Архитектурный облик большепролетных зданий в значительной степени определяется их ролью в композиции фрагмента окружающей городской застройки, функциональными особенностями зданий и примененными конструкциями покрытий.

Общественные функции зданий зального типа требуют выделять перед ними значительные свободные пространства различного назначения для: перемещения больших потоков зрителей перед началом или по окончании зрелищ (перед зрелищными или демонстрационными спортивными сооружениями); размещения открытой части экспозиции (перед выставочными павильонами): сезонной торговли (перед крытыми рынками) и т. д. Перед любыми из этих зданий отводят также территории для паркования индивидуальных автомашин. Таким образом, независимо от назначения здания его размещение в застройке дает возможность целостно воспринимать объем сооружения с удаленных точек зрения. Это обстоятельство определяет общие композиционные требования к архитектуре зданий: целостность и монументальность их облика и преимущественно крупный масштаб основных членений объема.

Такую особенность градостроительной роли общественных зданий зального типа часто учитывают в композиции их облика. Вспомогательные и обслуживающие помещения, которые могут быть размещены в отдельных объемах, приблокированных к основному (как, например, во Дворце спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге), по большей части не блокируют, а вписывают в основной объем здания. Для этого вспомогательные и обслуживающие помещения спортивных зданий располагают в нижних этажах или в подтрибунном пространстве, в зданиях крытых рынков и выставочных павильонов - в цокольном и подвальном этажах и т. п.

Характерными примерами реализации подобного объемно-планировочного принципа компоновки здания служат такие внешне различные объекты, как универсальный Олимпийский зал «Дружба» в Лужниках в Москве и здание спортивного центра префектуры Такамацу в Ниигате (Япония).

Зал «Дружба» имеет основной демонстрационный зал вместимостью 1,5-4 тыс. зрителей (при трансформации) с ареной 42X42 м, рассчитанной на 12 видов спорта при оптимальной видимости всех соревнований (предельное удаление 68 м). Зал покрыт пологой сферической оболочкой, опертой на 28 наклонных опор из сборно-монолитных складчатых оболочек двоякой кривизны. Наклонное расположение опор позволило увеличить габариты первого этажа и за счет этого разместить в нем четыре тренировочных зала и четыре спортивные площадки, вписанные в единый центрально-симметричный объем с ярко выраженной тектоничностью архитектурной формы ( ).

Спортивный центр в Ниигате имеет арену 42X42 м с двусторонними трибунами вместимостью 1,3 тыс. мест и рассчитан на 17 видов спорта, что при радиусе предельного удаления в 40 м обеспечивает комфортное зрительное восприятие. Компактность объема позволяет рационально поярусно разместить основные функциональные группы помещений: для обслуживания зрителей - на первом этаже, для спортсменов - на втором, зал - на третьем. Сама объемная осесимметричная форма, образованная сочетанием двух оболочек двоякой кривизны (покрытие и нижнее перекрытие), на пространственном опорном контуре, лежащем на четырех мощных пилонах, индивидуальна и исполнена образной символики (рис. 111 ). Рис. 111. Спортивный центр в Ниигате (Япония): а - общий вид; б - продольный разрез; в- схема несущих конструкций: 1 - несущие ванты; 2 - стабилизирующие ванты; 3 - опоры; 4 - бортовой элемент.

Из обоих примеров видно влияние конструктивной формы покрытия на архитектурную форму. И это не случайно, так как конструкция покрытия составляет от 60 до 100% наружных ограждений зданий.

Из числа функциональных параметров на выбор формы покрытия наибольшее влияние оказывают принятые план, вместимость, характер размещения зрительских мест (в спортивных и зрелищных зданиях) и величины пролетов покрытий ( ). В мировой практике для выставочных, многофункциональных зрительных и спортивных залов используют ограниченное число форм планов: прямоугольник, трапецию, овал, круг, многоугольник.

Однако форма плана зала и величины его пролетов не предопределяют однозначно форму покрытия. Большое влияние на ее выбор оказывают не только план, но и обусловленная функциональными особенностями форма здания. Как известно, в демонстрационных спортивных залах вместимость и расположение трибун определяют асимметричную или центрально-симметричную композицию здания, с которой должен быть согласован выбор формы покрытия. С асимметричной формой здания хорошо гармонируют висячие покрытия, с осесимметричной - как сводчатые, так и висячие. Для центричных в плане зданий применимы центричные же конструкции покрытий ( , ).

Окончательный выбор формы покрытия помимо функциональных определяется конструктивными, технологическими, технико-экономическими и архитектурно-художественными требованиями. Согласно последним, конструкция уникального большепролетного здания должна способствовать созданию выразительной тектоничной, индивидуальной, масштабной архитектурной формы. Внедрение пространственных висячих конструкций и конструкций из жестких оболочек дало беспрецедентные и многовариантные архитектурные возможности. Комбинируя различные типы, число, размеры элементарных оболочек, архитектор с помощью конструктора может добиться требуемого масштабного членения формы и индивидуализации ее облика, оригинально разместить проемы верхнего света в покрытии.

Так, например, только для покрытия треугольного в плане помещения могут быть применены пологая оболочка на выпуклом контуре, комбинированное покрытие из четырех треугольных в плане оболочек положительной кривизны, из трех - отрицательной и одной - положительной кривизны и т. д. Одним из наиболее оригинальных по конструкции и выразительных по архитектурной форме является покрытие треугольного в плане выставочного здания в Париже комбинированной оболочкой в виде сомкнутого из трех лотков свода пролетом 206 м. Лотки состоят из двух волнистых оболочек, раскрепленных через каждые три волны диафрагмами жесткости. Использование волнистой формы позволило решить не только чисто конструктивную задачу (достигнуть устойчивости тонкой оболочки), но и обеспечило масштабность композиции этого уникального здания, а традиционная для архитектуры камня система сомкнутого свода получила индивидуальную и остро современную тектоническую трактовку. Столь же индивидуальной и современной оказалась композиционная трактовка железобетонного крестового свода покрытия над квадратным планом здания крытого Олимпийского катка в Гренобле.

Естественно, однако, что в наибольшей степени современный характер архитектуре большепролетных покрытий железобетонными жесткими оболочками придают присущие только им комбинации геометрических форм в виде волнистых куполов и сводов, элементарных или комбинированных фрагментов оболочек с поверхностями отрицательной кривизны или комбинации из оболочек произвольной геометрической формы.

Архитектурно-композиционные возможности висячих систем покрытий непосредственно связаны с их конструктивной формой, возможностями ее индивидуализации и тектоничного выявления в объемной форме здания. В этом отношении наибольшими возможностями обладают висячие покрытия шатрового типа, покрытия на пространственном контуре, а также различные варианты комбинированных висячих систем. В чрезвычайном разнообразии внешнего облика зданий, которое обеспечивает применение висячих покрытий на замкнутом пространственном контуре, можно убедиться, сопоставив такие олимпийские объекты Москвы, как крытый велотрек и спортивный зал в Измайлове. К сожалению, мало способствует индивидуальности внешнего облика здания применение ряда технически наиболее эффективных висячих конструкций, например одно- или двухпоясных систем с горизонтальным кольцевым опорным контуром над круглыми или эллиптическими в плане зданиями. Несущая конструкция с малой стрелой провиса не выявляется во внешней форме здания, а в интерьере обычно бывает скрыта подвесными потолками или осветительными установками. Здания с покрытиями такого типа обычно имеют композицию в виде круглого периптера, антаблемент которого - кольцо опорного контура, а колонны - поддерживающие его стойки (Дворец спорта «Юбилейный» и Олимпийский зал в Санкт-Петербурге, Олимпийский дворец спорта на проспекте Мира в Москве и др.).

