Большепролетные несущие конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Большепролетные несущие конструкции

1. Истрия большепролетных конструкций

Большепролетные конструкции покрытий появились в древние времена. Это были каменные купола и своды, деревянные стропила. Так, например, каменное купольное покрытие Пантеона в Риме имело диаметр около 44 м, купол мечети Айя - София в Стамбуле - 32 м, купол Флорентийского собора - 42 м, купол здания Сената в Кремле - 22,5 м. Строительная техника того времени не позволяла строить в камне легкие сооружения. Поэтому большепролетные каменные сооружения отличались большой массивностью, а сами сооружения возводились в течение многих десятилетий.

Пантеон является наиболее совершенным из всех древнеримских памятников. Он представляет собой огромную круглую постройку с величественным куполом. Портик имеет шестнадцать монолитных гранитных колонн с коринфскими капителями. Грандиозен оригинальный интерьер Пантеона: по окружности расположены ниши прямоугольной и полукруглой формы; огромный торжественный купол диаметром 43,2 метра с кессонным оформлением освещается через центральное отвестие.

С точки зрения архитектурных решений Пантеон является единственным в мире монументальным сооружением, в котором естественно и гармонично сочетается величественность конструкции с легкостью и изяществом линий.

Первое языческое святилище было возведено на этом месте в 27 году до н.э. Само слово Пантеон греческое, оно означает буквально «храм всем богам», однако этот храм посвящен отнюдь не всем, а только семи небесным богам, для статуй которых сделано семь ниш внутри здания. В начале новой эры Пантеон пострадал от пожаров и от удара молнии настолько, что император Адриан в 118-128 годах н.э. затеял его полную перестройку.

От прежнего Пантеона были взяты гранитные коринфские колонны для пронаоса, и к ним добавили огромный круглый зал, перекрытый грандиозным куполом. Адриану было необходимо через этот храм явить всему миру незыблемость целой империи. И поставленная задача была выполнена блестяще, находясь под куполом Пантеона легко ощутить себя в центре вселенной.

Идея императора мастерски воплощена архитектором посредством огромного купола, который смело устремляется ввысь к круглому отверстию - «Оку Пантеона», открывающемуся на вершине свода. Этот крупнейший купол античности не смогли превзойти ни Византия, ни средневековье, ни эпоха Возрождения. Авторы Пантеона унесли секрет его создания с собой в могилы, и еще многие века над решением подобной задачи бились лучшие зодчие всех времен и народов. Точная полусфера Пантеона была дерзновенной инженерной конструкцией и в то же время чистой, классически ясной архитектурной формой. Внутренняя бетонная поверхность огромной опрокинутой чаши украшена 140 кессонами. Эти резные углубления, кроме декоративного, имели еще и конструктивное значение, т.к. они в немалой степени уменьшали вес свода. Подсчитано, что бетонная масса купола составляет 5000 тонн. Но по мере того, как увеличивается высота свода, уменьшается его бетонная масса, если в основании слой бетона достигает б м, то у круглого окна его толщина составляет всего 1,5 м.

Единственным световым проемом является широкое круглое отверстие в верхней точке сооружения, через него в помещение попадают солнечные лучи - единственный источник освещения. В зависимости от времени суток круг света скользит по мраморным плитам и колоннам, на несколько мгновений выхватывая из таинственного полумрака затейливые детали интерьера. Несмотря на значительные размеры этого «небесного окна» сюда почти не попадает дождь. Этот необычный эффект объясняется отнюдь не аномальным явлением, а правильными инженерными расчетами. «Око Пантеона» выполняет роль естественной вентиляционной отдушины, потоки нагретого воздуха устремляются ввысь, препятствуя каплям дождя.

Храм Святой Софии в Константинополе - выдающийся памятник архитектуры. Первый храм типа базилики во имя Св. Софии заложил основатель города император Константин I Великий в 326 г. на южном берегу. Поврежденную при пожаре 404 г. базилику восстановили к 415 г. Археологические изыскания позволяют заключить, что константинопольская София представляла собой типичную раннехристианскую базилику значительных размеров с атриумом, окруженным колоннадой. В 532 г. во время восстания «Ника» храм пострадал от пожара, его убранство было утрачено, и император Юстиниан I Великий решил построить новый, еще более грандиозный собор и даже превзойти размерами и красотой храм Соломона в Иерусалиме. Существует легенда, что план нового храма был явлен императору во сне Ангелом.

