Развитие пространственных конструкций. Области применения

09.09.2020

В течение столетий при строительстве зданий и сооружений человек возводил массивные структурные элементы, работающие на сжатие. Для перекрытия зданий, как правило, общественного назначения применялись своды или купола также массивной конструкции из камня, кирпича или бетона — материалов, могущих воспринимать в основном сжимающие усилия. С появлением в начале XX в. железобетона, способного принимать любые формы и сопротивляться сжатию, растяжению и изгибу, стали создавать такие строительные конструкции, в которых использовались качества нового материала, на свойства которого можно оказывать влияние.

Такими конструкциями явились оболочки. В то время как сводчатые конструкции воспринимали в основном сжимающие напряжения, в оболочках под действием нагрузки возникало сложное напряженно-деформированное состояние. В. Хенн в 1930 г. охарактеризовал оболочки как трехмерные несущие конструкции, отличающиеся пространственной работой и состоящие из поверхностей одинарной или двоякой кривизны. Ф. Дишингер в 40-х годах в определении оболочек покрытий зданий учитывал уже как один из критериев понятие толщины. По его определению под оболочкой понимается структура, форма которой представляет собой поверхность одинарной или двоякой кривизны, а толщина очень мала по сравнению с размерами самой поверхности. Ф. Ангерер отмечал, что основное отличие оболочек от сводов состоит в том, что в них возникают и растягивающие, и сжимающие усилия.

Интенсивное развитие железобетонных оболочек в 30—50-х годах привело к тому, что сами понятия «пространственные конструкции», «пространственная работа» связывались прежде всего с оболочками.

Однако пространственные конструкции существовали и до появления тонкостенных железобетонных оболочек. Прежде всего это металлические стержневые купола и своды. Применение металла (сначала железа, а потом стали) в качестве строительного материала для стержневых систем позволило не только усовершенствовать конструкции двускатных строительных ферм. Еще в XIX в. применялись легкие стержневые структуры для устройства сводов и куполов, заменяя ими традиционные массивные каменные конструкции.

Такое развитие строительных конструкций соответствовало совершенствованию графических и аналитических методов строительной механики. Появились цилиндрические сетчатые своды, купола Шведлера, а в дальнейшем — различные варианты стальных радиально-кольцевых куполов.

С изобретением в 1834 г. проволочного троса появился новый конструктивный элемент с замечательными свойствами — высокой прочностью при малой массе, гибкостью, долговечностью. Работающие на растяжение конструкции, такие, как тросы, вантовые системы, шатры, тенты и оболочки-мембраны, относятся к числу наиболее эффективных видов строительных конструкций. Впервые вантовые покрытия появились в конце прошлого века (работы В.Г Шухова). Однако проволочные тросы первоначально массовое применение получили в качестве несущих элементов мостов, а уже в дальнейшем — для большепролетных висячих и вантовых покрытий. В последних функции несущих элементов выполняют тросы, а ограждающих — конструкции заполнения (кровли).

Одновременно интенсивно развивалось формообразование оболочек. Если в первых оболочках были использованы простые геометрические формы — цилиндр и сфера, то в дальнейшем было изобретено большое число конструктивных форм из железобетона в соответствии с требованиями архитектурно-строительного и технологического проектирования. Наконец, получили развитие оболочки и своды из разновидностей железобетона — армоцемента и фибробетона. Усложнение конструктивных форм оболочек и вантовых покрытий стало возможным вследствие развития численных методов строительной механики, прежде всего метода конечных элементов, использующего эффективные алгоритмы с их реализацией на электронно-вычислительных машинах. Разумеется, усложнение и многообразие форм пространственных конструкций стало возможным вследствие развития строительной индустрии, методов возведения из сборных элементов, применения мощного кранового оборудования.

Наряду с железобетонными оболочками применялись также складки — тонкостенные конструкции, составленные из плоских дисков и соединенных под углом друг к другу.

В 60—70-х годах получили дальнейшее развитие стальные стержневые пространственные конструкции — структуры, которые в некоторой степени аналогичны массивным (сплошным) конструкциям — плитам, плоским дискам. С другой стороны, эти конструкции представляют собой развитие плоских стержневых (решетчатых) конструкций, в структурах используют возможности применения эффективных профилей стали, например труб и высокомеханизированного производства деталей.