Наряду с несущими конструкциями покрытий в композиции зальных общественных зданий значительную роль играют наружные, как правило, ненесущие стены. Образным выражением их ненесущей функции может служить выполнение их с незначительным отклонением от вертикали, придающее зданию характерный силуэт (сужающийся или расширяющийся книзу).

Значительную часть поверхности наружных стен зальных зданий занимают светопрозрачные витражные конструкции. Их композиционные свойства и членения обогащаются при сочетании в конструкции двух-трех светопрозрачных материалов, например профильного и листового стекла.

Плоскостные конструкции

а

ЛЕКЦИЯ 7. КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

Каркасы промышленных зданий

Стальной каркас одноэтажных зданий

Стальной каркас одноэтажных зданий состоит из тех же элементов, что и железобетонный (рис.)

Рис. Стальной каркас здания

В стальных колоннах различают две основные части: стержень (ветвь) и базу (башмак) (рис.73) .

Рис. 73. Стальные колонны.

а – постоянного сечения с консолью; б – раздельного типа.

1 – подкрановая часть колонны; 2 – надколонник, 3 – добавочная высота надколонника; 4 – шатровая ветвь; 5 – подкрановая ветвь; 6 – башмак; 7 – подкрановая балка; 8 – подкрановый рельс; 9 – ферма покрытия.

Башмаки служат для передачи нагрузки от колонны на фундамент. Башмаки и нижние части колонн, соприкасающиеся с землей, во избежание коррозии обетонивают. Для опирания стен между фундаментами крайних колонн устанавливают сборные железобетонные фундаментные балки.

Стальные подкрановые балки бывают сплошные и решетчатые. Наибольшее применение получили сплошные подкрановые балки, имеющие двутавровое сечение: несимметричное, применяемые при шаге колонн 6 метров, или симметричное при шаге 12 метров.

Основными несущими конструкциями покрытий в зданиях со стальным каркасом являются стропильные фермы (рис. 74).

Рис. 74. Стальные фермы:

а – с параллельными поясами; б – то же; в – треугольная; г – полигональная;

д – конструкция полигональной фермы.

По очертанию они могут быть с параллельными поясами, треугольные, полигональные.

Фермы с параллельными поясами применяют в зданиях с плоскими крышами, а также в качестве подстропильных.

Треугольные фермы применяют в зданиях с кровлями, требующими больших уклонов, например из асбоцементных листов.

Жесткость стального каркаса и восприятие им ветровых нагрузок и инерционных воздействий от кранов обеспечивается устройством связей. Между колоннами в продольных рядах ставят вертикальные связи – крестовые или портальные. Горизонтальные поперечные связи ставят в плоскостях верхнего и нижнего поясов, а вертикальные – по осям опорных стоек и в одной или нескольких плоскостях посередине пролета.

Деформационные швы

В каркасных зданиях деформационные швы расчленяют на отдельные участки каркас здания и все опирающиеся на него конструкции. Различают швы поперечные и продольные.

Поперечные температурные швы устраивают на спаренных колоннах, поддерживающих конструкции смежных, разрезанных швом, участков здания. Если шов является одновременно осадочным, то он устраивается и в фундаментах спаренных колонн.

В одноэтажных зданиях ось поперечного деформационного шва совмещают с поперечной разбивочной осью ряда. Так же решают деформационные швы в перекрытиях многоэтажных зданий.

Продольные температурные швы в зданиях с железобетонным каркасом решают на двух продольных рядах колонн, а в зданиях со стальным каркасом – на одном ряде колонн.

Стены промышленных зданий

В зданиях бескаркасных и с неполным каркасом наружные стены являются несущими и выполняются из кирпича, крупных блоков или других камней. В зданиях с полным каркасом стены выполняют из тех же материалов самонесущими по фундаментным балкам или панельными – самонесущими или навесными. Наружные стены располагают с внешней стороны колонн, внутренние стены зданий опирают на фундаментные балки или на ленточные фундаменты.

В каркасных зданиях при значительной протяженности и высоте стен для обеспечения устойчивости между элементами основного каркаса вводят дополнительные стойки, иногда ригели, образующие вспомогательный каркас, называемый фахверком .

При наружном водостоке с покрытий продольные стены промышленных зданий выполняют с карнизами, а торцовые – с парапетными стенками. При внутреннем водоотводе парапеты возводят по всему периметру здания.

Стены из крупных панелей

Железобетонные ребристые панели предназначаются для неотапливаемых зданий и зданий с большими производственными тепловыделениями. Толщина стенки 30 миллиметров.

Панели для отапливаемых зданий применяют железобетонные утепленные или из легких ячеистых бетонов. Железобетонные утепленные панели имеют толщину 280 и 300 миллиметров.

Панели разделяются на рядовые (для глухих стен), панели-перемычки (для установки сверху и снизу оконных проемов) и парапетные.

На рис. 79 показан фрагмент стены каркасного панельного здания с ленточным остеклением.

Рис. 79. Фрагмент стены из крупных панелей

Заполнение оконных проемов панельных зданий производится преимущественно в виде ленточного остекления. Высота проемов принимается кратной 1,2 метров, ширина – равной шагу пристенных колонн.

При отдельных оконных проемах меньшей ширины применяются простеночные панели с размерами 0,75, 1,5, 3,0 метра в соответствии с размерами стандартных переплетов.

Окна, двери, ворота, фонари

Фонари

Для обеспечения освещения удаленных от окон рабочих мест и для аэрации (вентиляции) помещений в промышленных зданиях устраивают фонари.

Фонари бывают световые, аэрационные и смешанного типа:

Световые с глухими остекленными переплетами, служащие только для освещения помещений;

Светоаэрационные с открывающимися остекленными створками, служащие для освещения и проветривания помещений;

Аэрационные без остекления, применяемые только для целей аэрации.

Фонари могут быть различного профиля с вертикальным, наклонным или горизонтальным остеклением.

По профилю фонари бывают прямоугольные с вертикальным остеклением, трапециедальные и треугольные с наклонным остеклением, зубчатые с односторонним вертикальным остеклением. В промышленном строительстве обычно применяют прямоугольные фонари. (рис. 83).

Рис. 83. Основные схемы световых и светоаэрационных фонарей:

а – прямоугольный; б – трапециевидный; в – зубчатый; г – треугольный.

По расположению относительно оси здания различают фонари продольные и поперечные. Наибольшее распространение получили продольные фонари.

Отвод воды с фонарей бывает наружный и внутренний. Наружный применяют при фонарях шириной 6 метров или при отсутствии в здании внутреннего водоотвода.

Конструкция фонарей является каркасной и состоит из ряда поперечных рам, опирающихся на верхние пояса ферм или балок покрытия, и системы продольных связей. Конструктивные схемы фонарей и их параметры унифицированы. Для пролетов 12, 15, и 18 метров применяют фонари шириной 6 метров, для пролетов 24, 30 и 36 метров – шириной 12 метров. Ограждение фонаря состоит из покрытия, боковых и торцовых стенок.

Фонарные переплеты изготавливают стальными длиной 6000 миллиметров и высотой 1250, 1500 и 1750 миллиметров. Переплеты остекляют армированным или оконным стеклом.

Аэрацией называют естественный, управляемый и регулируемый воздухообмен.