Среди первых строителей - магистров упомянуты Бандури и Игнатий. Вероятно, на втором этапе строительства император привлек зодчих Анфимия из Тралл и Исидора из Милета. Оба города находятся в Малой Азии, которая и в Средневековье считалась родиной строительных достижений. Анфимий назван в письменных источниках механиком и математиком, а Исидор - его помощником. Известно также о написанных ими математических трактатах. Согласно преданию, «мудрые мастера» начертили на земле квадрат со стороной 31,5 м. На углах квадрата возвели четыре массивных пилона, на которые через посредство подпружных арок и четырех парусов опирается огромный купол. Композиция храма Св. Софии основана на прямоугольнике наружных стен, площадь которого разделена четырьмя опорными столбами. Внутреннее пространство храма образовано тремя нефами, но главный неф доминирует. В то же время план тяготеет к центрическому пространству. Дабы погасить боковой распор купола на несущие опоры, Анфимий и Исидор пристроили к центральному подкупольному квадрату с восточной и западной сторон два полуцилиндрических объема - апсиды, перекрытые конхами, которые, в свою очередь, передают нагрузку на связанную систему дополнительных полукуполов. Роль контрфорсов выполняют обходные галереи и наружные опоры. Массив здания оказался заключенным в квадрат, а с запада к нему, по эллинистическому обычаю, примыкал большой атриум. Таким образом, Софийский храм отражает переходный период: он соединяет базилику и черты новой, центрической, крестово-купольной схемы. Диаметр купола Св. Софии меньше купола Пантеона в Риме. Купол сложен из специально изготовленных керамических остродонных сосудов, вставляющихся один в другой. Эта конструкция прочна, тем не менее купол трижды рушился от землетрясений, и каждый раз его восстанавливали по прежней технологии. Стены необычайно тонки, поскольку давление передается на пилоны, они сложены из большемерных кирпичей с широкими слоями цемянки. Пилоны укреплены металлическими скобами. В отличие от римского Пантеона вес купола Св. Софии не распределяется равномерно на массивные стены, а концентрируется в угловых опорах. Благодаря этому стал возможен эффектный прием: основание купола прорезано тесно поставленными оконными проемами, свет, льющийся в окна, зрительно скрадывает узкие простенки, и кажется, будто купол парит в воздухе. Отсюда возникла красивая восточная поэтическая метафора: купол Св. Софии подвешен на золотой цепи к небу. Внутри храм поражал роскошью. Из Эфеса и Рима привезли колонны, выполненные из зеленого мрамора. Двухъярусная колоннада, колонны которой имеют разную высоту и украшены резными капителями, отделяет средокрестие от обширных пространств боковых апсид. Арки опираются непосредственно на капители колонн - этот восточный прием в Риме не применяли. Стены покрывали мраморная облицовка, позолота и мозаики, в центральной апсиде находились витражи. После захвата Константинополя турками в 1453 г. и падения Византийской империи город переименовали в Стамбул, храм стал мечетью Айя-София, к нему пристроили четыре минарета, мозаики закрасили, и вместо них появились арабские надписи - строки из Корана.

Собор Санта Мария дель Фьоре был заложен в 1296 г. Проект нового собора был весьма дорогостоящим, но все же городские власти и процветающие гильдии суконщиков и ткачей решили взять на себя расходы, но строительство оказалось не только дорогим, но и очень долгим.

Строительство Собора поручили Арнольфо ди Камбио, крупнейшему тосканскому архитектору рубежа XIII-XIV столетий. Смелые новшества ввел Арнольфо в проект собор, используя в своем проекте элементы как норманнской, так и готической архитектуры.

Первыми были построены широкий центральный неф, боковые нефы и восьмиугольный барабан в восточной части собора. Но в 1302 году Арнольфо ди Камбио скончался. После смерти главного архитектора работы были приостановлены почти на тридцать лет. Строительство возобновилось лишь в 1334 году с назначением на должность главного архитектора собора великого флорентийского художника Проторенессанса Джотто ди Бондоне. Но Джотто сосредоточил все свои силы на колокольне - кампанилле. Он скончался в 1337 году, так и не завершив строительство колокольни, вошедшей в историю под названием Кампанила Джотто, она была окончательно завершена около 1359 года одним из крупнейших флорентийских архитекторов XIV века Франческо Таленти. Вновь возобновленное в 1355 году строительство сбора за десять лет позволило дорасти зданию до сводов. Вскоре главный архитектор снова сменился, и собор более чем через сто лет с момента основания был почти достроен.

Когда дело дошло до самой сложной части строительства - купола, венчающего восьмигранник, выяснились ошибки в расчетах, ведь разные части здания возводились в разное время разными поколениями мастеров. Предлагалось частично разобрать старое здание и построить заново, собирались компетентыне комиссии, был проведен референдум, в котором мог принять участие каждый флорнетиец. Положение осложнялось еще и тем, что городские власти отказались финансировать возведение деревянных лесов и подмостков для работы строителей. Задача разрешилась только мастером Возрождения Филиппо Брунеллески, новатором, в лице которого гармонично сочетались архитектор, инженер, художник, ученый-теоретик, изобретатель и ювелир.

Брунеллески в этом случае имел дело с готовым проектом, и его задача сводилась к тому, чтобы осуществить задуманный Арнольфо ди Камбио купол, развитый и уточненный в модели 1368 года, которая была выполнена комиссией при участии зодчих, каменщиков, ювелиров и живописцев. Это, строго говоря, был готический купол, но претворить его в реальность можно было лишь с помощью ряда коррективов чисто технического порядка, предложенных Брунеллески. Он выступил в этом строительстве скорее как инженер, а не как архитектор. Без его технических находок возведение купола было бы вообще невозможно, и современники мастера прекрасно это понимали и рассматривали его как автора купола, хотя проект восходил к модели XIV века. Филиппо Брунеллески предложил комиссии идею в целях экономии материалов возводить купол без строительных лесов. Конструкция представляла собой легкий пустотелый купол с двойной оболочкой, и каркасом из 8 основных ребер и 16 вспомогательных, опоясанных кольцами. Брунеллески удалось убедить коллег в верности своих расчетов, хотя деталей своего замысла мастер не раскрывал вплоть до его полного воплощения.

В предложенной Брунеллески модели купол должен быть не сферическим, иначе верхняя часть такого купола обвалится, а стрельчатым, вытянутым вверх и ребристым. Восемь ребер купола должны принять на себя основную нагрузку. Между ними Брунеллески расположил 16 вспомогательных ребер, сходщихся наверху. Главные ребра должны поддерживать не одну, а две оболочки купола. На уровне перегиба ребра связаны «цепями» из массивных деревянных брусьев, соединенных железными скрепами. Позднее был добавлен световой беломраморный фонарь, который и сделал этот собор самым высоким в городе. Это до сих пор самая высокая постройка во Флоренции, спроектированная таким образом, чтобы внутри могло поместиться все население города.

Купол был построен в 1446 году. Его диаметр составляет 42 метра, высота 91 м от пола собора, световой фонарь высотой 16 м. Купол весит без тяжелого мраморного фонаря около девяти тысяч тонн.