Принцип стержневой пространственной конструкции известен с древнейших времен; он использован в постройках средневековья, а в наше время — в конструкциях подъемных кранов, самолетов и т. д. Стержневые пространственные конструкции, узлы которых лежат на некоторой поверхности одинарной или двоякой кривизны, образуют сетчатые оболочки.

Развитие синтетических материалов позволило создать группу мягких оболочек (пневматические и тентовые конструкции), а также их комбинации с тросовыми сетками. Тросовые сетки можно представить как перфорированные мембраны, хотя они и отличаются по характеру работы от сплошных мягких оболочек. Промежуточное положение занимают ткани с пленочными покрытиями и армированные пленки, представляющие собой сочетание мягкой пленочной оболочки с армирующими волокнами.

Мягкие оболочки могут иметь любую форму. Их отличительной особенностью является способность воспринимать только растягивающие усилия. Из числа типов мягких оболочек наиболее распространены пневматические конструкции — замкнутые мягкие оболочки, стабилизированные избыточным давлением воздуха.

Развитие легких экономичных конструкций сопровождается увеличением роли пластмасс, которая еще более возрастает в будущем. В настоящее время пластмассы не получили еще широкого применения, однако в перспективе будут созданы как цельнопластмассовые несущие конструкции, так и конструкции из других материалов в сочетании с пластмассами. Наиболее широко применяются в конструкциях стеклопластики, главным образом, на основе полиэфирных, эпоксидных и фенольных смол. Их существенный недостаток — относительно низкий модуль упругости, следствием чего являются значительные деформации, которые необходимо учитывать, в частности, и в растянутых элементах конструкций. При постоянной нагрузке в материале развиваются деформации ползучести; постепенно под нагрузкой снижается и прочность материала, что учитывают при назначении допустимых напряжений для стеклопластиков.

Примерами применения пластмасс являются световые купола, трехслойные конструкции, оболочки из жестких пенопластов.

Строительство монолитных железобетонных оболочек, как известно, требует во многих случаях сложной по форме деревянной опалубки. Совершенствование методов изготовления деревянных конструкций, а также развитие индустриального производства клееных элементов из древесины способствовали выпуску деревянных оболочек покрытия. Интенсивное строительство деревянных оболочек началось сравнительно недавно, в 50-х годах, и было обусловлено их экономичностью. Существенно то, что свойства древесины наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к материалу для оболочек,— это малая собственная масса, необходимая прочность при сжатии и растяжении, хорошие теплоизолирующие свойства, легкость обработки механизированными способами, возможность использования простейших конструкций соединений.

Из числа типов деревянных оболочек наиболее распространены конструкции в виде гиперболических параболоидов, коноиды, купола.

В табл. 1.1.1 показаны возможности выполнения классов пространственных конструкций из различных материалов. Из таблицы видно, что универсальными в отношении использования строительных материалов являются оболочки и вантовые покрытия, так как они могут быть выполнены из всех видов строительных материалов.

В табл. 1.1.2 показаны возможности применения классов пространственных конструкций по пролетам. Наиболее ограниченную область применения, причем для относительно небольших пролетов, имеют цилиндрические оболочки, а также предварительно напряженные железобетонные складки. Область применения куполов охватывает как средние, так и большие пролеты. Оболочки в виде гиперболических параболоидов более характерны для средних пролетов. Пневматические оболочки (купола) рекомендуется применять для небольших и средних пролетов, вантовые покрытия — для зданий и сооружений больших пролетов.


В табл. 1.1.3 показаны возможности применения классов пространственных конструкций в объемно-планировочных решениях различного типа: сблокированных зданиях с прямоугольной сеткой колонн, с квадратной сеткой колонн, для которой характерны технологические потоки в двух направлениях, и зданиях с круглым планом. Из данных таблицы следует, что железобетонные оболочки положительной гауссовой кривизны, включая купола, и стальные структуры имеют самую широкую и универсальную область применения. Стальные купола рекомендуется применять в тех случаях, когда требуются большие пролеты. Ограниченная область применения вантовых покрытий для производственных зданий и сооружений связана с особенностями эксплуатации этих видов зданий и пока небольшим опытом применения их в промышленности.





Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна