой подушке изолировано (подается и откачивается у каждой подушки индивидуально). Механизмы надувания и складывания подушек, а также контроля синхронности перемещения ферм оснащаются различными датчиками, контролирующими их работу. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 110 Комбинированные пространственные покрытия Рис. 7.4. Трансформируемые элементы покрытия (фермы и пневмоподушки) в закрытом положении Функции складывающегося (раскладывающегося) механизма выполняют элементы в виде торцевых шпренгельных ферм, шарнирно связанных с основными поперечными несущими ферма- ми (рис. 7.5). Для обеспечения надежного замыкания шпренгельной фермы в средней ее части при закрывании покрытия применяется специальная система моторов и полиспастов. Рис. 7.5. Торцевые складывающиеся шпренгельные фермы Закрывание и открывание трансформируемой части покрытия происходит последовательно: первая ферма начинает движение и одновременно наполняется воздухом первая пневмоподушка. При достижении проектного положения пневмоподушек шпренгельные полуфермы замыкаются в замке и образуют жесткую несущую конструкцию – ферму. Затем раскрывается следующий пролет и так далее. После полного раскрытия двух подвижных частей замыкается замок между ними, обеспечивая совместную работу всей трансформируемой части покрытия и надежную изоляцию внутреннего пространства стадиона. О конструктивной схеме покрытия Во-первых, это подвесное покрытие, поскольку есть система вант, с помощью которой это покрытие подвешено к опорным мачтам. Во-вторых, в покрытии есть решетчатая плита, которая относится к системам регулярной структуры. И, в-третьих, в покрытии есть пневмоподушки, которые по конструктивному признаку относятся к мягким оболочкам. К тому же, в покрытии есть и трансформируемая, подвижная часть. Таким образом, несущая система покрытия включает в себя элементы разных типов пространственных конструкций и поэтому считается комбинированной. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 111 Комбинированные пространственные покрытия 7.2.2. «Купол тысячелетия» («Millenium Dome») Еще одним впечатляющим примером комбинированной конструкции является покрытие универсальной арены, построенной в Гринвиче (Лондон). Арена, получившая название «Millenium Dome», или «Купол тысячелетия», является одним из самых больших в мире зданий подобного типа. Его диаметр равен 320 м, а длина окружности достигает одного километра. Купол накрывает участок площадью 8 гектаров (рис. 7.7) [55, 56]. Пологую тентовую оболочку купола, изготовленную из стеклоткани, пропитанной тефлоном, удерживают 12 решетчатых мачт, каждая из которых имеет высоту 100 метров. С этих мачт свисают 70 км троса, который поддерживает оболочку и обеспечивает ей необходимую форму. На оболочку купола было израсходовано около 50 тонн стеклоткани, которую до этого с успехом применяли при строительстве Олимпийского купола в Атланте (США, штат Джорджия), Олимпийского стадиона в Риме, вокзала для поездов в тоннеле под Ла-Маншем в Фоукстоне (Великобритания), а также крыши над деревней для паломников в Мекке (Саудовская Аравия). Оболочка состоит из 144-х отдельных панелей, расположенных в два ряда; в верхнем ряду находятся треугольные панели, а внизу располагаются трапециевидные панели. Панели «приварены» одна к другой, образуя прочные участки, самый большой из которых имеет в длину 80 м, площадь 928 квадратных метров и весит 1200 кг. Чтобы во время дождя влага не конденсировалась внутри помещения, крышу сделали из двух слоев, толщина каждого менее 1 мм. Рис. 7.7. Купол тысячелетия. Общий вид, вид с высоты птичьего полета, интерьер Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 112 Пространственные конструкции покрытий в Кыргызстане 8. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ В КЫРГЫЗСТАНЕ В республике накоплен определенный опыт проектирования и строительства зданий различного назначения с применением пространственных конструкций покрытий. Рассмотрим наиболее яркие архитектурные и конструктивные решения таких покрытий. Более подробный анализ объектов с такими покрытиями можно найти в [41 – 44]. 8.1. Оболочки В начале 70-х годов в парке Дружбы (сейчас это парк им. Ататюрка) в г. Бишкек возведено летнее кафе на 70 посадочных мест (рис. 8.1). Покрытие кафе решено в виде зонтичной железобетонной монолитной оболочки составной формы поверхности. Образующие оболочку «лепестки» имеют поверхность отрицательной гауссовой кривизны. Особенностью данной конструкции, помимо интересного архитектурного решения, было применение (впервые в практике отечественного строительства) безрулонной кровли – плита оболочки выполнена из плотного водонепроницаемого бетона. Рис. 8.1. Кафе «Бермет» с покрытием в виде зонтичной оболочки Другим примером использования при проектировании и строительстве жесткой оболочки служит покрытие цирка на 2 тыс. мест в г. Бишкеке. Возведенный по проекту института ЦНИИЭП зрелищных зданий и спортивных сооружений им. Мезенцева (г. Москва) круглый в плане цирк перекрыт сборно-монолитным железобетонным складчатым куполом (рис. 8.2). Образующие купол V-образные сборные элементы опираются на среднее и верхнее опорные кольца (рис. 8.3). Среднее кольцо наружным диаметром 72,8 м и шириной 6 м, в свою очередь, опирается на нижние складки–подкосы, объединенные нижним опорным кольцом диаметром 45,3 метра. Верхние складки длиной 23,6 м состоят из двух элементов заводского изготовления, соединенных перед установкой в проектное положение сваркой закладных деталей. Нижние складки соединяются с несущими конструкциями фойе и амфитеатра зрительного зала на отметке 7,50 с помощью нижнего опорного кольца. Здание цирка эксплуатируется более 30 лет и находится в хорошем техническом состоянии. Рис. 8.2. Цирк в г. Бишкек с покрытием в виде складчатого купола Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Пространственные конструкции покрытий в Кыргызстане 113 Рис. 8.3. Конструктивное решеение цирка 8.2. Системы регулярной структуры Покрытия в виде систем регулярной структуры применены в зданиях различного назначения. Структурные плиты из стержней круглого поперечного сечения (структуры «Кисловодск») использованы при строительстве одного из зда- ний республиканского выставочного комплекса, павильонов на Орто-Сайском (рис. 8.4), Аламединском и Ошском рынках г. Бишкек, ряда производственных зданий (завод ЖБИ, АО «Дастан» и др.). Рис. 8.4. Павильон на Орто-Сайском рынке. Покрытие - стержневая плита из трубчатых элементов типа «Кисловодск» Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 114 Пространственные конструкции покрытий в Кыргызстане Структура из прокатных профилей с соединением на болтах нормальной точности (типа «ЦНИИСК») применена при строительстве спец- автоцентра в г. Бишкек (рис. 8.5), производственных зданий в Кара-Коле, Токмоке и др. районах республики. Рис. 8.5. Спецавтоцентр. Покрытие - стержневая плита из прокатных профилей типа «ЦНИИСК» 8.3. Висячие покрытия Построенный в 1974-1975 г.г. по проекту института «Фрунзегорпроект» главный павильон выставочного комплекса треугольной формы в плане с размерами сторон 70 м перекрыт висячим покрытием в виде вантовой сети отрицательной гауссовой кривизны (рис. 8.6). С целью стабилизации формы и обеспечения предварительного напряжения всей системы между несущими провисающими тросами и опорным контуром устанавливались специальные натяжные муфты. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Пространственные конструкции покрытий в Кыргызстане 115 Рис. 8.6. Общий вид и конструктивное решение покрытия выставочного павильона Для покрытия основного зала Дворца спорта им. Кожомкула была применена комбинированная мембранно-балочная система, разработанная в ЦНИИСК им. Кучеренко (г. Москва). В этом покрытии стальная мембрана толщиной всего 2 мм опирается на четыре поперечные стальные балки и два стальных листовых подбора (рис. 8.7). Рис. 8.7. Киноконцертный зал Дворца Спорта им. Кожомкула. 8.4. Трансформируемые покрытия Для летнего ресторана в г. Чуй-Токмок разработана оригинальная трансформируемая арочно-тентовая конструкция покрытия (рис. 8.8). Авторы проекта – архитектор Н. Маркова, конструктор Ю. Скляров (Студия “Museum”). Все несущие конструкции каркаса сборноразборные, стальные, из трубчатых элементов. Покрытие трансформируемое, с продольным перемещением по верху декораций. Ограждающие конструкции покрытия и стен – специальная ткань. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 116 Пространственные конструкции покрытий в Кыргызстане Основные несущие элементы - беcшар- 1400 мм на опоре. Для обеспечения устойчивости нирные, четырехпоясные, параболические арки ширина поперечного сечения арки принята постопролетом 24 м и высотой 5 м имеют переменную янной – 600 мм. высоту поперечного сечения – 620 мм в коньке и Рис. 8.8. Трансформируемое покрытие летнего ресторана в г. Чуй-Токмок 8.5. Мягкие оболочки В 2009 г. в восточной промзоне г. Бишкек Основное здание комплекса представляет взведен городской спортивно-развлекательный собой мягкую воздухоопорную оболочку, усиленкомплекс. ную канатами (рис. 8.9). Рис. 8.9. Воздухоопорная оболочка покрытия спортивно-развлекательного комплекса в г. Бишкек Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 117 Вместо заключения СОВРЕМЕННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ – СИНТЕЗ ИСКУССТВА, ТЕХНИКИ И НАУКИ (вместо заключения) Очередной этап технического прогресса, который начался после Второй мировой войны, был связан с высокой наукоемкостью техники и синтезом различных областей естественнонаучных знаний. Не стала исключением в этом процессе и архитектура, которая в мире постоянно увеличивающейся скорости жизни стремится выразить давнюю мечту человека – преодолеть время и пространство. С инженерной точки зрения это стремление отражается в поиске новых, чаще всего пространственных несущих систем зданий, создании новых, более сложных конструктивных систем на основе последних достижений в области материаловедения (создания современнейших материалов и конструкций), строительной механики, технологии. И пространственные конструкции, являющиеся символом новой тектоники, наилучшим образом отражают это направление в современной архитектуре. Архитектура прошлого – это архитектура больших масс и громоздких конструкций, архитектура простых планов и простых геометрических форм. Символ такой архитектуры – тектоника положенных и поставленных друг на друга строительных элементов, работающих, в основном, на сжатие. Современная архитектура, широко использующая металл, бетон, стекло, синтетические ткани и пленки, демонстрирует принципиально новую тектонику, в которой несущие каркасы предстают в виде объемов самой разнообразной конфигурации – правильных и неправильных многогранников, составных поверхностей складчатой и криволинейной формы, неограниченно развивающихся в пространстве. При этом высота и перекрываемые пролеты зданий (мы уже не говорим о сооружениях типа мостов и пр.) достигают сегодня сотен метров и включают в себя большие функционально связанные между собой внутренние пространства (см. «Купол тысячелетия», «Проект Эдем» и др.). Изменился и принцип работы основных несущих конструкций. Если в классической архитектуре это работа конструкций на сжатие, то в современной – на растяжение. Приведенные в пособии примеры показывают неразрывную связь современной архитектуры с передовыми техническими устройствами и элементами инженерного оборудования: системами электроники, механики, освещения, вентиляции и т.д. (см. разделы 6 и 7 – покрытия стадионов ФК «Зенит», «Локомотив», «Arizona Cardinals» и др.). Только благодаря последним достижениям в области технологии изготовления и монтажа конструкций стало возможным осуществление таких грандиозных проектов, как «Птичье гнездо», «Водяной куб» и Национальный театр в Пекине, небоскреба «Корнешон» в Лондоне, купола над Рейхстагом в Берлине и многих других поражающих воображение объектов*. Подытоживая сказанное, приведем очень интересную, на наш взгляд, мысль одного из основателей современной архитектуры, всемирно известного швейцарского проектировщика, художника и писателя Ле Корбюзье, который в одном из своих выступлений предложил архитекторам… «Мыслить конструкциями…». Что же значит «мыслить конструкциями»? Нам представляется, что «мыслить конструкциями», значит мыслить широко, нестандартно, опираясь на богатый опыт мастеров мировой архитектуры и знания из разных областей науки и техники. Не забывая при этом, что конструкции являются элементами нашего пространственнопредметного окружения, элементами материальной и духовной культуры. Принципиальная основа универсального языка современной архитектуры не изменилась — это тектоника, то есть художественное выражение конструктивной сущности сооружения**. *-100 чудес современной архитектуры/Пер. с англ.- М.:ЗАО «БММ», 2006. – 240 с. **- Гутнов А.Э. Мир архитектуры: Язык архитектуры. – М.: Молодая гвардия, 1985. - 351 с. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 118 Использованные источники Использованные источники 1. История строительной техники: Учебн. пособие для инженерно-строительных вузов / Н.Н.Аистов, Б.Д.Васильев, В.Ф. Иванов и др. Под общ. ред. В.Ф.Иванова. – М.- Л.: Госстройиздат, 1962. – 560 с. 2. Коуэн Г. Дж. Мастера строительного искусства: История проектирования сооружений и среды обитания со времен Древнего Египта до XIX века / Пер. с англ. Д.Г. Копелянского. Под ред. Л.Ш. Килимника. – М.: Стройиздат, 1982. – 240 с. 3. Юрген Ёдике. История современной архитектуры. Синтез формы, функции и конструкции. – М.: Искусство, 1972. – 247 с. 4. Бюттнер О., Хампе Э. Сооружение – несущая конструкция – несущая структура: Анализ живой природы и градообразующей среды / Пер. с нем. – М.: Стройиздат, 1983. – 340 с. 5. Фюрер В., Ингендай С., Штайн Ф. Проектирование несущих конструкций / Пер. с нем. О.С. Вершинина; Под ред. Ю.А. Дыховичного. – М.: Стройиздат, 1987. – 200 с. 6. Энгель Х. Несущие системы / Пер. с нем. Л.А. Андреевой. – М.: АСТ:АСТРЕЛЬ, 2007. – 344 с. К главе 1 7. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. – М.: Мысль, 1978. – 272 с. 8. Zoltan Visy. Buiding systems – system building. Proceedings symposium on “System Building”. Publ. 60. – Budapest, 1981. – P. 43–47. 9. Дыховичный Ю.А., Жуковский Э.З. Составные пространственные конструкции. – М.: Высшая школа, 1989. – 285 с. 10. Морозов А.П., Василенко О.В., Миронков Б.А. Пространственные конструкции общественных зданий. Изд. 2-е., перераб. и доп. – Л.: Стройиздат, 1977. – 168 с. 11. Рюле Г., Кюн Э. и др. Пространственные покрытия (Конструкции и методы возведения). В 2х т. / Под общ. ред. Г. Рюле. Т I. Железобетон, армоцемент; Пер. с нем. С.Б. Ермолова. – М.: Стройиздат, 1973. – 304 с. 12. Семенов В.С. Эффективные пространственные металлические конструкции покрытий зданий в практике проектирования и строительства Кыргызстана. – Кырг. гос. ун-т строит., трансп. и архит. – Бишкек, 2004. – 180 с. К главам 2–8 13. Архитектура: форма; пространство; композиция / Чинь, Фрэнсис Д.К. / Пер. с англ. Е. Нетесовой. – М.: АСТ: Астрель, 2005. – 399 с. 23. Канчели Н.В. Строительные пространственные конструкции. Изд. второе, перераб. и доп. – М.: Изд-во АСВ, 2004. – 120 c. 14. Анищенко А. Архитектура сооружений с висячими покрытиями. – Киев: Будiвельник, 1970. – 128 с. 24. Каталог рекомендуемых типов пространственных конструкций для общественных зданий с большими пролетами. Авт.-сост. Б.А. Миронков. – Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1977. – 160 с. 15. Бескаркасные складчатые конструкции / А.Я. Прицкер и др. – Киев, Будивэльнык, 1991. – 88 с. 16. Большепролетные конструкции покрытий общественных и промышленных зданий: Альбом чертежей / Зверев А.Н. Санкт-Петербургский гос. арх. строит. ун-т., 1998. 25. Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции: Учеб. пособие для вузов. – М.: Стройиздат, 1981. – 158 с. 26. Конструкция и форма в советской архитектуре/ Ю.П. Волчок и др. – М.: Стройиздат, 1980. – 263 с. 17. Гохарь-Хармандарьян И.Г. Большепролетные купольные здания. – М.: Стройиздат, 1971. – 151 с. 27. Липницкий М.Е. Купола (расчет и проектирование). Л.: Изд-во лит-ры по строительству, 1973. – 129 с. 18. Дмитриев Л.Г., Касилов А.В. Вантовые покрытия (расчет и конструирование). Изд. 2-е, перераб. и доп. – Киев: Будiвельник, 1974. – 272 с. 28. Лебедев Ю.С. Архитектура и бионика. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1977. – 221 с. 19. Дыховичный Ю.А., Жуковский Э.З. Пространственные составные конструкции: Учеб. пос. для студ. по спец. «Пром. и гражд. строит.». – М.: Высш. шк., 1989. – 288 с. 20. Ермолов В.В. Воздухоопорные здания и сооружения. – М.: Стройиздат, 1980. – 304 с. 21. Еремеев П.Г. Пространственные тонколистовые металлические конструкции покрытий: Научное издание / М.: Издательство АСВ, 2006. – 560 с. 22. Еремеев П.Г. Современные стальные конструкции большепролетных покрытий уникальных зданий и сооружений: Монография. – М.:АСВ, 2009. – 336 с. 29. Миронков Б.А., Лубо Л.Н. Рекомендации по проектированию и расчету плит регулярной структуры из армоцементных элементов. – Л.: Изд-во ЛенЗНИИЭПа, 1982. – 56 с. 30. Михайленко В.Е., Ковалев С.Н. Конструирование форм современных архитектурных сооружений. – К.: Будiвельник, 1978. – 112 с. 31. Москалев Н.С. Конструкции висячих покрытий. – М.: Стройиздат, 1980. – 331 с. 32. Отто Ф. Висячие покрытия – их формы и конструкции / Пер. с нем. В.Г. Калиша; Под ред. И.Г. Людковского. – М.: Госстройиздат, 1960. – 180 с. 33. Отто Ф., Шлейер Ф.-К. Тентовые и вантовые строительные конструкции. – М.: Стройиздат, 1970. – 175 с. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 119 Использованные источники 34. Отто Ф. Пневматические строительные конструкции: конструирование и расчет сооружений из тросов, сеток и мембран / Пер. с нем. А.А. Гогешвили. – М.: Изд-во лит-ры по стр-ву, 1967. – 320 с. 35. Пневматические строительные конструкции/ В.В. Ермолов, У. У. Бэрд, Э. Бубнер и др.; Под ред. В. В. Ермолова. — М.: Стройиздат, 1983.— 439 с. 36. Попов А.Н., Казбек-Казиев В.А., Файбышенко В.К. Современные пространственные конструкции. – М.: Знание, 1976. – 48 с. 37. Рекомендации по проектированию структурных конструкций/ЦНИИСК им.В.А. Кучеренко. – М.: Стройиздат, 1984. – 303 с. 38. Рюле Г., Кюн Э. и др. Пространственные покрытия (Конструкции и методы возведения). В 2-х т. / Под общ. ред. Г. Рюле. Т I. Железобетон, армоцемент; Пер. с нем. С.Б. Ермолова. – М.: Стройиздат, 1973. – 304 с. 39. Рюле Г., Аккерман Г. и др. Пространственные покрытия (Конструкции и методы возведения). В 2-х т. / Под общ. ред. Г. Рюле. Т II. Металл, пластмассы, дерево, керамика; Пер. с нем. С.Б. Ермолова.. – М.: Стройиздат, 1974. – 247 с. 40. Семенов В.С. Пространственные тонколистовые металлические оболочки покрытий в отечественном и зарубежном строительстве:Экспресс-информация КиргизИНТИ. – Фрунзе, 1977, № 4 – 31с. 41. Семенов В.С. Опыт проектирования и строительства в Киргизии общественных и промышленных зданий с сейсмостойкими пространственными покрытиями //Строит. и архит. Узбекистана. – 1979, №11. – С.28–31. 42. Семенов В.С. Покрытия сельскохозяйственных зданий из шпренгельных элементов. – Бишкек: Илим, 1991. – 86 с. 43. Семенов В.С., Мамашев Х.С. Легкие стальные стержневые блоки в покрытиях открытых навесов. Строительные конструкции и материалы/Отв. ред. Ю.В.Пазюк.– Фрунзе: Илим, 1990. – С. 39–49. 44. Семенов В.С. Эффективные пространственные металлические конструкции покрытий зданий в практике проектирования и строительства Кыргызстана. – Бишкек: Кырг. гос. ун-т строит. трансп. и архит., 2004. – 180 с. 45. Современные пространственные конструкции (железобетон, металл, дерево, пластмассы): Справочник / Ю.А. Дыховичный, Э.З. Жуковский, В.В. Ермолов и др. Под. ред. Ю.А. Дыховичного, Э.З. Жуковского. – М.: Высшая школа, 1991. – 543 с. 46. СП 52-117-2008: Железобетонные пространственные конструкции покрытий и перекрытий. Часть 1. Методы расчета и конструирование. НИИЖБ им. А.А. Гвоздева. – М.: ФГУП «НИЦ «Строительство», 2008. – 150 с. 47. Трофимов В.И. Большепролетные пространственные покрытия из тонколистового алюминия. – М.: Стройиздат, 1975. – 165 с. 48. Трофимов В.И., Бегун Г.Б. Структурные конструкции. – М.: Стройиздат, 1972. – 213 с. 49. Трофимов В.И., Каминский А.М. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений: Учебное пособие. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – 576 с. 50. Трущев А.Т. Пространственные металлические конструкции: Учебное пособие для вузов. – М.: Стройиздат, 1983. – 251 с. 51. Штолько В.Г. Архитектура сооружений с висячими покрытиями. – Киев: Будiвельник, 1979. – 152 с. 52. Beyond materiality. Сatalog. Werner Sobek Ingenieure. Publisher Kristin Fiereiss, Hans-Jurgen Camerell. – Berlin, Germany, 2002. – 62 p. 53. Dent R. N. Principles of pneumatic architecture. L., 1971. – 120 р. 54. Sobek W. Light Works. Publishers for architecture and design. – Ludwigsburg, Germany, 2008. – 156 p. Интернетресурсы 55. 56. 57. 58. 59. 60. http://www.millennium-dome.co.uk http://www.o2-millennium-dome.co.uk http://www.grimshaw-architects.com http://www.forma.spb.ru http://ctoday.ru/article/modern_architecture http://www.bfi.org 61. 