Купол Санта-Мария дель Фьоре стал одним из первых шагов перехода от архитектуры Средневековья к архитектуре Ренессанса. Силуэт купола изменил панораму города, придал ей новые, ренессансные очертания. И хотя купол собора не сферический и он, в строгом смысле слова, даже не является куполом, а представляет собой шатер, в документах, в разного рода письменных источниках начиная с 1417 года флорентинцы упорно именуют его куполом. Брунеллески старался придать ему возможно более выпуклые, круглые очертания: восьмигранный шатер вошел в историю архитектуры как первый ренессансный купол, ставший символом не только ренессансной Флоренции, но и всех тосканских земель. Загадка сооружения этого грандиозного купола не разгадана до сих пор. Разумеется, Брунеллески гениально нашел правильный изгиб ребер - дуга в 60 градусов обладает наибольшей прочностью. Вторая техническая находка - способ кладки, когда кирпичи располагаются не горизонтально, а с наклоном внутрь, при этом центр тяжести свода оказывается внутри купола - своды росли равномерно и равновесие не нарушалось. Кроме того - в каждой лопасти свода ряды кирпичей образуют не прямую, а слегка вогнутую, провисающую линию, не дающую разломов. Кирпич для строительства купола использовали очень высокого качества.

Купол облицован кирпично-красными изразцами, контрастирующими с зеленым, красным и белым цветом облицованных мрамором стен. Белые ребра нервюр на фоне ярко-красной черепицы зрительно облегчают каменную массу огромного купола; он не давит на здание, а как бы парит в воздухе, словно бутон волшебного цветка с ещё не распустившимися лепестками. Вся эта громоздкая конструкция купола диаметром около 43 метров завершалась крошечной беломраморной ротондой фонаря со шпилем и медным шаром, которые придают флорентийскому куполу отличную от античных купольных сооружений, заостренную кверху, напоминающую о готике форму.

Внимание строителей собора было сосредочено прежде всего на внешнем виде купола, который изменил панораму города. Причем, в внутреннем интерьере храма купол почти не существует, так мастерски он скрыт во мраке величественной трехнефной базилики, залитой светом. И другие купола в постройках Брунеллески, вопреки традиции, господствующей веками, они не символизируют небесный шатер, а скрыты искусной моделировкой освещения, и скорее обозначают туннель к свету, уходящий в высоту. Брунеллески не продолжил старое строительство, а надстроил над ним ренессансную архитектуру, расположенную выше уровня средневековых построек - он надстроил над моделью средневекового города новую модель города ренессансного.

Здание Сената является крупнейшим произведением Казакова. Его сооружение определялось назревшей необходимостью размещения главных правительственных учреждений. Эта задача мыслилась архитектором в плане общих представлений того времени о «гражданственных» идеалах искусства, воплощения которых искали в классических формах искусства античности. Поэтому ведущим мотивом архитектурно - художественной композиции становятся формы античных ордеров, арки, свода, купола, творчески переработанные архитектором в духе дальнейшего преемственного развития архитектуры ансамбля Кремля.

План здания имеет форму треугольника с внутренним двором, разделенным поперечными корпусами на три части. Центром композиции является круглый купольный зал. Все помещения Сената хорошо связаны друг с другом сквозными коридорами, идущими по периметру дворов. Общая конфигурация плана была вызвана формой участка, ограниченного кремлевской стеной, бывшим Чудовым монастырем и зданием Арсенала. В уелом композиция сооружения представляет собой систему простых объемов с четким соподчинением частей, распределенных в строгом соответствии с их практическим назначением. При строительстве величественного и монументального здания Сената со строгим и сдержанным расчленением фасадов Казаков нашел меру органической связи нового сооружения с древними зданиями Кремля. Купол круглого зала архитектор поместил по оси Сенатской башни, фиксирующей середину кремлевской стены между Спасскими и Никольскими воротами. Таким образом, положение купола в композиции Сената создавало вторую, поперечную, архитектурную ось Красной площади. Здесь Казаков руководствовался задачей вклучения Сената в ансамбль главной площади Москвы. Включение купольной ротонды в ансамбль главной площади Москвы. Включение купольной ротонды в ансамбль Красной площади было одним из основных элементов композиционного замысла Казакова, имевшим глубокий градостроительный смысл. Классическая форма купола сенатского здания в центре древнего ансамбля Красной площади по-новому организовала этот ансамбль. Этим приемом Казаков усилил архитектурную выразительность Красной площади как главной парадной площади города.

Протяжные фасады Сената, имеющие вертикальные членения, объединены охватывающим все здание мощным карнизом, богатая декорировка которого придает строгой внешности здания черты торжественной парадности. Казаков применил в сенате сочетание двух равновеликих ордеров: дорического - в главных членениях всего фасада и ионического - в портике. Основным организующим элементом фасада служит ритм пилястр и лопаток, поставленных на высокий пъедестал, охватывающий цокольный и первый этажи здания. Прием обработки фасадов плоскими лопаткими характерен для того времени. Этим приемом архитекторы достигали в облике здания выражение строгой сдержанности и лаконизма и в то же время вносили в обработку фасадов ритмический элемент, подчеркивая этим ордерный архитектурный строй фасада. Центр главного фасада с Сенатской площади построен в виде триумфальной арки с ионическим четырехколонным портиком и фронтоном, обрамляющей проезд во внутренний двор здания. Он подчеркнут также куполом овального зала, расположенного над въездной аркой раскрывающей перспективу на композиционный центр сооружения - купольный зал Сената, отодвинутый в глубину парадного пятиугольного двора. Ротонда зала, оформленная снаружи монументальной дорической колоннадой и поставленная на цоколе, равном по высоте первому этажу здания, возвышается над всем сооружением и является центральным узлом всей планировочной композиции.