Действие аэрации основывается:

На тепловом подпоре, возникающем вследствие разности температур внутреннего и наружного воздуха;

На высотном перепаде (разности центров вытяжных и приточных отверстий);

На действии ветра, который обдувая здание, создает на подветренной стороне разрежение воздуха (рис. 84).

Рис. 84. Схемы аэрации зданий:

а – действие аэрации при отсутствии ветра; б – то же, при действии ветра.

Недостатком светоаэрационных фонарей является необходимость закрывать переплеты с наветренной стороны, так как может происходить задувание ветром загрязненного воздуха обратно в рабочую зону.

Двери и ворота

Двери промышленных зданий по конструкции не отличаются от щитовых дверей гражданских зданий.

Ворота предназначаются для ввода внутрь здания транспортных средств и пропуска больших масс людей.

Размеры ворот определяются в соответствии с размерами перевозимого оборудования. Они должны превышать габариты подвижного состава в груженом состоянии по ширине на 0,5-1,0 метра, а по высоте – на 0,2 – 0,5 метра.

По способу открывания ворота бывают распашные, раздвижные, подъемные, шторные и т.д.

Распашные ворота состоят из двух полотнищ, навешенных посредством петель в воротной раме (рис. 81). Рама может быть деревянной, стальной или железобетонной.

Рис. 81. Распашные ворота:

1 – стойки железобетонной рамы, обрамляющей проем; 2 – ригель.

При отсутствии места для распахивания полотен ворота делают раздвижными. Раздвижные ворота бывают однопольные и двупольные. Полотна их имеют конструкция подобную распашным, но в верхней части снабжены стальными роликами, которые при открывании и закрывании ворот передвигаются по рельсу, прикрепленную к ригелю железобетонной рамы.

Полотна подъемных ворот – цельнометаллические, подвешены на тросах и двигаются по вертикальным направляющим.

Полотнище шторных ворот состоит из горизонтальных элементов, образующих стальную штору, которая при подъеме навертывается на вращающийся барабан, горизонтально расположенный над верхом проема.

Покрытия

В одноэтажных промышленных зданиях покрытия выполняются бесчердачными, состоящими из основных несущих элементов покрытия и ограждения.

В неотапливаемых зданиях и зданиях с избыточными производственными тепловыделениями ограждающие конструкции покрытий выполняются неутепленными, в отапливаемых зданиях – утепленными.

Конструкция холодного покрытия состоит из основания (настила) и кровли. В утепленное покрытие включают пароизоляцию и утеплитель.

Элементы настила подразделяют на мелкоразмерные (длиной 1,5 – 3,0 метра) и крупноразмерные (длиной 6 и 12 метров).

В ограждениях из мелкоразмерных элементов возникает необходимость применения прогонов, которые располагают вдоль здания по балкам или фермам покрытия.

Крупноразмерные настилы укладывают по основным несущим элементам и покрытия в этом случае называют беспрогонными.

Настилы

Беспрогонные железобетонные настилы выполняются из железобетонных предварительно напряженных ребристых плит шириной 1,5 и 3,0 метра и длиной, равной шагу балок или ферм.

В неутепленных покрытиях по верху плит устраивается цементная стяжка, по которой наклеивают рулонную кровлю.

В утепленных покрытиях в качестве утеплителя применяются малотеплопроводные материалы и устраивается дополнительная пароизоляция. Пароизоляция особенно необходима в покрытиях над помещениями с повышенной влажностью воздуха.

Мелкоразмерные плиты могут быть железобетонными, армоцементными или из армированных легких и ячеистых бетонов.

Рулонные кровли выполняются рубероидными. По верхнему слою рулонных кровель устраивается защитный слой гравия, втопленный в битумную мастику.

Также применяются настилы из листовых материалов.

Одним из таких настилов является стальной оцинкованный профилированный настил, укладываемый на прогонах (при шаге ферм 6 метров) или по решетчатым прогонам (при шаге 12 метров).

Скатные холодные покрытия часто выполняются из асбоцементных волнистых листов усиленного профиля толщиной 8 миллиметров.

Кроме того, применяются листы из волнистого стеклопластика и других синтетических материалов.

Водоотвод с покрытий

Водоотвод продлевает срок эксплуатации здания, предохраняя его от преждевременного старения и разрушения.

Водоотвод с покрытий промышленных зданий может быть наружным и внутренним.

В одноэтажных зданиях наружный водоотвод устраивают неорганизованным, а в многоэтажных – с применением водосточных труб.

Система внутреннего водоотвода состоит из водоприемных воронок и сети расположенных внутри здания труб, отводящих воду в ливневую канализацию (рис. 82).

Рис. 82. Внутренний водоотвод:

а – водоприемная воронка; б – чугунный поддон;

1 – корпус воронки; 2 – крышка; 3 – патрубок; 4 – воротник патрубка; 5 – чугунный поддон; 6 – отверстие для патрубка; 7 – мешковина, пропитанная битумом; 8 – рулонная кровля; 9 – заполнение расплавленным битумом; 10 – железобетонная плита покрытия.

Внутренний водоотвод устраивают:

В многопролетных зданиях с многоскатными крышами;

В зданиях, имеющих большую высоту или значительные перепады высот отдельных пролетов;

в зданиях с большими производственными тепловыделениями, вызывающими подтаивание снега на покрытии.

Полы

Полы в промышленных зданиях выбирают с учетом характера производственных воздействий на них и предъявляемых к ним эксплуатационных требований.

Такими требованиями могут быть: жаростойкость, химическая стойкость, водо- и газонепроницаемость, диэлектричность, неискримость при ударах, повышенная механическая прочность и другие.

Подобрать полы, удовлетворяющие всем необходимым требованиям, иногда бывает невозможно. В таких случаях в пределах одного помещения приходится применять полы различного типа.

Конструкция пола состоит из покрытия (одежды) и подстилающего слоя (подготовки). Кроме того, в конструкцию пола могут входить прослойки различного назначения. Подстилающий слой воспринимает через покрытие передаваемую на полы нагрузку и распределяет ее на основание.

Подстилающие слои бывают жесткие (бетонные, железобетонные, асфальтобетонные) и нежесткие (песчаные, гравийные, щебеночные).

При устройстве полов по междуэтажным перекрытиям основанием служат плиты перекрытий, а подстилающий слой или отсутствует вовсе, или его роль выполняют тепло- и звукоизоляционные слои.

Грунтовые полы применяют в складах и горячих цехах, где они могут подвергаться ударам от падения тяжелых предметов или соприкасаться с раскаленными деталями.

Каменные полы применяют в складах, где возможны значительные ударные нагрузки, или в зонах действия транспорта на гусеничном ходу. Полы эти прочные, но холодные и жесткие. Покрытием таких полов служат обычно брусчатка (рис. 85).

Рис. 85. Каменные полы:

а – булыжные; б – из крупной брусчатки; в – из мелкой брусчатки;

1 – булыжный камень; 2 – песок; 3 – брусчатка; 4 – битумная мастика; 5 – бетон.

Бетонные и цементные полы применяют в помещениях, где пол может подвергаться постоянному увлажнению или действию минеральных масел (рис. 86).

Рис. 86. Бетонные и цементные полы:

1 – бетонная или цементная одежда; 2 – бетонный подстилающий слой.

Асфальтовые и асфальтобетонные полы обладают достаточной прочностью, водостойкостью, водонепроницаемостью, эластичностью, легко ремонтируются (рис. 87). К недостатками асфальтовых полов относят их способность размягчаться при повышении температуры, вследствие чего их не устраивают в горячих цехах. Под действием длительных сосредоточенных нагрузок в них образуются вмятины.