62. 63. 64. 65. 66. http://www.hoberman.com http://www.wernersobek.de http://biosphere.ec.gc.ca http://stadium.dallascowboys.com http://www.projectclassica.ru http://www.azcardinals.com/stadium Рекомендуемый список литературы по теме: «Материал в архитектуре» 1. Айрапетов Д.П. Материал и архитектура. – М.: Стройиздат, 1978. – 270 с. 4. Ясиевич В.Е. Бетон и железобетон в архитектуре. – М.: Стройиздат, 1980. – 185 с. 2. Айрапетов Д.П., Заварихин С.П., Макотинский М.П. Пластмассы в архитектуре. – М.: Стройиздат, 1981. – 190 с. 5. Мардер А.П. Металл в архитектуре. – М.: Стройиздат, 1980. – 232 с. 3. Лисенко Л.М. Дерево в архитектуре. – М.: Стройиздат, 1984. – 176 с. 6. В. Е. Байер. Материаловедение для архитекторов, реставраторов, дизайнеров: Учебное пособие. – М.: Астрель, 2005. - 256 с. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 120 Термины и их определения Термины и их определения А. Геометрии и теории поверхностей Линия (определенная данным уравнением в некоторой системе координат) – это геометрическое место всех точек плоскости, координаты которых удовлетворяют этому уравнению. Линия (2), в пространственной аналитической геометрии – это пересечение двух поверхностей. Кривая линия – это множество точек пространства, координаты которых являются функциями одной переменной. Плоская кривая – траектория движения точки в плоскости (точка движется по касательной к кривой линии, обкатывая эту кривую без скольжения). Пространственная кривая – кривая двоякой кривизны, кривая, точки которой не лежат в одной плоскости. Пространственная кривая может быть задана в декартовых координатах в одной из следующих форм: F (x, у, z) = 0, Ф (x, у, z) = 0 (пересечение двух поверхностей); х = j(t), у = y(t), z = c (t) (параметрическая форма). Алгебраическая кривая п-го порядка – кривая линия, представленная в декартовых координатах уравнением п-й степени. Нормаль п в точке А кривой линии – перпендикуляр к касательной в этой точке. Кривизна кривой – угол α (угол смежности) между касательными в двух бесконечно близких точках кривой, отнесенный к длине дуги между этими точками, определяет степень искривленности кривой линии. Центр соприкасающейся окружности называется центром кривизны кривой в данной точке, а радиус такой окружности – радиусом кривизны кривой линии в данной точке. Поверхность. Понятие «поверхность» определяется различными способами, чаще всего как множество точек, удовлетворяющих некоторым условиям. Например, поверхность шара — множество точек, отстоящих на заданном расстоянии от данной точки. В этом определении понятие «поверхность» лишь поясняется, а не определяется. Например, говорят, что поверхность есть граница тела или след движущейся линии. Существует и понятие «простой поверхности» – как куска плоскости, подвергнутого непрерывным деформациям (растяжениям, сжатиям и изгибаниям). Алгебраические поверхности – поверхности, определяемые по отношению к декартовым прямоугольным координатам алгебраическими уравнениями. Касательная к поверхности плоскость в точке А – геометрическое место касательных векторов к кривым, лежащим на поверхности и проходящим через эту точку. Нормаль к поверхности – перпендикуляр N к касательной плоскости в точке касания ее с поверхностью. Нормальное сечение – след пересечения поверхности с плоскостью, проходящей через нормаль к поверхности. Кривизна нормального сечения – функция угла между нормальным сечением (плоскостью) и некоторым лучом, лежащим в касательной плоскости. Кривизна (матем.) – величина, характеризующая отклонение кривой (поверхности) от прямой (плоскости). Отклонение дуги MN кривой L от касательной МР в точке М можно охарактеризовать с помощью т. н. средней кривизны kcp этой дуги, равной отношению величины ее угла между касательными в точках М и N к длине Ds дуги MN. Главные кривизны. Нормальные сечения поверхности, соответствующие двум ортогональным направлениям, проходящим через точку касания, называются главными, а кривизны этих сечений в точке касания называются главными кривизнами. Гауссова кривизна поверхности. Полная или гауссова кривизна – одна из мер искривления поверхности в окрестности какой-либо ее точки, равная произведению главных кривизн. Для плоскости (а также для любой развертывающейся линейчатой поверхности) она обращается в нуль. Для сферы она постоянна и равна обратной величине квадрата радиуса сферы. В случае поверхности, имеющей вид автомобильной шины (тор), полная кривизна отрицательна в точках, прилегающих к колесу, и положительна в наружных точках. Полная кривизна остается неизменной при изгибании поверхности, т.е. при такой ее деформации, при которой длины линий на поверхности не изменяются. Плоскость – поверхность первого порядка. Теория поверхностей – раздел дифференциальной геометрии, в котором изучаются свойства поверхностей. В классической теории поверхностей рассматриваются свойства поверхностей, неизменные при движениях. Одна из основных задач классической теории поверхностей – задача измерений на поверхности. Совокупность фактов, получаемых при помощи измерений на поверхности, составляет внутреннюю геометрию поверхности. К внутренней геометрии поверхности относятся такие понятия, как длина линии, угол между двумя направлениями, площадь области, а также геодезические линии, геодезическая кривизна линии и др. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 121 Термины и их определения Б. Архитектуры Арка (от лат. аrcus – дуга, изгиб) – криволинейное перекрытие проема в стене или пространства между двумя опорами. В зависимости от размера пролета, нагрузки и назначения арки выполняются из камня, железобетона, металла и дерева. Арки впервые появились в архитектуре Древнего Востока, получили широкое распространение в архитектуре Древнего Рима. Артефа́кт (от лат. artefactum – искусственно сделанное) – искусственный предмет, которого не могла бы создать природа без человеческих рук. Архитектура (лат. architectura, от греч. architekton – строительное искусство, зодчество) – многогранное искусство создавать материально организованную среду для жизни и деятельности людей. Ее произведения – здания, сооружения, города и в целом – среда обитания человека. Архитектоника (от греч. аrchitektonike – строительное искусство) – художественное выражение закономерностей строения конструктивных систем зданий и сооружений. Архитектоника выявляется во взаимосвязи и взаиморасположении несущих и ограждающих частей, в ритмичном строе форм, делающем наглядными статические усилия в конструкции. В более широком смысле архитектоника – композиционное строение любого произведения искусства, обусловливающее соотношение его главных и второстепенных элементов. Архитектурная бионика – направление в архитектуре, основывающееся на аналогиях архитектуры и живой природы. Основное значение в этом направлении имеют функционально-утилитарные связи. Конструктивные формы природы (архитектоника живого мира) – формы, в которых нашли свое отражение конструктивные свойства организмов и растений, например, стебель растения, панцирь черепахи, скорлупа ореха и т.