Зал окружен эффектной колоннадой коринфского ордера; над колоннадой устроена обходная галерея, выше которой поднимается купол. Внутри поверхность купола украшена кессонами и лепными розетками. Огромный зал освещается тремя ярусами окон, выходящих на центральный внутренний двор здания. Зал украшен выполненными по рисункам Казакова многочисленными барельефами, аллегорически изображающими события современности, с надписями, объясняющими смысл сюжета. Эти надписи, восхваляли Екатерину II, вместе с тем прославляли законность, правосудие, просвещение - чаяния и идеалы передовых людей того времени. Большой круглый зал Сената - лучший парадный зал Москвы того времени как по торжественности архитектурного образа, так и по смелости конструктивного решения. Его архитектура явилась в России высоким примером построения монументальной композиции круглого купольного зала-ротонды и классическим образцом в дальнейшем строительстве парадных залов монументальных зданий гражданского и культового зодчества.

Деревянные строительные конструкции были дешевле и проще в возведении, чем каменные, давали возможность перекрывать также большие пролеты. Примером могут служить деревянные конструкции покрытия здания бывшего Манежа в Москве, пролетом 30 м.

Развитие черной металлургии в XVIII-XIX вв. дало строителям материалы более прочные, чем камень, дерево - чугун и сталь. Во второй половине XIX в. большепролетные металлические конструкции получают широкое применение.

В конце XVIII в. появился новый материал для большепролетных зданий - железобетон. Совершенствование железобетонных конструкций в XX в. привело к появлению тонкостенных пространственных конструкций: оболочек, складок, куполов. Появилась теория расчета и конструирования тонкостенных покрытий, в которой приняли участие и отечественные ученые. Во второй половине XX в. широко применяются висячие покрытия, а также пневматические и стержневые системы. Применение большепролетных конструкций дает возможность максимально использовать несущие качества материала и получить за счет этого легкие и экономичные покрытия. Уменьшение массы конструкций и сооружений является одной из основных тенденций в строительстве. Уменьшение массы означает уменьшение объема материала, его добычи, переработки, транспортировки и монтажа. Поэтому вполне естественен интерес, который возникает у строителей и архитекторов к новым формам конструкций, что дает особенно большой эффект в покрытиях.

большепролетный несущий конструкция арочный

2. Формы и материалы большепролетных конструкций

Среди общественных зданий различного назначения можно выделить группу таких, в которых имеется большой зал, являющийся композиционным и функциональным ядром всего сооружения, имеющий свободную от промежу - точных опор площадь и перекрываемый конструкцией большого пролета. Такие здания отличаются исключительным разнообразием размеров и форм, к ним относятся крытые рынки, выставочные павильоны, различного рода зрительные и спортивные залы и др.

Выбор системы покрытия больших залов является одним из важнейших вопросов проектирования общественных зданий. Современная строительная наука дает возможность перекрывать помещения любых размеров металлическими, железобетонными, деревянными конструкциями. Несущие конструкции покрытий больших пролетов в зависимости от их конструктивной схемы и статической работы можно подразделить на три группы:

1) конструкции, работающие в одной плоскости;

2) конструкции, работающие в двух плоскостях;

3) пространственные системы, при расчете которых учитывают усилия в трех плоскостях.

К несущим конструкциям покрытий, работающим в одной плоскости, от носятся балки, фермы, рамы и арки.

Балочные системы больших пролетов в залах общественного назначения применяют сравнительно редко, главным образом, в случаях необходимости создания покрытий небольшой строительной высоты. Сечение балок обычно применяют двутавровое. По архитектурным требованиям нежелательно оставлять в интерьере балки открытыми, поэтому чаще всего на нижнюю полку двутавров укладывают плиты, чтобы создать гладкий потолок.

В качестве несущих элементов покрытий зальных помещений часто применяют различного рода сквозные фермы, решетчатые же рамы могут применяться в пролетах до 150 м.

Рамные конструкции могут иметь разнообразные формы с прямыми, ломанными и криволинейными очертаниями, что в ряде случаев позволяет получить определенный архитектурный эффект. Они допускают устройство крупных нависающих консолей, например, на железнодорожных перронах, посадочных площадках аэровокзалов, над трибунами стадионов, входами в крупные общественные здания.

Арочные покрытия перекрывают пролеты 100 м и более. Высокие архитектурные качества арочных конструкций позволяют во многих случаях получить выразительные интерьеры крупных стальных элементов

Арочная конструкция представляет собой брус криволинейного очертания. Кривизна арки обеспечивает возможность ее статической работы преимущественно на осевые усилия, но вызывает не только вертикальные, но и горизонтальные реакции опор, так называемый распор.

Арки могут быть деревянными, металлическими и железобетонными, сплошного или решетчатого сечения. При малых пролетах деревянные и железобетонные арки имеют прямоугольное сечение, а металлические - двутавровое. При пролетах от 30 до 50 м независимо от материала - двутавровое, а при пролетах более 50 м - решетчатое. Подъем арок обычно составляет от ј до 16 … 150 … 150 … 130 … 12 … 14 … 130 … 125 … 115 … 120 … 116-1l = ¹₂₅. В одноэтажных промышленных зданиях это позволяет значительно уменьшить объем здания и связанные с ним эксплуатационные расходы.

Как конструкции большепролетного назначения структурные плиты целесообразно применять с укрупненной сеткой колонн, переход к которой в большинстве случаев прогрессивен. Преимущества таких схем известны - свободная планировка, гибкость при изменении технологии, а также экономия площади.