Рис. 87. Асфальтовые и асфальтобетонные полы:

1 – асфальтовая или асфальтобетонная одежда; 2 – бетонный подстилающий слой.

К керамическим полам относятся клинкерные, кирпичные и плиточные полы (рис. 88). Такие полы хорошо сопротивляются действию высокой температуры, стойки против кислот, щелочей и минеральных масел. Их применяют в помещениях, требующих большой чистоты, при отсутствии ударных нагрузок.

Рис. 88. Полы из керамических плиток:

1 – керамическая плитка; 2 – цементный раствор; 3 – бетон.

Металлические полы применяют лишь на отдельных участках, где к полам прикасаются раскаленные предметы и в то же время нужна ровная твердая поверхность и в цехах при сильных ударных нагрузках (рис. 89).

Рис. 89. Металлические полы:

1 – чугунные плитки; 2 – песок; 3 – грунтовое основание.

Так же в промышленных зданиях могут применяться полы дощатые и из синтетических материалов . Применяются такие полы в лабораториях, инженерных корпусах, административных помещениях.

В полах с жестким подстилающим слоем во избежание появления трещин устраивают деформационные швы. Их располагают по линиям деформационных швов здания и в местах сопряжения полов разного типа.

Для прокладки инженерных коммуникаций в полах устраивают каналы.

Примыкание полов к стенам, колоннам и фундаментам станков делают с зазорами для свободной осадки.

В мокрых помещениях для стока жидкостей полам придают рельеф с уклонами по направлению к чугунным или бетонным водоприемникам, которые называются трапами. Трапы соединяют с канализацией. Вдоль стен и колонн необходимо устройство плинтусов и галтелей.

Лестницы

Лестницы промышленных зданий подразделяются на следующие виды:

- основные, применяемые в многоэтажных зданиях для постоянного сообщения между этажами и для эвакуации;

- служебные, ведущие на рабочие площадки и антресоли;

- пожарные наружные , обязательные при высоте здания более 10 метров и предназначенные для подъема на крышу бойцов пожарных команд (рис. 90).

Рис. 90. Пожарная лестница

- аварийные наружные , устраиваемые для эвакуации людей при недостаточном количестве основных лестниц (рис. 91);

Рис. 91. Аварийная лестница

Противопожарные преграды

Классификация зданий и помещений по взрывопожарной и пожарной опасности применяется для установления требования пожарной безопасности, направленных на предотвращение возможности возникновения пожара и обеспечения противопожарной защиты людей и имущества в случае возникновения пожара. По взрывопожарной и пожарной опасности помещения подразделяются на категории А, Б, В1-В4, Г и Д, а здания на категории А, Б, В, Г и Д.

Категории помещений и зданий определяются, исходя из вида находящихся в помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, а также, исходя из объемно-планировочных решений помещений и характеристик проводимых в них технологических процессов.

Противопожарные преграды устраивают с целью предотвратить распространение по зданию огня в случае возникновения пожара. Горизонтальными преградами в многоэтажных зданиях служат несгораемые перекрытия. Вертикальными преградами являются противопожарные стены (брандмауэры).

Брандмауэр предназначается для предотвращения распространения пожара из одного помещения или здания в смежное помещение или здание. Брандмауэры выполняются из несгораемых материалов – камня, бетона или железобетона, и должны иметь предел огнестойкости не менее четырех час. Брандмауэры должны опираться на фундаменты. Брандмауэры делаются на всю высоту здания, разделяя сгораемые и трудносгораемые покрытия, перекрытия, фонари и другие конструкции и должны возвышаться над сгораемыми кровлями не менее чем на 60 сантиметров, а над несгораемыми кровлями на 30 сантиметров. Двери, ворота, окна, крышки люков и другие заполнения проемов в брандмауэрах должны быть несгораемыми с пределом огнестойкости не менее 1,5 часа. Брандмауэры рассчитываются на устойчивость в случае одностороннего обрушения при пожаре перекрытий, покрытий и других конструкций (рис. 92).

Рис. 92. Брандмауэры:

а – в здании с несгораемыми наружными стенами; б – в здании со сгораемыми или трудносгораемыми наружными стенами; 1 – гребень брандмауэра; 2 – торцовый брандмауэр.

Контрольные вопросы

1. Назовите конструктивные схемы промышленных зданий.

2. Назовите основные типы каркасов промышленных зданий.

3. Какие существуют виды стен промышленных зданий?

ЛЕКЦИЯ 8 . КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Теплицы и парники

Теплицы и парники представляют собой застекленные сооружения, в которых искусственно создаются нужные климатические и почвенные условия, позволяющие выращивать ранние овощи, рассаду и цветы.

Здания теплиц строят преимущественно из сборных железобетонных остекленных панелей, скрепленных между собой сваркой закладных деталей.

Конструкция парника состоит из сборных железобетонных рам, устанавливаемых в грунт по длине парника и сборных железобетонных парубней (продольный лежень парника), укладываемых на консоли рам. Съемные остекленные парниковые рамы выполняются деревянными (рис. 94).

Рис. 94. Парник из сборных железобетонных элементов:

1 – железобетонные рамы; 2 – железобетонный парубень северный; 3 – то же, южный;

4 – песок; 5 – питательный слой грунта; 6 – отопительные трубы в слое песка;

7 – остекленная деревянная рама.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маклакова Т. Г., Нанасова С. М. Конструкции гражданских зданий: Учебник. – М.: Издательство АСВ, 2010. – 296 с.

2. Будасов Б. В. , Георгиевский О. В., Каминский В. П. Строительное черчение. Учеб. для вузов / Под общ. ред. О. В. Георгиевского. – М.: Стройиздат, 2002. – 456 с.

3. Ломакин В. А. Основы строительного дела. – М.: Высшая школа, 1976. – 285 с.

4. Красенский В.Е., Федоровский Л.Е. Гражданские, промышленные и сельскохозяйственные здания. – М.: Стройиздат, 1972, – 367 с.

5. Короев Ю. И Черчение для строителей: Учеб. для проф. Учеб. заведений. – 6-е изд., стер. – М.: Высш. шк., Изд. Центр «Академия», 2000ю – 256 с.

6. Чичерин И. И. Общестроительные работы: учебник для нач. проф. Образования. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 416 с.

ЛЕКЦИЯ 6. КОНСТРУКЦИИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

В зависимости от конструктивной схемы и статической работы несущие конструкции покрытий можно разделить на плоскостные (работающие в одной плоскости) и пространственные.

Плоскостные конструкции

К этой группе несущих конструкций относятся балки, фермы, рамы и арки. Они могут выполняться из сборного и монолитного железобетона, а также металлическими или деревянными.

Балки и фермы совместно с колоннами образуют систему поперечных рам, продольная связь между которыми осуществляется плитами покрытия и ветровыми связями.

Наряду со сборными рамами в ряде зданий уникального характера при повышенных нагрузках и больших пролетах применяют монолитные железобетонные или металлические рамы (рис. 48).

Рис. 48. Большепролетные конструкции:

а - рама железобетонная монолитная двухшарнирная.

Для перекрытия пролетов свыше 40 метров целесообразно использовать арочные конструкции. Арки конструктивно можно разделить на двухшарнирные (имеющие шарниры на опорах), трехшарнирные (с шарнирами на опорах и в середине пролета) и бесшарнирные.

Арка работает в основном на сжатие и передает на опоры не только вертикальную нагрузку, но и горизонтальное давление (распор).