д. Свод – пространственная конструкция перекрытия или покрытия сооружений, имеющая геометрическую форму выпуклой криволинейной поверхности. Простейшим и наиболее распространенным является цилиндрический свод, опирающийся на параллельно расположенные опоры (стены, ряды столбов, аркады и т.п.). В поперечном сечении свод представляет собой часть окружности, эллипса, параболы и др. Два цилиндрических свода одинаковой высоты, пересекающиеся под прямым углом, образуют крестовый свод. Части цилиндрического свода – лотки, или щеки, опирающиеся по всему периметру перекрываемого сооружения на стены (или арки, балки), образуют сомкнутый свод. Зеркальный свод отличается от сомкнутого тем, что его верхняя часть (плафон) представляет собой плоскую плиту. Производной от свода конструкцией является купол. Отсечением вертикальными плоскостями частей сферической поверхности купола образуется купольный (парусный) свод. В зависимости от вида кривых их сечений, количества и формы распалубок и пр., различают своды стрельчатые, ползучие, бочарные, сотовые и др. Свод, подобно арке, работает преимущественно на сжатие, передавая на опоры вертикальные усилия. В некоторых типах сводов возникают также горизонтальные усилия распора. Архитектурная форма (по А.В. Иконникову) – «подобно замковому камню арки, объединяет рационально-практические аспекты архитектурной деятельности и создание художественно-эстетических ценностей, научное знание и искусство». Купол (итал. cupola – купол, свод, от лат. сupula; уменьшительное от cupa – бочка) – пространственное покрытие (свод) здания двоякой кривизны, близкое по форме к полусфере. Формы купола образуются различными выпуклыми кривыми. В куполе обычно возникают как вертикальные сжимающие, так и горизонтальные усилия (распор), которые передаются на поддерживающую его конструкцию или воспринимаются нижним (опорным) кольцом самого купола. Если куполом завершается прямоугольная в плане ячейка здания, переход от квадрата к круглому (или эллиптическому) основанию купола решается с помощью специальных сводов – парусов, или тромпов. В зависимости от конструктивного решения пролетной части купола бывают гладкие, ребристые, ребристо-кольцевые, сетчатые и др. Архитектурно-бионическая форма (также структура и конструкция) – архитектурная форма, в которой нашел отражение творческий процесс использования законов формообразования живой природы. Тектоника – соотношение несущих и несомых частей сооружения, выраженное в пластических формах; художественное выражение закономерностей, присущих конструктивной системе здания. Архитектурная форма – организация пространства и материальных структур объекта (здание, сооружение, группа построек), обеспечивающая необходимые физические качества окружения и целесообразную упорядоченность определенного комплекса процессов жизнедеятельности, выражающая при этом информацию об этих процессах и связанных с ними знаниях. Бионические архитектурно-строительные системы – системы, запроектированные и реализованные в результате синтеза биологии и техники. Динамичная архитектура – архитектура, использующая в своей практике свойства движения, изменения формы, конфигурации. Тектоника (по А.В. Иконникову) – организация целесообразной и вместе с тем выразительной конструктивной структуры, входящей в число средств формирования образа. Тектоника (по А.К. Бурову) – пластически разработанная, художественно осмысленная конструкция. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 122 Трансформация (лат. transformation) – 1) преобразование; 2) превращение; 3) изменение. Форма (лат. forma) – наружный вид, внешнее очертание. Форма (по Ф.Д.К. Чиню) – способ расположения и сочетания элементов и частей композиции, составляющих единое целое. Поскольку форма имеет смысл трехмерной объемной фигуры, то контуры служат главным определяющим аспектом формы: это конфигурация, взаимосвязанное расположение линий и очертаний фигуры и формы. Контур – это характерные очертания или конфигурация поверхности определенной формы. Он играет главную роль в восприятии и распознавании. Функция (1) – практическое назначение здания (или его части). Термины и их определения Функция (2, по А.В. Иконникову) – комплекс задач, решаемых созданием архитектурного объекта, чтобы обеспечить материальные условия для осуществления определенной группы процессов жизнедеятельности и символическое выражение связанных с ним значений – практически ориентирующих, ценностных, историко-культурных, мифологических. Функция определяет цель создания объекта и содержание, которое несет его форма. Функциональность – соответствие здания (конструкции) его практическому назначению, т.е. функциональному процессу, для которого оно предназначено. Функциональный процесс – процесс деятельности людей (труд, отдых, учеба и пр.), протекающий в предназначенном для него архитектурно организованном пространстве. В. Строительной механики и строительных конструкций В1. Общие термины Конструктивная система – объект (сооружение), рассматриваемый во взаимосвязи образующих его частей (конструкций). Конструктивная схема – принципиальное решение основных конструкций здания, их расположение и взаимосвязи. Конструктивная форма – техническая характеристика, описывающая основные параметры конструкции: ее форму (геометрию); принадлежность к определенному классу и т.д. Несущая способность – максимальная нагрузка, которую могут нести строительные конструкции, их элементы, а также грунты оснований без потери их функциональных качеств. Несущие конструкции (системы) – конструктивные элементы, воспринимающие основные нагрузки на здания и сооружения (напор ветра, вес снега, находящихся в здании людей, оборудования, давление грунта на подземные части здания и т.п.). По характеру внутренних усилий различают несущие конструкции, работающие в основном на сжатие (колонны, отдельные опоры, фундаменты, стены и др.); работающие преимущественно на изгиб (панели и балки перекрытий, стропильные и мостовые фермы, ригели рам и др.); работающие в основном на растяжение (мембраны, ванты, подвески, оттяжки и т.д.). В зависимости от геометрической формы несущие конструкции разделяют на линейные (балки, колонны); плоскостные (плиты, панели, настилы) и пространственные (оболочки, своды, объемные элементы). Несущие конструкции в совокупности образуют несущий остов здания (сооружения), который должен обеспечивать его пространственную неизменяемость, прочность, жесткость и устойчивость. Плоская система – система конструкций, в которой оси симметрии всех элементов и линии действия внешних сил находятся в одной плоскости. В зданиях и сооружениях плоские системы (конструкции), как правило, пространственно связаны между собой. Однако для упрощения инженерных расчетов многие сооружения рассматривают как совокупность отдельных плоских систем. Например, каркас промышленного или общественного здания, представляющий собой пространственную систему, при расчете заменяют системой плоских рам. Аналогичное расчленение на плоские системы делается при расчете ферм. Пространственная система (ПС) – система несущих конструкций сооружения (ее расчетная схема), характеризующаяся пространственным распределением усилий в ее элементах. ПС может быть образована из отдельных, соединенных между собой линейных или плоских элементов, способных воспринимать приложенную к ним пространственную систему внешних сил. В зависимости от конструктивных особенностей и характера возникающего в ПС напряженного состояния они подразделяются на стержневые, тонкостенные, массивные и комбинированные. Стержневые пространственные системы – несущие конструкции, образуемые совокупностью соединенных между собой элементов – стержней. В виде стержневых пространственных систем часто выполняются сооружения башенного типа (башни, опоры линий электропередачи и др.), а также несущие конструкции покрытий и перекрытий, так называемые структурные плиты. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 123 Термины и их определения Тонкостенные пространственные системы (ТПС) – конструкции, у которых один из размеров (толщина) значительно меньше двух других. ТПС широко используются в технике и строительстве в виде оболочек, сводов, шатров, призматических складчатых систем, листовых конструкций (труб, резервуаров, газгольдеров) и др. Применение тонкостенных ПС дает возможность существенно снизить расход материалов и массу несущих конструкций. Комбинированные пространственные системы представляют собой сочетания различных пространственных систем, например стержневых с тонкостенными, тонкостенных с массивными и т.д. Синтез (гр. synthesis – соединение, сочетание, составление) – метод изучения предмета в его целостности, в единстве и взаимодействии составляющих его частей. Синтез тесно связан с другим методом познания – анализом. В2. Оболочки и складки Оболочка – тело, ограниченное двумя поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнению с остальными его размерами. Гибкая оболочка – оболочка, при расчете которой требуется учитывать изменение первоначальной формы ее поверхности. Срединная поверхность оболочки – геометрическое место точек в плите оболочки или складки, равноудаленных от ее наружной и внутренней поверхностей. Ребристая оболочка – оболочка, подкрепленная ребрами в одном или нескольких направлениях. Оболочка положительной (отрицательной, нулевой) гауссовой кривизны – оболочка, срединная поверхность которой имеет в каждой точке положительное (отрицательное, нулевое) значение произведения ее главных кривизн. Складка – оболочка, составленная из пластинок, срединная поверхность которой разворачивается на плоскости. Складками и шатрами называют конструкции (оболочки), образованные из соединенных между собой и образующих поверхность многогранника пластинок-граней. Складка из прямоугольных пластинок называется призматической. Балочные складки состоят из плоских элементов-граней, соединенных между собой под углом так, что в месте их сопряжения образуется прямолинейное ребро. Пластинка – тело, ограниченное двумя плоскостями, расстояние между которыми мало по сравнению с другими размерами. Пологая оболочка – оболочка, у которой угол между касательными плоскостями, проходящими через любые две точки срединной поверхности, достаточно мал. Тонкая оболочка – оболочка с небольшим по сравнению с единицей отношением толщины к наименьшему радиусу кривизны (или другому характерному размеру). Пневматическая оболочка – оболочка, изготовленная из мягких воздухонепроницаемых материалов, способная воспринимать внешние нагрузки за счет создаваемого внутри избыточного давления воздуха (газа). Мягкая оболочка – тонкая оболочка, способная воспринимать только растягивающие напряжения. Цилиндрический свод – незамкнутая цилиндрическая оболочка, опирающаяся только по продольным краям. Свод-оболочка – незамкнутая цилиндрическая оболочка, опирающаяся на поперечные диафрагмы. Пролет оболочки – один из характерных размеров оболочки в плане. В своде-оболочке – расстояние между опорными краями по образующей; в оболочках вращения – по диаметру опорного края. Стрела подъема оболочки – наибольшее возвышение срединной поверхности незамкнутой оболочки над плоскостью опорного контура. Толщина оболочки – расстояние между наружной и внутренней поверхностями оболочки по нормали к срединной поверхности. Главные радиусы кривизны – в произвольной точке срединной поверхности экстремальные значения радиусов кривизны нормальных сечений. В3. Системы регулярной структуры Система регулярной структуры (СРС) – несущая конструкция здания или сооружения, образуемая повторяющимися однотипными ячейками из стержневых или пластинчатых элементов. В зависимости от формы и характера статической работы СРС могут быть выполнены в виде плит, складок, оболочек (сводов, куполов), а также использоваться в качестве элементов комбинированных систем (конструкций). Система регулярной структуры стержневая – несущaя конструкция, образуемая совокупностью соединенных между собой элементов (стержней), у которых один из размеров (длина) значительно больше двух других. В виде стержневых пространственных систем часто выполняются сооружения башенного типа (башни, опоры линий электропередачи и др.), а также несущие конструкции покрытий и перекрытий, так называемые структурные плиты. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 124 Система регулярной структуры пластинчатая – несущaя конструкция, образуемая совокупностью соединенных между собой элементов – пластинок. Термины и их определения Структура, структурная плита – плоская несущая конструкция покрытия (перекрытия), образуемая системой регулярной стержневой или пластинчатой структуры. В4. Висячие системы Висячие системы, висячие конструкции (1) – строительные конструкции, у которых основные несущие элементы (тросы, кабели, листовые мембраны) испытывают только растягивающие усилия. Висячая система (2) – распорная система, у которой при основном виде нагружения распор направлен наружу по отношению к перекрываемому пространству. Висячее покрытие – покрытие, в котором пролетная конструкция, непосредственно несущая нагрузку, представляет собой растянутые стержни, нити или оболочку (висячую систему). Гибкая нить – стержень, способный сопротивляться только растяжению. Жесткая нить – стержень, способный сопротивляться изгибу и растяжению. Ванта – конструктивный элемент (трос, канат и т.д.), расчетной схемой которого может служить гибкая нить. Вантовая система – висячая система, основные несущие элементы которой выполнены из вант. Несущие ванты – ванты, воспринимающие основную часть внешней положительной нагрузки и усилия предварительного напряжения. Напрягающие (стабилизирующие) ванты – ванты, назначение которых создавать предварительное напряжение в элементах висячих систем с целью уменьшения их деформативности и восприятия отрицательных нагрузок. Ванты-подборы – гибкие растянутые элементы опорных конструкций вантовых систем. Висячая ферма – распорная ферма, у которой при действии вертикальных нагрузок распор направлен наружу по отношению к перекрываемому пролету. Вантовая ферма (1) – висячая ферма, все стержни которой (за исключением опорных пилонов) при действии расчетных нагрузок испытывают только растягивающие усилия. Вантовая ферма (2) – преднапряженная система, состоящая из двух соединенных друг с другом гибких поясов. Затяжка – стержень, шарнирно прикрепленный к конструкции и предназначенный для восприятия распора. Ортогональная вантовая сеть – вантовая сеть, у которой в каждой элементарной ячейке все углы прямые. Пологая вантовая сеть – вантовая сеть, у которой угол между касательными плоскостями, проходящими через любые две точки поверхности, достаточно мал. Тканевая оболочка – вантовая сеть, в которой ванты (нити) расположены непрерывно (вплотную друг к другу). Мембрана – тонкая гибкая оболочка, способная воспринимать только усилия растяжения (оболочка, изгибающими моментами в которой можно пренебречь по сравнению с осевыми растягивающими усилиями). Висячая оболочка – оболочка, у которой основными несущими элементами пролетной части являются нити (ванты) или мембрана. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 125 Биографические справки Алексей Петрович Морозов (1907-1987) Академик академии строительства и архитектуры, лауреат Государственной премии СССР, создатель и руководитель ленинградской школы инженеров — творцов большепролетных конструкций. В 1934 году окончил Ленинградский инженерно-строительный институт, где его учителем был профессор, руководитель кафедры «Инженерные конструкции» Н. Н. Аистов. В 1936 году А.П. Морозов выполнил свою первую крупную работу — запроектировал бункер длиной более 300 м для Балхашского медеплавильного завода. В годы Великой Отечественной войны молодой, но уже опытный инженер строил оборонительные сооружения Ленинграда. В послевоенные годы А.П. Морозов – руководитель сектора, а затем главный конструктор ПИ-1. Одна из интереснейших страниц в творчестве Алексея Петровича (1951-1952) – участие в проектировании высотной гостиницы «Ленинградская» на Комсомольской площади в Москве, где он выполнил сложные расчеты металлического каркаса этого высотного здания. В 1956 г. он избирается академиком (действительным членом) Ленинградского филиала Академии строительства и архитектуры. Гармоничное сочетание проектно-строительной и научной работы было для него совершенно необходимым, и этим качеством Морозов напоминал крупных русских инженеров XIX — начала XX века. Творческие биографии А.П. Морозова и его учеников (Ю. А. Елисеева, О. А. Курбатова, Б.А.Миронкова, А.В.Шапиро и др.) тесно связаны с созданием в 1963 году Ленинградского зональ- ного научно-исследовательского и проектного института типового и экспериментального проектирования жилых и общественных зданий (ЛенЗНИИЭПа). В этом институте под руководством А. П. Морозова создается Специальный конструкторский отдел (СКО), сотрудники которого, совмещая в себе инженеров-практиков и ученых, сыграли выдающуюся роль в проектировании и строительстве многих уникальных по тем временам зданий не только в Ленинграде, но и в других городах и странах. Самые известные это Дворец спорта «Юбилейный», который в зависимости от трансформации может вмещать от 6500 до 10000 зрителей, универсальный спортивно-концертный комплекс (СКК) на 25 тыс. зрителей на проспекте Юрия Гагарина в Московском районе, рынок в Ульяновске, Дворец спорта в Зуле (Германия) и др. В 1971 году авторы Дворца спорта «Юбилейный», в том числе и А.П.Морозов, были удостоены Государственной премии СССР. Алексей Петрович Морозов был не только выдающимся инженером, но и замечательным спортсменом (в предвоенные годы ленинградцы хорошо знали баскетболиста, мастера спорта, чемпиона страны Алексея Морозова, вскоре ставшего одним из лучших теннисистов города). Он был разносторонне развитой личностью, любил искусство, литературу, философию, историю, не был чужд политике. Взгляды и суждения его всегда были свежими, острыми. С ним было очень интересно общаться и работать! Свет личности Алексея Петровича Морозова сохранился не только в прекрасных объектах, но и в его многочисленных учениках. При подготовке биографических справок использованы материалы из личного архива автора и статьи д.т.н., проф. Н.Н. Никонова. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 126 Биографические справки Виктор Иванович Трофимов (1913 – 2004) Почетный академик Академии архитектуры и строительства России Виктор Иванович Трофимов был широко известен как крупный ученый и изобретатель в области металлических конструкций. На протяжении многих лет он возглавлял российскую школу по исследованиям и разработке новых видов стальных и алюминиевых конструкций различного назначения. Более 60 лет отдал он любимому делу. После окончания Московского архитектурно-строительного техникума Виктор Иванович начал работать техником-конструктором Гипроспецхима. Московский институт коммунального строительства он окончил в первые дни Великой Отечественной войны (июль 1941 г.) и уже в августе был призван в армию. В октябре 1943 года после тяжелого ранения демобилизован. За участие в боевых действиях В.И.Трофимов награжден орденами Отечественной войны I и II степеней, Красной Звезды и пятью медалями. С 1944 по 1949 год В.И.Трофимов работал в “Союзстройпроекте” на должности инженераконструктора. В 1950 году поступил в аспирантуру ЦНИИСК (ЦНИИПС). С той поры деятельность В.И.Трофимова была связана с ЦНИИСК имени Кучеренко. Здесь он в 1952 году защитил кандидатскую, а в 1965 году — докторскую диссертации. Последние 20 лет своей жизни Виктор Иванович возглавлял лабораторию металлических конструкций ЦНИИСК. Наиболее ярко талант В.И.Трофимова как исследователя, конструктора и организатора работы большого научного коллектива проявился в 70 - 80-е годы. В первой половине 70-х годов его идеи реализуются при сооружении висячих мембранных покрытий двух крупных сооружений: плавательного бассейна в г. Харьков и Дворца спорта в городе Фрунзе. Эти сооружения явились прелюдией к возведению объектов Олимпиады80 в Москве, четыре из которых — Универсальный крытый стадион “Олимпийский” и Плавательный бассейн на проспекте Мира, Крытый велотрек в Крылатском и Дворец спорта в Измайлово можно назвать бенефисом В.И.Трофимова. Широта научных интересов В.И.Трофимова очень многогранна: структурные плиты покрытий и облегченные рамные конструкции, мембранные и ленточные оболочки, несущие конструкции, работающие совместно с ограждением, металлические зернохранилища мембранно-каркасного типа — вот далеко не полный перечень его разработок. При этом, принимаясь за разработку конструкции, он всегда предвидел практический результат. Заслуженным деятелем науки и техники России, лауреатом премии Совета Министров СССР, дважды лауреатом Государственной премии СССР, кавалером орденов Трудового Красного Знамени и “Знак Почета” В.И.Трофимовым опубликовано более 150 научных работ и 5 монографий, получено более 60 авторских свидетельств СССР, России и других стран. Особо следует отметить педагогический талант В.И.Трофимова — из-под его крыла вышло 42 кандидата и несколько докторов технических наук. Виктор Иванович был разносторонней и увлекающейся натурой. Ценитель, знаток и коллекционер живописи и предметов старины, любитель природы и неутомимый путешественник, почитатель хорошей компании — он исповедовал кредо богато одаренных людей: работать, чтобы жить, и жить, чтобы работать. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 127 Биографические справки Борис Анатольевич Миронков (1933 – 2004) Крупный инженер-конструктор, кандидат технических наук (1966), лауреат Государственной премии (1986) и премии Совета Министров СССР (1980), специалист по разработке и проектированию новых типов пространственных конструкций, один из учеников и соратников академика А. П. Морозова. В 1951-1956 г. г. Б.А. Миронков — студент Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта им. В. Н. Образцова. Трудовую деятельность Б.А. Миронков начал в Ленинградском филиале Академии строительства и архитектуры в 1956 году. После создания в 1963 году Ленинградского зонального научно-исследовательского и проектного института типового и экспериментального проектирования жилых и общественных зданий (ЛенЗНИИЭПа) был назначен на должность Главного конструктора отдела пространственных конструкций, где и проработал до последних дней жизни. Он был одним из первых в СССР разработчиков конструкций из армоцемента. Под его руководством созданы водозащитные зонты из армоцементных элементов машинного изготовления для станций и эскалаторных ходов ленинградского метрополитена — «Рыбацкое», «Приморская», «Пионерская», «Удельная», «Черная речка». Эти разработки стали подлинным синтезом искусства и техники, архитектурного замысла и конструктивного воплощения. Выразительность интерьеров подобных сооружений несомненна, а возможности для создания разнообразных решений значительны. Б.А. Миронков принимал непосредственное участие в проектировании и возведении покрытий Дворца спорта «Юбилейный», легкоатлетического манежа ДСО «Зенит», крытого хоккейного стадиона СКА, кинотеатра «Буревестник», торгового центра в Омске, рынка в г. Сумы, крытых теннисных кортов в Минске и многих других объектов. Большой интерес представляют разработанные под руководством Бориса Анатольевича типовые покрытия для общественных зданий в виде складок, сводов, плит регулярной структуры из армоцемента и железобетона. Только в Псковской области было возведено более 900 универсальных зданий из армоцементных элементов (склады, производственные цеха и др.). Б.А.Миронков был заведующим базовой кафедрой железобетонных конструкций Ленинградского инженерно-строительного института при ЛенЗНИИЭПе. Он — автор многих научных трудов, изобретений, конкурсных проектов. В его многообразной творческой деятельности всегда присутсвовал сплав архитектуры и инженерного искусства. Круг интересов Б.А. Миронкова не ограничивался инженерной и научной деятельностью. Он был председателем секции Координационного совета по пространственным конструкциям Госгражданстроя по Средней Азии и Казахстану, членом секции кинокритики отделения Союза кинематографистов Петербурга, писал оригинальные статьи, увлекался коллекционированием марок. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки 128 Биографические справки Виктор Борисович Микулин (1937-2003) Кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, заслуженный строитель России, лауреат Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, ученик и соратник В.И. Трофимова. Родился в Москве. После окончания школы работал в проектном институте Моспроект, потом служил в армии картографом. С 1959 по 1964 год учился в МИСИ им. В.В. Куйбышева на факультете ПГС. Во время учебы принимал участие в студенческих научных конференциях. После окончания института был направлен на работу в отдел «Металлические конструкции» ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР, где и проработал до последнего дня своей трудовой деятельности. К моменту защиты кандидатской диссертации (1978 г.) у В.Б. Микулина был накоплен большой опыт разработки, исследований и внедрения в практику отечественного строительства новых типов большепролетных пространственных покрытий в виде цилиндрических мембран. Наиболее значимые объекты с их применением – это плавательный бассейн в Харькове и Дворец спорта во Фрунзе. Наиболее ярко его талант инженера–исследователя раскрылся в период подготовки и проведения Олимпиады-80 в Москве. Один из наиболее значимых спортивных объектов олимпиады – Дворец спорта в Измайлово был спроектирован и построен при непосредственном участии В.Б. Микулина. В покрытии этого здания впервые применены так называемые «лучевые» мембраны. В.Б. Микулиным разработаны и успешно применены новые методы изготовления и монтажа конструкций мембранных покрытий. В частности, монтаж цилиндрических покрытий плавательного бассейна и Дворца спорта производился из большеразмерных полотнищ, изготовленных на специализированных заводах (что обеспечивало контроль качества сварных швов), а для покрытия Дворца спорта «Измайлово» было предложено оригинальное решение – собирать покрытие на уровне земли и потом устанавливать в проектное положение. В.Б. Микулиным на основании собственного многолетнего опыта сформулирован принцип «мониторинга» уникальных объектов, т.е. научного сопровождения процесса строительства, начиная с самых первых стадий (проектирования, исследований и пр.), затем процесса монтажа и заканчивая контролем за поведением конструкций в период их эксплуатации. В последние годы жизни В.Б. Микулин принимал участие в проектировании, монтаже и мониторинге покрытия большой спортивной арены стадиона «Лужники». Уникальное по своим размерам покрытие (247,8х308,6 м) возводилось над существующей ареной, что, конечно же, привело к необходимости разработки нестандартных инженерных решений как по конструкции покрытия, так и по его устройству. Именно здесь отрабатывался предложенный Виктором Борисовичем процесс «мониторинга». Результаты исследований В.Б. Микулина нашли отражение в ряде монографий, нормативных документов и справочников («Большепролетные пространственные покрытия из тонколистового алюминия» (1975); «Мембранные конструкции зданий и сооружений: Справ. пособие (1990); «Легкие металлические конструкции зданий и сооружений» (2002) и др.). В.Б. Микулин был неординарной личностью. Он профессионально занимался спортивной рыбалкой, был заядлым охотником, собирал редкие книги, любил природу – отпуск проводил исключительно на рыбалке или охоте. Современные пространственные конструкции Синтез искусства, техники и науки Семенов Владимир Сергеевич СОВРЕМЕННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ: СИНТЕЗ ИСКУССТВА, ТЕХНИКИ И НАУКИ Учебное пособие Редактор Дизайн и верстка А. Кивачицкая, В.С. Семенов Подписано в печать Формат . Объем Печать офсетная. Бумага офсетная Тираж 300 экз. Заказ Издательство Кыргызско-российского славянского университета 720023, г. Бишкек, ул. Киевская, 64 Отпечатано в типографии «ДЭМИ» г. Бишкек, ул.