Проблема подвесного транспорта при структурах решается намного проще, чем в обычных покрытиях. Частая сетка узлов допускает подвеску путей кранов, тельферов и конвейеров с минимальными дополнительными затратами в любой зоне конструкции.

Сокращение пролета между несущими элементами с 6 или 12 м до 2 - 3 м в структурах создает условия для применения беспрогонных решений кровли.

Формирование структур на строительной площадке в большинстве случаев осуществляется из отдельных отправочных марок заводского изготовления. При этом в практике строительства нашли применение следующие способы формирования конструктивной схемы: из стержней размером на одну ячейку; из коротко размерных элементов решетки и длинно размерных поясов; из плоскостных ферм; из пространственных стержневых пирамид и доборных линейных элементов.

В табл. 1 приводятся стержневые схемы структурных плит.

Таблица 1

Структура может быть применена на различных современных объектах промышленного и гражданского строительства, проектируемых с использованием как простых, так и сложных объемно-композиционных структур

Вантовые конструкции

Вантовые висячие покрытия образуются системой гибких или жестких нитей, опорным контуром или системой опор и ограждением. Наиболее рационально устройство для висячих вантовых покрытий внешне безраспорных замкнутых опорных контуров. В этом случае силы натяжения воспринимаются в уровне закрепления в контуре растянутых несущих вант. Возможны и другие способы передачи усилий от вант - на мощные железобетонные пилоны, на конструкции трибун или примыкающих объемов.

Висячие покрытия с гибкими вантами требуют дополнительных мероприятий по их стабилизации и повышению жесткости. Для их применения создают специальную форму покрытия, обычно седловидную, или пригружают покрытие, или вводят в него дополнительные достаточно жесткие конструкции. Седловидная форма покрытия достигается применением двух типов нитей - несущих и напрягающих, имеющих кривизны разных знаков. Напрягающие ванты создают дополнительные напряжения в несущих вантах, которые благодаря этому становятся менее чувствительными к неравномерным и ветровым нагрузкам.

Применение вместо гибких тросов жестких вант из прокатных профилей, обладающих значительной изгибной жесткостью, позволяет не проводить специальных мероприятий по стабилизации покрытий. Ограждением покрытий могут служить утепленные плиты на металлическом или деревянном каркасе, тенты или железобетонные плиты, в последнем случае замоноличивание швов между плитами позволяет создать жесткие висячие железобетонные оболочки, хорошо сопротивляющиеся ветровым и неравномерным нагрузкам.

В отличие от ранее известных конструктивных схем вантовых покрытий несущий и стабилизирующий тросы ферм крепятся к наружным колоннам здания в разных уровнях, что позволило значительно уменьшить строительную высоту покрытия. Колонны передают усилия от тросов на сборно-монолитное опорное кольцо. После предварительного напряжения тросов система вантовых ферм может воспринимать все нагрузки на покрытие. Поэтому ограждающими конструкциями покрытия являются легкие металлические утепленные панели с ребрами из гибких профилей.

Спортивное здание в Вашингтоне имеет в плане форму круга диаметром 122 м. Несущей конструкцией покрытия служит гиперболическая вантовая сетка из тросов, закрепленных в железобетонное опорное кольцо сечением 183 х 122 см. Кольцо опирается на 40 железобетонных колонн высотой от 9,1 до 27,8 м, расположенных по контуру здания с шагом 9,1 м. Вантовая сетка состоит из 14 несущих двухпоясных тросов диаметрами 63 и 82 мм и 12 напрягающих тросов диаметром 82 мм. По напрягающим вантам и нижнему поясу несущих вант уложены панели с обшивками из профнастила.

В Катовице спортивно-зрелищный комплекс построен в форме обратного усеченного конуса с диаметром в основании 82 м и в покрытии 126 м. Основу покрытия образуют 120 радиально расположенных вантовых ферм высотой 4 м. Фермы крепятся к стальному наружному кольцу и центральному кольцу диаметром 32 м.

Покрытие стадиона размерами 134 х 125 м в Калгари представляет собой висячую железобетонную оболочку.

Стадион Калгари

Оболочка образована стальной вантовой сеткой из несущих и напрягающих тросов, расположенных с шагом 6 м. По тросам уложены сборные железобетонные плиты размером 5 х 5 м. Участки между плитами шириной 1 м замоноличены слоем бетона, что в итоге и создает покрытие в виде оболочки. Тросы оболочки заанкерены в криволинейный опорный контур коробчатого сечения высотой 1,5 м и шириной 4,3 м. Контур опирается на 28 разновысоких пилонов высотой до 28 м и две рамные опоры.

Тентовые покрытия образуются обычно по вантам, натягиваемым между жесткими конструкциями в виде арок, рам, мачт и опорным контуром или анкерными устройствами.

Ледовый дворец в Мюнхене площадью 4200 м² перекрыт легкой пространственной вантовой конструкцией, которая подвешена к проходящей по середине покрытия решетчатой пространственной арке пролетом 97,42 м и стрелой подъема 18,92 м. Пояса арки и решетка - из труб. Сетка из несущих и напрягающих тросов диаметром 11,5 мм имеет узлы, расположенные по сторонам квадрата 75 х 75 см. К тросам крепится деревянная решетчатая конструкция, а к ней - полиэфирная пленка с покрытием ПВХ.

Такой же принцип подвешивания тросов к жесткому каркасу с помощью арочных конструкций использован при создании покрытий ряда крытых катков. Верхний слой покрытия - стекловолокно, покрытое тефлоном, либо полиэфирная ткань с покрытием ПВХ.

Оригинальное тентовое покрытие диаметром 298 м возведено над стадионом в Эр-Рияде. Внутри покрытия - центральное растянутое кольцо диаметром 134 м, к которому с помощью вант крепится 24 модульных тентовых системы. Каждая такая система состоит из главной мачты высотой 59,3 м, наклонной мачты, несущих и стабилизирующих тросов. Центральное кольцо образовано шестью канатами, оно подвешено к главным мачтам с помощью подвесок. К вантам крепится стеклоткань с тефлоновым покрытием, которое отражает 75% теплового потока и пропускает около 10% естественного освещения.

Еще более грандиозное покрытие запроектировано для нового стадиона в Эр-Рияде. Оно представляет собой вантовую сетку, натянутую ветвями пологой стальной арки пролетом 434 м, которая подвешена на стальных канатах к главной арке параболического очертания пролетом 367 м и стрелой подъема 235 м. По вантовой сетке натянуто тентовое покрытие.

В некоторых случаях тентовые покрытия крепятся непосредственно к жестким несущим конструкциям. Может быть использован свод с каркасом из деревоклееных арок с деревянными клееными брусьями между ними, на которые натягивается тентовое покрытие.

Пневматические конструкции.

Пневматические конструкции, называемые иногда надувными, представляют собой оболочки из воздухонепроницаемых тканей или пленок, которые работают в сочетании с воздухом, находящимся внутри под избыточным давлением. Эти конструкции могут в виде однослойных оболочек образовывать покрытия пролетом до 60 м, без промежуточных опор. В виде отдельных элементов они могут служить элементами каркаса покрытий пролетом до 15 м. Возможны также комбинации этих видов конструкций.

Пневматические конструкции, основным материалом которых являются ткани или пленки, характеризуются предельно малой объемной массой до 2 кг/м², транспортабельностью, поскольку могут быть сложены в небольшие тюки, и возможностью их быстрого возведения, поскольку для их подъема в проектные положения они должны быть только прикреплены к опорам, и наполнены воздухом. Эти конструкции имеют широкую область рационального применения в качестве легких сборно-разборных покрытий временного использования различного назначения. На строительных площадках они могут быть применены в качестве временных укрытий и опалубки, в сельском хозяйстве - в качестве покрытий теплиц. Могут применяться отдельные небольшие пневматические стойки, балки, мачты и плотины.

Основным материалом при изготовлении пневматических конструкций являются воздухонепроницаемые ткани, состоящие из синтетических текстилей и эластичных покрытий на основе стойких против старения резин, полихлорвинила или других смол. Основными соединениями элементов пневматических конструкций являются шитые нитками, клеевые, сварные и клеешитые. Пневматические конструкции бывают воздухоопорными, пневмокаркасными и комбинированными.

Воздухоопорные конструкции являются основным, наиболее распространенным видом пневматических конструкций. Они отличаются простотой и возможностью перекрывания значительных до 60 м пролетов. Воздухоопорная конструкция состоит из оболочки, сжатого воздуха, опорного контура, входного шлюза и воздуходувной установки. Оболочка образуется одним слоем ткани и может иметь сферическую форму в виде купола или усеченного снизу шара или цилиндрическую в виде свода с цилиндрическими, сферическими тканевыми или плоскими жесткими торцами. Оболочка соединяется из полос ткани, выкроенных в соответствии с формой ее поверхности. Края оболочки крепятся к опорному контуру и шлюзу.

Сжатый воздух, наполняющий оболочку, должен находиться под постоянным избыточным давлением небольшой величины. Интенсивность давления устанавливается из условия, чтобы она была не ниже массы снега и давления ветра, при котором сохраняется ее положительная кривизна. Меньшее давление принимается в том случае, если в оболочке допускаются кратковременные местные вмятины «ложки». Практически давление принимается равным 200-500 Па.

Опорный контур покрытий более длительного назначения выполняется в виде ленточного бетонного фундамента, а в покрытиях краткосрочного использования - в виде анкеров, винтовых свай или карманов, запыленных песком. В состав опорной конструкции входит пол помещения, испытывающий давление воздуха. Входной шлюз в большинстве случаев имеет жесткую каркасную конструкцию с тканевым покрытием.

Воздуходувная установка состоит из двух вентиляторов низкого давления с моторами. Она размещается внутри или вне оболочки, Такая установка автоматически поддерживает необходимое избыточное внутреннее давление воздуха в помещении.

Расчет воздухоопорных конструкций производят, как гибких предварительно напряженных оболочек на жестком опорном контуре, с учетом того, что ткань или пленка может воспринимать только растягивающие напряжения. Расчетные сопротивления ткани вдоль рулона R_осн существенно выше, чем поперек R_ут.

Оболочку рассчитывают на нагрузки от снега р, на отрицательное давление - отсос ветра q и внутреннее давление воздуха R_изб.

Незначительной собственной массой оболочки можно пренебрегать. Можно также не учитывать некоторое изменение формы оболочки в результате растяжения ткани.

Снеговая нагрузка уменьшает напряжения в горизонтальных сечениях и поэтому не учитывается. В вертикальных же сечениях она увеличивает напряжения ниже края снегового покрова и учитывать ее обязательно.

Цилиндрическую сводчатую оболочку рассчитывают по прочности прямых горизонтальных сечений и по прочности вертикальных кольцевых сечений.

При расчете шитых соединений оболочки учитывают ее 15%-ное ослабление. Опорный контур рассчитывают на растяжение и выдергивание из грунта усилиями, определяемыми по формулам, приведенным выше.

Пневмокаркасные конструкции состоят из отдельных пневмоэлементов, представляющих собой герметически замкнутые баллоны круглого сечения диаметром 0,2-0,5 м прямолинейной или изогнутой формы. Оболочку баллона изготовляют из двух- или трехслойной высокопрочной воздухонепроницаемой ткани с дополнительной, как правило резиновой, камерой, обеспечивающей оболочке повышенную воздухонепроницаемость. Торцы баллона в большинстве случаев имеют плоскодонные заглушки с ниппелями. Сжатый воздух внутри баллона находится под значительным давлением, достигающим 0,5 МПа. Такое давление создается компрессором или автомобильным насосом.

Пневмоэлементы применяют в виде отдельных пневмостоек или пневмоарок в составе каркаса в сочетании с покрытием из воздухонепроницаемой ткани или в виде сплошного ряда соединенных арок. Эти конструкции имеют малую несущую способность и применяются при небольших пролетах до 6 м для балок и до 15 м для арок.

Расчет пневмоэлементов производят на действие усилий от расчетных нагрузок, которые могут быть определены общими методами строительной механики и внутреннего избыточного давления. Расчет производят по прочности ткани оболочек, общей и местной устойчивости. Основными размерами элементов являются радиус сечения r и длина или пролет l.

Пневмостойку рассчитывают по прочности прямолинейных и кольцевых сечений на растяжение от внутреннего давления Ризб.

Пневматические конструкции. Часть 3

По устойчивости ее проверяют на действие продольной сжимающей силы N с учетом эмпирического коэффициента устойчивости, зависящего от отношения длины к радиусу.

Пневмобалку рассчитывают по прочности прямолинейных сечений на растяжение от внутреннего давления как пневмостойку.

По прочности кольцевых сечений пневмобалку рассчитывают в ее предельном состоянии. При этом в верхней половине сечения оболочки растяжение исчезает и образуются складки, в нижней половине растягивающие напряжения линейно вдоль вертикали возрастают от оси до максимума на нижней точке и балка теряет несущую способность.

В предельном состоянии пневмобалка может потерять несущую способность без разрыва оболочки в результате потери мест

ной устойчивости, когда ее ось получает перелом в расчетном сечении. Балка при этом не разрушается и восстанавливает начальную форму при разгружении. Местная устойчивость обеспечена, если изгибающий момент от нагрузок M не превышает предельного внутреннего момента, образуемого равнодействующими давления воздуха и напряжений растяжения оболочки.

Пневмоарку рассчитывают по прочности линейных сечений. По прочности кольцевых сечений и по местной устойчивости пневмоарку можно рассчитывать в запас прочности по тем же формулам, что и пневмобалку, без учета продольных сил N, которые уменьшают растягивающие напряжения в оболочке и увеличивают предельные внутренние моменты.

Комбинированные пневматические конструкции. Пневмокаркасные конструкции в сочетании с воздухоопорными оболочками создают избыточное давление воздуха в помещениях только при действии повышенных снеговых и ветровых нагрузок, что упрощает их эксплуатацию.

Воздухоопорные оболочки, усиленные системами стальных тросов, которые воспринимают основные растягивающие усилия, позволяют использовать малопрочные ткани и до 100 м и более увеличивать пролеты покрытий. Сомкнутые кромками воздухоопорные оболочки позволяют создавать линзообразные покрытия. Возникают и другие формы пневматических конструкций.

3. Современные конструкции большепролетных зданий, спортивных сооружений, производственные здания, выставочные комплексы, аэропорты, объекты культурно-бытового назначения

Спортивные сооружения

Состав спортивных комплексов весьма разнообразен, в него могут входить дворцы спорта, крытые и открытые плавательные бассейны, арены спортивных игр с трибунами, лыжные трамплины и др. Во многих случаях они рассчитаны на десятки тысяч зрителей, требуют больших перекрываемых площадей и решения сложных архитектурно-строительных задач.

Покрытие спортивных зданий больших пролетов целесообразно решать в виде железобетонных оболочек, висячих вантовых, стальных арочных или мембранных конструкций, а также эффективных деревянных и пластмассовых конструкций.

Большие спортивные арены могут быть решены с покрытием только трибун для зрителей. Практика показала целесообразность и экономическую эффективность таких решений.

Крытые трибуны стадионов решаются, как правило, в виде железобетонных консольных рам Г-образной формы, располагаемых с шагом 6-8 м. В решении показанном на рис. 1 стойки рам имеют длину 15,3 м, а ригели - 13 м. Стойка и ригели рамы соединяются между собой преднапряженной канатной арматурой. Арматура стоек заанкеривается в основании и натягивается с верхнего конца, после чего производится инъекцирование каналов цементным раствором. В верхней части стойки объединены обвязочными ригелями. По верху ригелей укладываются железобетонные плиты покрытия. Балки опорных конструкций трибун опираются на стойки.

В плавательных бассейнах основным является ванна бассейна, которую целесообразно выполнять из монолитного железобетона. Поскольку глубина ванны бассейнов многоцелевого назначения переменна, то толщина плиты днища и армирование принимаются переменными. Стенки бассейна также проектируются переменной толщины и с различным армированием по высоте, в соответствии с эпюрами внутренних усилий, вызванных переменным гидростатическим давлением воды и другими нагрузками.

Производственные здания

Несущие конструкции покрытия, являющиеся важнейшим конструктивным элементом здания, принимают в зависимости от величины пролета, характера и значений действующих нагрузок, вида грузоподъемного оборудования, характера производства и других факторов.

По характеру работы они бывают плоскостные и пространственные. По материалу конструкции покрытия делят на железобетонные, металлические, деревянные и комбинированные. В связи с характером работы эти конструкции должны быть прочными, устойчивыми, долговечными, архитектурно-художественными и экономичными. Поэтому при выборе несущих конструкций покрытия производят тщательный технико-экономический анализ нескольких вариантов. Так, железобетонные конструкции огнестойкие, долговечные и часто более экономичные по сравнению со стальными. Стальные же имеют относительно небольшую массу, простые в изготовлении и монтаже, имеют высокую степень сборности. Деревянные конструкции отличаются легкостью, относительно небольшой стоимостью и при соответствующей защите - приемлемой огнестойкостью и долговечностью. Довольно эффективны комбинированные конструкции, которые состоят из нескольких видов материалов. При этом важно, чтобы каждый материал работал в тех условиях, которые для него наиболее благоприятные.

