Концепция развития пространственных конструкций

12.09.2020

В течение тысячелетий общее понятие «своды» связывалось с представлением о перекрытии архитектурных объемов строительными конструкциями криволинейной формы. Такие конструкции были единственной альтернативой, позволявшей обеспечить создание помещения оптимальных размеров для защиты людей от внешней среды. Необходимость создания монументальных центрических сооружений привела к созданию массивных несущих каменных конструкций купольной формы, выдающиеся образцы которых мы видим в Древнем Риме, Византии и на Востоке. В Самарканде при возведении ансамбля гробниц Шах-и-Зинда в X—XV вв. были построены уже многообразные формы каменных куполов, опирающихся на кубические объемы. Архитектурный эффект зданий, построенных в Бухаре, достигался за счет утилитарной конструктивной структуры серии куполов уже разных размеров, перекрывающих одно сооружение.

Получили также распространение цилиндрические своды. Крестообразное взаимное пересечение двух цилиндрических сводов при создании средневековых культовых сооружений в Европе обусловило формообразование крестовых сводов. В крестовых сводах, так же как и в других формах сводчатых конструкций, создавалась структура несущих ребер, воспринимающих и передающих нагрузку на опоры. Развитие этой структуры ребер привело к распространению ребристых звездчатых, сетчатых, сомкнутых, веерных сводов.

Ho уже архитектура раннего Возрождения в XV в. дала образец более совершенной большепролетной купольной формы собора Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции. Диаметр этого купола составлял 42 м, и для перекрытия столь большого пролета Филиппо Брунеллески после многочисленных исследований успешно применил составную конструкцию; ее нервюры создавали выразительный архитектурный образ.

Ta же тенденция сохранилась при развитии тонкостенных железобетонных куполов и оболочек в 20-х годах нашего столетия. При проектировании крытых рынков в Лейпциге и Франкфуртена-Майне Фр. Дишингер успешно применил концепцию увеличения перекрываемых пролетов за счет формообразования многоугольных куполов. Последние образовывались фрагментами пересекающихся цилиндрических сводов с устройством по линиям их пересечения жестких ребер-гуртов. Это были первые составные железобетонные оболочки.

В дальнейшем интенсивное развитие железобетонных пространственных конструкций происходило по пути естественного усложнения архитектурно-конструктивной формы.

Используя достижения в области развития индустриальных конструкций, специалисты предложили различные варианты конструирования новых железобетонных пространственных составных конструкций. Были разработаны методы конструирования и возведения, позволяющие расчленить оболочки и складки с криволинейной поверхностью на сборные элементы простой формы с достаточно элементарными конструкциями сопряжений.

Наряду с железобетонными получили развитие также своды и складки из армоцемента и стеклофибробетона — разновидностей железобетона, изготовляемых из песчаного бетона с дисперсным армированием при доведении минимальной толщины до 20...25 мм.

Вышесказанное относится главным образом к оболочкам, очерченным по единой геометрической поверхности, складкам и сводам, т. е. к традиционным конструктивным формам пространственных покрытий. Однако развитие вычислительной математики и численных методов строительной механики, в которых широко применяются ЭВМ, методов экспериментальных исследований, а также строительной техники, использующей новейшее крановое оборудование и современные методы монтажа, сделали возможным создание также и оболочек с произвольными, часто довольно сложными формами.

Чем же вызвано усложнение таких самих по себе непростых классов строительных конструкций? Главной причиной этого является увеличение и ужесточение градостроительных и функциональных требований к покрытиям большепролетных сооружений. Необходимость разнообразить архитектуру городской застройки, характер планов застраиваемых участков, требующий отступления от традиционной прямоугольной формы, условия устройства освещения, а также размещения инженерного оборудования, наконец, необходимость устройства большепролетного покрытия без промежуточных опор — все это потребовало проектировать здания с оболочками неординарных, оригинальных форм. Среди таких оболочек главную роль играют составные оболочки, т. е. оболочки, очерченные по пересекающимся геометрическим поверхностям.

В настоящем справочном издании составным оболочкам уделено значительное место. Показано, что такие оболочки образуются оболочками более низкого уровня — составляющими элементами, а последние собираются из отдельных унифицированных плит. При этом наибольшие пролеты могут достигать 150...180 м, наименьшие (для оболочек малых архитектурных форм) — всего лишь 9...12 м. Таким образом, область использования составных оболочек может быть весьма обширной — от небольших магазинов или кафе до спортивных комплексов универсального назначения.

Однако этим не исчерпываются возможности формообразования железобетонных пространственных конструкций. Принципы конструирования составных жестких оболочек распространены и на висячие покрытия, которые рассматриваются как результат преобразования составных куполообразных (жестких) оболочек. Изложенные принципы конструирования применяются и для формообразования составных складок и комбинированных систем различного вида. Общим для всех этих классов конструкций является использование составных поверхностей, полученных пересечением различными способами заданных форм — цилиндрических, конических, сферических и др.

В проектировании зданий и сооружений различного назначения получили развитие складчатые формы, представляющие собой сочетания плоских элементов, — складки, многогранные пространственные структуры, шатры. Эти конструктивные формы также могут быть включены в область составных пространственных конструкций. Для возведения этих конструкций используются железобетон, сталь, алюминий, стеклопластик.

Что касается использования железобетона, то при подготовке справочника предпочтение отдавалось использованию сборных тонкостенных стандартных элементов, хотя во многих случаях также рекомендуется применение монолитных железобетонных конструкций.

Таким образом, не следует считать, что составные пространственные конструкции могут выполняться только железобетонными. Благодаря работам Ф. Отто, Д.Т. Райта и других исследователей получили распространение металлические сетчатые составные оболочки различной формы, в частности, в виде сочетаний оболочек положительной гауссовой кривизны, в виде гиперболических параболоидов и др. Такие же примеры мы находим и при выполнении пространственных конструкций из древесины.

Мягкие пневматические оболочки из синтетической ткани во многих случаях выполняются составной формы. При конструировании воздухоопорных оболочек составные покрытия трактуются как комбинации состыкованных фрагментов оболочек вращения или переноса. Наиболее распространенные конструктивные схемы таких оболочек — цилиндрические своды со сферическими или цилиндрическими торцевыми завершениями. Стыкование таких форм представляет собой некоторое усложнение, однако разработаны рациональные конструкции стыков, которые получили применение.

Особо следует остановиться на характеристике составных вантовых и мембранных конструкций.

Перекрестные вантовые сети позволяют создавать произвольные формы, ограниченные только условиями закрепления контура. По линиям пересечения составляющих фрагментов, образованных перекрестными вантовыми сетями, чаще всего устанавливают «промежуточные» арки или дополнительные ванты (тросы жесткости), которые улучшают работу покрытия в целом, воспринимая вертикальные и горизонтальные составляющие усилий от примыкающих вант. При этом можно сформировать план сооружения, близкий к кругу, квадрату, шестиугольнику и т. д. Составные вантовые покрытия на квадратном плане могут быть образованы также и диагональными перекрещивающимися арками.

Тонколистовые мембранные покрытия в ряде случаев также компонуют из отдельных составляющих стальных мембран, например, в виде гиперболических параболоидов, которые сопрягаются друг с другом. Предлагаются конструктивные решения сопряженных мембранных оболочек многоволнового типа из составляющих элементов в виде гиперболических параболоидов. Предлагаются также комбинации сопряженных цилиндрических мембран на прямоугольном плане.

Следуя тенденции оптимизации, все большее применение находят комбинированные пространственные конструкции, представляющие собой комбинации конструктивных элементов из разных материалов. К таким конструкциям можно отнести железобетонные оболочки положительной гауссовой кривизны в сочетании со стальными диафрагмами, сборные армоцементные структуры со стальными шпренгелями, составные железобетонные оболочки и складки в комбинациях с вантами и стальными шпренгелями, стальные тонколистовые мембраны с подкрепляющими вантами, металлодеревянные конструкции, оболочки из синтетических материалов, подкрепленные вантовыми сетями, тентовые конструкции со стальными оттяжками и опорными элементами.

Следует отметить, что указанные выше тенденции не исключают применения более простых форм, прежде всего оболочек положительной гауссовой кривизны, индустриальных стальных структур, куполов, цилиндрических оболочек.

Идеи формообразования пространственных конструкций на основе «сшивания» элементов разнотипных поверхностей неизбежно приводят к необходимости построения модели этого процесса. Такая модель разработана созданием общей системы типов пространственных конструкций.

В заключение отметим, что применение эффективных пространственных конструкций в проектировании представляет собой реализацию широких возможностей формообразования сооружений на современном научно-техническом уровне.

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