По сравнению с балками, фермами и рамами арки имеют меньший вес и экономичнее по расходу материалов. Арки применяются в конструкциях в сочетании со сводами и оболочками.

Современные инженерные и строительные технологии позволяют возводить уникальные большепролетные сооружения и пространственные конструкции, которые имеют расстояния между несущими опорами более 40 метров, делая их надежными и функциональными. Чаще всего это бывают заводские машиностроительные и судостроительные цеха, ангары, автостоянки, стадионы, здания вокзалов, театров и галерей.

Большепролетные металлические конструкции имеют упругость, позволяют создавать разнообразные виды сопряжений для построения выразительных геометрических форм и архитектурных решений любой сложности. При этом они содержат множество концентраторов напряжений. Правильное и равномерное распределение высокой несущей нагрузки между конструктивными элементами важно, поскольку под действием естественной тяжести конструкции и вилянием внешних факторов могут возникать опасные повреждения.

Сооружения, в основе которых заложены большепролетные балки, при строительстве и в процессе эксплуатации подвержены особенному риску возникновения деформаций и трещин, в последующем ведущих к разрушению. Поэтому требуют постоянного мониторинга в реальном времени и наблюдения за их состоянием для обеспечения условий безопасности.

Типичные причины, которые вызывают проблемы большепролетных зданий:

• неграмотно проведенные геофизические и геодезические изыскания, замена экспериментальных расчетов моделированием;
• ошибки проектирования, просчеты при определении нагрузок и точек расположения геометрических центров, смещения осей, нарушения принципов прямолинейности или жесткости элементов;
• нарушение технологий изготовления или правил монтажа конструкций, неправильные узловые соединения, использование неподходящих строительных материалов (например, выбор вида стали, непригодного для конкретных условий);
• неравномерные осадочные процессы, влияющие на устойчивость и целостность фундаментов, опорных элементов, сводов и перекрытий;
• неправильная эксплуатация, ненормированные нагрузки и аварийные воздействия;
• временной износ;
• влияние неблагоприятных природных факторов (ветрового давления, смещений почвенных пластов и движения грунтовых вод, сейсмических процессов, температурно-влажностных условий, в которых происходит ржавление металлических элементов конструкций, разрушение бетона и т.д.);
• вибрации, создаваемые движением транспорта и ведущимися вблизи строительными работами.

В результате влияния этих факторов и причин происходят деформации основных опор и потеря ими несущих способностей, прогибы и смещения пролетных балок, прогрессирующие разрушения. Это создает опасность для жизни людей и приводит к экономическим потерям, связанным с необходимостью компенсации ущерба от аварий и проведением ремонта.

Мониторинг состояния объектов

Мониторинг большепролетных зданий и сооружений позволяет отслеживать физический износ, снижение несущих способностей инженерных конструкций, выявлять неблагоприятные изменения, появление дефектов и повреждений, обнаруживать опасные напряженно-деформационные состояния, контролировать их выход за предусмотренные проектом предельные значения, вовремя замечать превышения установленных коэффициентов надежности и предельно допустимых величин отклонений наблюдаемых параметров.

Мониторинг осуществляется при помощи специальных высокоточных измерительных инструментов, контрольных приборов, регистраторов значимых параметров и показателей надежности, улавливающих электромагнитные и ультразвуковые колебания, датчиков и геодезических маркеров, компьютеризированных диспетчерских пультов, автоматического оборудования и сигнальных систем оповещения.
Большепролетные здания оборудуются инженерными системами мониторинга и управления, которые информационно связаны с дежурно-диспетчерскими службами МЧС. Такие системы позволяют производить сбор данных одновременно от многих передатчиков и по разным параметрам. Эта информация стекается в единый центр, интегрируется, анализируется при помощи заданных алгоритмов и в итоге выдается схематично и наглядно оформленный результат, свидетельствующий о состоянии исследуемой конструкции.

На основе этого специалисты по мониторингу могут составлять заключения, прогнозы и отчеты с обоснованной диагностикой объектов, рекомендациями и программами эффективных мер по устранению имеющихся дефектов и дестабилизирующих факторов, минимизации рисков и угроз наступления аварийных ситуаций, их избежанию и предотвращению ущерба. В случае возникновения чрезвычайных и нештатных ситуаций, о них оперативно информируются спасательные службы.

Специалисты по инженерно-строительному мониторингу

Компания СМИС Эксперт разрабатывает системные решения для проведения оценки уязвимости и диагностики проблем большепролетных сооружений, мониторингового сопровождения строительства и эксплуатации зданий различного назначения. Имеем большой опыт и высокую квалификацию специалистов. Используем современные научные знания и инновационные технологии. Обеспечиваем профессиональный геодезический мониторинг и исследование любых видов объектов для установления степени их надежности, безопасности и долговечности. Реализуем высокоточное измерительное оборудование и приборы.

Большепролетные конструкции играют значительную роль в мировой архитектуре. И заложено это ещё в давние времена, когда собственно и появилось это особое направление архитектурного проектирования.

Идея и реализация большепролетных проектов неразрывно связана с основным стремлением не только строителя и архитектора, но и всего человечества в целом - стремлением покорения пространства. Именно поэтому, начиная со 125 года н. э., когда появилось первое известное в истории большепролетное строение, Пантеон Рима (диаметр основания - 43 м), и заканчивая творениями современных архитекторов, большепролетные конструкции пользуются особой популярностью.

История большепролетных конструкций

Как уже говорилось выше - первым был Пантеон в Риме построенный в 125 году н. э. Позднее появились и другие величественные строения с большепролетными купольными элементами. Ярким примером можно считать храм Святой Софии построенный в Константинополе в 537 году н. э. Диаметр купола составляет 32 метра, а сам он придаёт всему сооружению не только величественность, но и удивительную красоту, которой и по сей день восхищаются и туристы, и архитекторы.

В те и более поздние времена из камня невозможно было построить легкие сооружения. Поэтому купольные строения характеризовались большой массивностью а их строительство требовало серьёзных временных затрат - до ста и более лет.

Позже, для обустройства перекрытий больших пролетов начали использоваться и деревянные конструкции. Здесь яркий примером является достижение отечественной архитектуры - бывший Манеж в Москве был построен в 1812 году и имел в своей конструкции деревянные пролеты длиной 30 м.

XVIII-XIX столетия характеризуются развитием черной металлургии, что дало новые и более прочные материалы для строительства - сталь и чугун. Это ознаменовало появление во второй половине 19-го столетия большепролетных стальных конструкций, получивших большое применение в российской и мировой архитектуре.

Следующим строительным материалом, существенно расширившим возможности архитекторов, стали железобетонные конструкции. Благодаря появлению и совершенствованию ЖБК мировая архитектура 20-го столетия пополнилась тонкостенными пространственными конструкциями. Параллельно, во второй половине ХХ столетия, стали широко использоваться висячие покрытия, стержневые и пневматические системы.

Во второй половине ХХ столетия появилась и клееная древесина. Развитие этой технологии позволило «вернуть к жизни» деревянные большепролетные конструкции, достичь особых показателей легкости и невесомости, завоевать пространство, не идя при этом на компромисс с прочностью и надежностью.

Большепролетные конструкции в современном мире

Как показывает история - логика развития большепролетных конструктивных систем была направлена на повышение качества и надежности строительства, а также архитектурной ценности строения. Применение данного типа конструкций позволило в наибольшей мере использовать весь потенциал несущих свойств материала, создать благодаря этому легкие, надежные и экономичные перекрытия. Всё это особо важно для современного архитектора, когда на первый план в современном строительстве выдвинулось снижение массы конструкций и сооружений.