Выставочные комплексы

Научно-технический прогресс и сопутствующий ему рост ассортимента и и объема промышленной продукции, повышение культурного и материального уровня вызвали широкий обмен информацией во всех областях человеческой деятельности - технике, науке, культуре и искусстве. Это, в частности, породило практику проведения выставок, которые дают возможность непосредственного знакомства с новейшими достижениями при их экспозиции, совмещенной с различными средствами информации.

С середины прошлого века началось проектирование и строительство специальных временных выставочных зданий и комплексов. Начать условный отсчет следует с 1851 г., и не только потому, что это год открытия первой Всемирной выставки в Лондоне, но преимущественно в связи с тем, что строительство ее главного павильона - Хрустального дворца - определило тенденции развития архитектурных выставочных зданий и сооружений. Они стали рассматриваться как своеобразные выставочные экспонаты, которые демонстрировали новейшие достижения в области строительной техники.

Можно смело утверждать, что ни в одном из типов общественных зданий не было применено столько новых конструкций, как в выставочных павильонах.

Аэропорты

Отличительной чертой, которой обзавелись все новейшие аэропорты, стала незаметность. То, как они выглядят снаружи, вообще не важно. Визуальный шок случается в тот момент, когда, пройдя необходимые формальности, пассажир отправляется пить кофе или слоняться по магазинам: аэропорты наконец превратились в произведения искусства, ни на йоту не уступая при этом в своей утилитарной функции. 

Большую часть XX века строительство аэропортов развивалось двумя противоположными путями. С одной стороны - мощные архитектурные жесты, не без пафоса и претензии, призванные демонстрировать фантазию и продвинутость заказчика. Удобство и польза не так важны, главное - эффект. Из ярких примеров - нацистский Темпельхоф в Берлине, сталинские аэропорты в СССР, гениальные бетонные жесты архитектора Эро Сааринена в Вашингтоне и Нью-Йорке. С другой стороны - внешне неброские сооружения, где во главу угла поставлена чистая функция и эффективность. И вот сейчас у нас на глазах именно из этого практического пути вырастает настоящая архитектура аэропортов - дизайнерских ванн для миллионов пассажиров, безупречных по делу и вместе с тем так отменно выполненных и по пространству, и в деталях, что внутри приятно находиться.

Аэропорт Кансай

Для строительства его в заливе намыли целый остров - 511 га, 4,37 на 1,27 км, - а на нем протянули многокилометровую полосу самого аэропорта, рассчитанного на 16 млн человек в год: рефрен стальных ферм и распоров, уверенность конструкции настолько устойчивой, что она может позволить себе волнистые эффекты. И максимум полезности, никаких глухих пространств - в эпоху «Аль-Каиды» это стало особенно актуально.

Новая эпоха началась в Азии. Именно Дальний Восток конца 80-х - начала 90-х поставил точку во всех дискуссиях о стиле аэродромных сооружений: главное, чтобы было надежно, функционально и максимально удобно. Так на Дальнем Востоке и рассудили, дав Ренцо Пиано и Норману Фостеру шанс реализовать самые грандиозные стройки своей жизни. Первым стал Пиано с международным аэропортом Кансай рядом с Осакой.

Аэропорт Кансай с высоты

Принято считать, что именно с открытием Кансая произошла победа хай-тек и архитектуры в целом с до того момента совершенно инженерной специальности - строить аэропорты. Второй отец - основатель хай-тек Норман Фостер продолжил тему полезности в новом гонконгском аэропорту Чек-Лап-Кок, но помасштабнее. Чек-Лап-Кок тоже на острове - 6 на 3,5 км - и рассчитан на 37 млн пассажиров в год. Сам аэропорт - стройная нить павильонов из стали и стекла; рядом - вокзал скоростного сообщения с центром города. 20 минут - и вы на месте, да и над Гонконгом самолеты не мечутся.

В Европе вряд ли кто-нибудь станет строить с нуля аэропорты такого размаха. А вот поток новых терминалов все растет. В Париже архитектор Поль Андрё с 1966 года старательно возделывает площадку аэропорта Шарля де Голля, добавляя новые и новые терминалы, но не удержался от извилистых вольностей плана. Его CDG-2 вышел крайне неудобным - длинный путь автобусов, соединяющих шесть самостоятельных частей терминала, сложность для понимания взволнованных пассажиров: не хватило ни ясности формы, ни соответственно и функции, а они здесь буквально нераздельны. Новые немецкие аэропорты, прежде всего в Мюнхене, вышли логичнее, но скучнее: такие здоровые ангары, все точно и правильно, гипермаркет без дизайна.

Едва ли не единственным европейским продолжением традиции стильных аэропортов стал Бильбао. Рыночный аргумент баскской столицы - Музей Гуггенхайма Фрэнка Гери. Поэтому и строить аэропорт позвали главную испанскую архитектурную знаменитость - Сантьяго Калатраву, который уверенно залил сталь конструкций толстым слоем бетона; вышли вполне себе острые кружева. Но оценить это вспорхнувшее крыло сложно-либо отъехав на особую точку, либо с воздуха под определенным углом.

Аэропорт Бильбао стал реальным продолжением традиции бетонного экспрессионизма Эро Сааринена. Но такие символические жесты без оглядки на утилитарность возможны, лишь пока народу летает мало - Бильбао пропускает меньше 4 млн в год - и официальные делегации любят парады на летном поле. А когда надо переправлять многомиллионные потоки пассажиров, подход будет все же другой.

Мадридский Барахас