Но что же представляют собой большепролетные конструкции? Здесь мнения экспертов расходятся. Единого определения нет. По одной из версий - это любая конструкция с длиной пролета более 36 м. По другой - конструкции с безопорным покрытием длиной более 60 м, хотя они уже относятся к категории уникальных. К последним относятся и строения с длиной пролета больше ста метров.

Но в любом случае, независимо от определения, современная архитектура однозначна в том, что большепролетные строения являются сложными объектами. А это означает и высокий уровень ответственности архитектора, необходимость в принятии дополнительных мер безопасности на каждом из этапов - архитектурное проектирование, строительство, эксплуатация.

Важным моментом является выбор строительного материала - дерева, ЖБК или стали. Помимо этих традиционных материалов используются и специальные ткани, тросы и углепластик. Выбор материала зависит от задач стоящих перед архитектором и специфики строительства. Рассмотрим основные материалы используемые в современном большепролетном строительстве.

Перспективы большепролетного строительства

Учитывая историю мировой архитектуры и неизбежное стремление человека к завоеванию пространства и созданию совершенных архитектурных форм, можно смело прогнозировать устойчивый рост внимания к большепролетным конструкциям. Что касается материалов, то помимо современных высокотехнологичных решений, всё большее внимание будет уделяться КДК, представляющим собой уникальный синтез традиционного материала и современных высоких технологий.

Что же касается России, то, учитывая темпы развития экономики и не удовлетворенную потребность в объектах различного назначения, в т. ч. торговой и спортивной инфраструктуры, объёмы строительства большепролетных здания и сооружений будут постоянно увеличиваться. И здесь всё большую роль будут играть уникальные конструкторские решения, качество материалов и использование инновационных технологий.

Но не забудем и об экономической составляющей. Именно она стоит и будет стоять во главе угла, и именно сквозь неё будет рассматриваться эффективность того или иного материала, технологии и конструкторского решения. И в этой связи опять хочется вспомнить про клееные деревянные конструкции. Им, по мнению многих экспертов, принадлежит будущее большепролетного строительства.

Большепролетные покрытия современных промышленных зданий, а также таких крупных общественных зданий, как спортивные залы, дворцы спорта, здания современных супер- и гипермаркетов, могут проектироваться как большепролетные плоскостные или пространственные конструкции. Они различаются по характеру своей статической работы. В плоскостных конструкциях все элементы работают под нагрузкой автономно, как правило, в одном направлении и не участвуют в работе соединенных с ними конструкций. В пространственных конструкциях все или большинство элементов работают совместно в двух направлениях. Благодаря такой совместной работе повышаются жесткость и несущая способность конструкции, снижается расход материалов на ее возведение.

Большепролетными плоскостными конструкциями являются балки и фермы покрытия. Балки могут быть прямоугольного и двускатного очертания. Нижний пояс балки работает на растяжение, а верхний – на сжатие. Поэтому в нижнем поясе должна размещаться основная рабочая арматура, а сечение верхнего пояса должно иметь большую площадь бетона, хорошо работающего на сжатие. На опорах балки должны быть утолщены для восприятия максимальной поперечной силы от опорных реакций. Об этом будет рассказано в соответствующих курсах строительной механики и конструкций. Пролеты балок не превышают 18 м.

Пролеты 15, 18, 24 м и более перекрываются стержневыми плоскостными конструкциями – стропильными фермами. На рис. 13.48 показаны типы ферм, различающиеся по форме и, в какой-то степени, по статической работе. Фермы могут быть железобетонными, стальными и деревянными. Примером деревянных стропильных ферм могут служить фермы, запроектированные и построенные инженером А. А. Бетанкуром для перекрытия 24-метрового пролета Центрального выставочного зала в бывшем Манеже на Манежной площади в Москве, которые после восстановления от пожара хорошо виды в интерьере.

Рис. 13.48.

а – основные типы ферм; б – узел опирания на колонну фермы с параллельными поясами при "нулевой" привязке (по внешней грани колонны); в – то же, полигональной при привязке 250 и 500 мм; г – то же, треугольной при "нулевой" привязке; 1 – надопорная стойка; 2 – колонна; 3 – ригель фахверка

Наряду с древнейшими стержневыми стоечно-балочными системами каркасных зданий с середины XX в. внедрены пространственные перекрестные стержневые системы.

Перекрестные стержневые системы образуются из линейных взаимно пересекающихся под углом 90 или 60° элементов (ферм или балок), которые образуют прямоугольную, треугольную или диагональную сетку (рис. 13.49). Совместная пространственная работа пересекающихся линейных элементов существенно повышает жесткость конструкции. По сравнению с обычными покрытиями из отдельных плоскостных элементов конструктивную высоту покрытия можно уменьшить более чем в два раза. Применение перекрестных стержневых систем наиболее целесообразно для перекрытия квадратных, круглых и многоугольных в плане помещений с пропорциями от 1: 1 до 1: 1,25. Для разгрузки основных пролетов целесообразно устройство консольных свесов перекрестного покрытия в 0,20–0,25 величины основного пролета.

Рис. 13.49.

а – ж – схемы перекрестных систем; з – к – положение опор под перекрестной системой; л – перекрестно-стержневое покрытие; м – варианты опирания и типы опор; L – пролет конструкции; L K – вылет консоли; 1 – опоры; 2 – окаймляющий несущий элемент (балка или ферма); 3 – стержень; 4 – коннектор; 5 – опора перекрестно-стержневой системы

Различают перекрестно-ребристые и перекрестно-стержневые системы. Перекрестно-ребристые выполняют из металлических или из железобетонных бачок или из досчатых элементов. Перекрестно-стержневые конструкции выполняют главным образом из металла в виде систем из двух или четырех плоских решетчатых дисков, раскрепленных в двух направлениях наклонными стержнями, которые образуют ряд одинаковых пирамид с вершинами внизу, раскрепленными стержнями нижнего решетчатого диска.

Арка представляет собой плоско-пространственную конструкцию в виде балки криволинейного (циркульного, параболического и др.) очертания (рис. 13.50, а). Эго как бы промежуточный тип конструкции между плоскостными и пространственными. В арках возникают в основном сжимающие и только при определенных условиях изгибающие усилия. Поэтому арками можно перекрывать значительно бо́льшие пролеты, чем балками. Однако в отличие от балок арки передают на опоры не только вертикальные, но и горизонтальные силы – растр. Поэтому опоры должны быть мощными, укреплены контрфорсами. Распор можно погасить также затяжками, стягивающими пяты арки и работающими на растяжение.

Цилиндрический свод (рис. 13.50, 6) – пространственная конструкция, составленная из множества арок, имеющая кривизну в одном направлении. Образующей в цилиндрическом своде является прямая, которая образует криволинейную поверхность по направляющей (по дуге арки). Такая поверхность удобна в строительном деле, так как для ее изготовления можно применять простую опалубку из прямых досок, укладываемых по криволинейным "кружалам".

Пересечение двух цилиндрических сводов с одинаковой стрелой подъема (f ) образует крестовый свод , состоящий из четырех равновеликих частей цилиндрического свода – распалубок и имеющий четыре опоры (рис. 13.50, в).

Рис. 13.50.

а – арка; б – цилиндрический свод; в – крестовый свод; г – сомкнутый свод: д – купол; е – парусный свод; ж – пологая оболочка; з – бочарный свод; и – лотковый свод; к – поверхность в форме гиперболического параболоида; л – покрытие из четырех оболочек в форме гиперболического параболоида; 1 – затяжка; 2 – распалубка; 3 – щека

Сомкнутый свод также образуется из четырех одинаковых частей поверхности цилиндрического свода, называемых лотками или щеками, но опирающихся по всему периметру перекрываемой площади (рис. 13.50, г).

Разнообразные виды сводчатых конструкций применялись в архитектуре Древней Персии. Большого расцвета они достигли в эпоху Древнего Рима и Византии (I в. до н.э. – IV в. н.э.). Возводились эти конструкции из кирпича, тесаного камня и бетона. Дальнейшее развитие они получили в эпоху романики и готики (XI–XV вв.). Стрельчатые готические арки и своды были занесены в Европу во время крестовых походов. Они были характерны для архитектуры Арабского халифата (VII–IX вв.). В современной строительной практике сводчатые конструкции выполняются из железобетона, армоцемента, а арочные – из железобетона, стали и дерева. В строительной механике такие конструктивные элементы называются оболочками .

Если половину арки вращать как образующую вокруг вертикальной оси, то получим купол (рис. 13.50, д). Поверхность купола имеет кривизну в двух направлениях. Оболочки, имеющие кривизну в двух направлениях, называются оболочками двоякой гауссовой кривизны (Карл Фридрих Гаусс – великий математик). Производной купола является парусный свод (парусная оболочка), который в отличие от купола опирается только на четыре опоры и перекрывает пространство, квадратное в плане (рис. 13.50, е).

Пологие оболочки двоякой положительной гауссовой кривизны (рис. 13.50, ж) находят широкое применение в строительстве современных общественных и промышленных зданий. К таким оболочкам относятся также оболочки переноса: бочарный и лотковый своды. Их поверхности образуются путем движения (переноса) кривой по другой кривой, расположенной в плоскости, перпендикулярной к плоскости первой кривой (рис. 13.50, з, и).

Особую группу криволинейных конструкций представляют оболочки двоякой отрицательной гауссовой кривизны в форме гиперболического параболоида , или гипара (рис. 13.50, к). Его поверхность образуется движением параболы ветвями вверх по параболе ветвями вниз, т.е. параболы имеют разные знаки. Лотковый свод также может иметь форму гиперболического параболоида. Гиперболический параболоид относится к числу линейчатых поверхностей и может быть образован путем применения прямолинейных конструктивных элементов. Из части параболоида, выделенной на рис. 13.50, к , можно путем различных комбинаций получить оригинальные виды оболочек (рис. 13.50, л ).

Полной (или гауссовой) кривизной поверхности К называется величина, обратная произведению радиусов кривых направляющей и образующей поверхности, т.е. .

В случае, когда оба радиуса имеют одинаковые знаки, т.е. их центры находятся с одной стороны от поверхности, величина К будет положительной (рис. 13.51, а). Во втором случае (рис. 13.51, б) значение К – отрицательное, так как радиусы имеют разные знаки. Поверхность называется поверхностью отрицательной гауссовой кривизны.

Рис. 13.51. Поверхности положительной (а) и отрицательной (б) кривизны

Оболочки двоякой кривизны являются распорными конструкциями. В большинстве типов сводов-оболочек распор направлен наружу. В гинарах и лотковых сводах он направлен вовнутрь. Это значит, что для восприятия распора в оболочках положительной кривизны и цилиндрических необходимо устраивать затяжки, как в арках. Вместо них можно применять диафрагмы по торцам и внутри длинных цилиндрических оболочек или опирать эти оболочки на мощные опоры, иногда усиливаемые контрфорсами.

Технические возможности применения камня в купольных сооружениях были исчерпаны в 1 тыс. н.э. при перекрытии здания Пантеона в Риме куполом диаметром 43,2 м. Купол опирается на кольцевую стену, толщина которой для погашения распора – 8м (рис. 13.52). Другим непревзойденным купольным сооружением древности является купол храма Св. Софии в Константинополе диаметром 31,5 м. Этот купол опирается через систему из четырех сферических парусов только на четыре опоры (рис. 13.53). В отличие от массивной стены в Пантеоне в храме Св. Софии распор купола передается через арки и полукупола на смежные пролеты (нефы), пространственная жесткость которых и позволяет выдержать горизонтальную составляющую распора.

Рис. 13.52.

а – общий вид: б – разрез

Рис. 13.53.

а – общий вид; б – план; в – аксонометрия несущих конструкций; 1 – арочные устои, воспринимающие распор покрытия в поперечном направлении; 2 – парус; 3 – купол; 4 – полукупола, воспринимающие распор в продольном направлении

В XX в. изменились геометрические параметры куполов и оболочек. Устойчивость каменной конструкции купола требовала, чтобы стрела его подъема составляла около половины его диаметра. Железобетон позволил уменьшить стрелу подъема до 1/5–1/6 диаметра и одновременно достичь такой тонкостенности куполов, которая превосходит тонкостенность биологических структур. Так, отношение толщины к диаметру у оболочки покрытия большого олимпийского дворца спорта в Риме, построенного в 1959 г. выдающимся инженером-архитектором Пьетро Луиджи Нерви, равно 1/1525. У куриного яйца оно составляет 1/100.

Применение железобетона и металла для сводов-оболочек положительной и отрицательной гауссовой кривизны позволяет делать их очень легкими и создавать новые архитектурные формы. На рис. 13.54 показано здание аквапарка в г. Воронеже, покрытое оболочкой в форме гиперболического параболоида. Железобетонная оболочка на прямоугольном плане стоит на двух "ногах" – основных опорах, расположенных в двух противоположных ее углах. Опоры воспринимают нормальные усилия от бортов и передают вертикальную реакцию на грунт, а горизонтальную составляющую – через подкос на затяжку, находящуюся в подвале сооружения. Восприятие несимметричных загружений обеспечивают металлические конструкции витражей. Остекленные стены придают зданию впечатление легкости и оригинальности.

Рис. 13.54.

Комбинированные оболочки начиная с последней трети XX в. получили широкое применение для покрытия большепролетных зданий. Они комбинируются из фрагментов оболочек с одинаковыми или разными знаками кривизны. Такие комбинации позволяют добиться выгодных технических параметров (например, уменьшение стрелы подъема) и получить индивидуальную выразительность архитектурных сооружений с различной формой плана. Наряду с покрытиями залов такие оболочки эффективны для применения в инженерных сооружениях – башнях, резервуарах и т.п.

Особую группу пространственных конструкций представляют складчатые конструкции (складки). Складки состоят из плоских или криволинейных тонкостенных элементов треугольного, трапециевидного или другой формы сечения (рис. 13.55). Они позволяют перекрывать большие пролеты (до 100 м), экономно используют материалы и часто определяют архитектурно-художественную выразительность сооружения. Складки, так же как и цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны, являются распорными конструкциями. Поэтому по торцам во всех волнах складки, или в одной, или нескольких волнах необходимо устраивать диафрагмы жесткости или горизонтальные стержневые связи, работающие на растяжение.

Рис. 13.55.

а, б – призматические пилообразные и трапецеидальные; в – пилообразные из треугольных плоскостей; г – шатер с плоским верхом; д – складка-капитель; е – складка-шатер со спущенными краями; ж – многогранный шатер; з – к – многогранные складчатые своды; л – многогранный складчатый купол; м – сборное складчатое призматическое покрытие; н – сборная складка из плоских элементов

Висячие конструкции известны с середины XIX в. Но широко применяться они стали на 100 лет позже. Основными несущими элементами в них являются гибкие тросы, цепи, кабели (ванты), воспринимающие только растягивающие усилия. Висячие системы (рис. 13.56) могут быть плоскими и пространственными. В плоских конструкциях опорные реакции параллельных рабочих тросов передаются на опорные пилоны, способные воспринять вертикальные опорные реакции и распор, который в этом случае действует в направлении, противоположном распору в выпуклых оболочках. Поэтому для его восприятия в некоторых случаях применяются оттяжки (см. рис. 13.56, а), надежно заделанные в земле с помощью анкеров – специальных элементов, способных выдержать выдергивающие усилия. Иногда отрицательный распор воспринимается самой формой опорных конструкций, как, например, в спортивном зале в Бремене (Германия) (рис. 13.57). Здесь опорные конструкции выполнены в виде трибун, уравновешивающих этот распор.

Рис. 13.56. :

а – плоская: б – пространственная двоякой кривизны: в – пространственная горизонтальная

Рис. 13.57.

К основной конструкции при помощи растянутых тросов подвешивается ограждающая конструкция покрытия. Ограждающая конструкция может быть выполнена также из монолитного железобетона или из сборных железобетонных плит, которые играют также роль пригрузочных элементов, препятствующих обратному выгибу таких покрытий при ветровом "отсосе", т.е. ветровой нагрузке, направленной снизу вверх. Для обеспечения геометрической неизменяемости таких конструкций используют различные способы их стабилизации. В вышеописанных плоских системах часто прибегают к предварительному напряжению путем укладки поверх плит дополнительного пригруза. После удаления пригруза тросы, пытаясь сократиться до первоначальной длины, обжимают замоноличениое железобетонное покрытие, превращая его в висячую вогнутую жесткую оболочку. Водоотвод с кровли в таких конструкциях осуществляется регулированием натяжения вант покрытия (более сильное – в центре здания, более слабое – по торцам).

Пространственная висячая конструкция (рис. 13.58) состоит из опорного контура и из системы тросов, образующих поверхность, по которой может быть уложена ограждающая конструкция. Опорный контур (железобетонный или стальной) воспринимает распор от системы тросов. Вертикальные нагрузки передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или на другие конструкции. Для стабилизации пространственных висячих конструкций часто применяют две системы тросов – рабочих и стабилизирующих (двухпоясная конструкция). Тросы обеих систем располагаются попарно в плоскостях, перпендикулярных поверхности покрытия, и соединяются друг с другом жесткими распорками, создающими предварительное напряжение тросов. В статической работе такой системы ограждающая конструкция покрытия не участвует и может быть устроена по несущим (провисающим) или по стабилизирующим (выпуклым) тросам (рис. 13.59).

Рис. 13.58.

а – покрытие арены в США; б – покрытие певческой эстрады в Таллине; в – вантовая преднапряжная сетка с тросами-подборами; г – сетчатое многомачтовое покрытие выставочного павильона ФРГ на Всемирной выставке 1967 г. в Монреале; д – его план с горизонталями; 1 – несущие ванты; 2 – предварительно напряженные стабилизирующие ванты; 3 – две пересекающиеся наклонные арки – опорный контур; 4 – оттяжки, используемые как каркас ограждения; 5 – передняя наклонная арка; 6 – задняя опорная арка, опертая на стену; 7 – опоры; 8 – трибуны; 9 – фундаменты; 10 – фундамент под стену; 11 – тросы-подборы; 12 – оттяжки; 13 – анкеры; 14 – мачты под верхнее опирание тросов-подборов; 15 – горизонтали покрытия

Рис. 13.59.

а – двухпоясное на круглом плане над аудиторией (США); б – то же, над Дворцом спорта "Юбилейный" в Санкт-Петербурге; 1 – несущие ванты; 2 – стабилизирующие ванты; 3 – распорки; 4 – центральный барабан с фонарем; 5 – опорный контур; 6 – стойки; 7 – трибуны; 8 – оттяжки; 9, 10 – кольцевые связи жесткости; 11 – подвешенная платформа для оборудования

Мембранные оболочки наиболее эффективны среди висячих конструкций, так как они совмещают несущие и ограждающие функции. Они состоят из тонких металлических листов, закрепленных на контуре. Используя в качестве материала сталь толщиной всего 2–5 мм, ими можно перекрывать пролеты свыше 300 м. Мембрана работает в основном на растяжение в двух направлениях. Таким образом, опасность потери устойчивости исключается. Усилия с пролетной конструкции воспринимаются замкнутым опорным контуром, работающим совместно с мембраной, которая в большинстве случаев обеспечивает его устойчивость. Максимальный пролет (224 χ 183 м) перекрыт металлическим мембранным покрытием над Дворцом спорта "Олимпийский" в Москве. На рис. 13.60 показаны общий вид и процесс монтажа мембранной оболочки над конькобежным центром в г. Коломне.

Рис. 13.60.

а – архитектурный макет комплекса; б – подача рулонированных полотнищ мембраны, их раскатка по временным элементам постели

Тентовые покрытия используются как временные сооружения больших пролетов – цирки шапито, склады, спортивные и выставочные павильоны. В зависимости от вида мягкого материала такие сооружения могут применяться и для ответственных сооружений. Примером могут служить олимпийские сооружения в Мюнхене (Германия), которые были построены к Олимпиаде 1972 г., но прекрасно эксплуатируются уже в течение 40 лет. Материалом покрытия служит специальное светопрозрачное гибкое органическое стекло – плексиглас-215. Это предварительно напряженный материал, по внешнему виду ничем не отличающийся от обычного органического стекла.

Пневматические конструкции начиная со второй половины XX в. широко применяются для временных сооружений, требующих быстрого монтажа и демонтажа (временные склады, выставочные павильоны). В последние годы такие конструкции стали применяться для массового строительства спортивных залов. Применяются такие конструкции и для опалубки при возведении монолитных железобетонных оболочек. Конструкции выполняются из воздухонепроницаемой прорезиненной ткани, синтетических пленок или других мягких воздухонепроницаемых материалов. Конструкция занимает проектное положение благодаря избыточному давлению заполняющего ее воздуха. Различают воздухоопорные и пневмокаркасные конструкции (рис. 13.61).

Рис. 13.61.

а, б – воздухоопорные; в – пневматическая линза; г – фрагмент стеганой конструкции; д, е – каркасные пневматические сводчатые покрытия; ж – пневматический арочный купол; 1 – воздухонепроницаемая оболочка; 2 – окно-иллюминатор из органического стекла; 3 – анкеры-штопоры для крепления к грунту; 4 – шлюз; 5 – тяж-"простежка"; 6 – стальной опорный пояс линзы; 7 – растяжка для придания продольной устойчивости и поддержки тента покрытия

Проектное положение воздухоопорной конструкции обеспечивается очень незначительным избыточным давлением (0,002–0,01 атм), которое не ощущается людьми, находящимися в помещении. Для сохранения избыточного давления входы в помещения осуществляются через специальные шлюзы с герметическими дверьми. В систему инженерного оборудования включены вентиляторы, при необходимости подкачивающие воздух внутрь помещения. Характерные пролеты – 18–24 м. Но существуют проекты в Канаде по перекрытию целых городов в Арктике воздухоопорными оболочками пролетом до 5 км и более. Пневматические каркасы (воздухонесущие системы) выполняют из длинных узких баллонов, в которых создают избыточное давление (0,3–1,0 атм). Конструктивная форма такого каркаса – арочная. Арки устанавливаются вплотную друг к другу, образуя сплошной свод, либо на расстоянии. Шаг арок – 3–4 м, пролет – 12–18 м.