Большепролетные здания. Строительные конструкции. Двухстенчатые сечения поясов ферм. Сечения стержней арки могут быть одностенчатыми или двухстенчатыми. Рамы и арки являются статически неопределимыми системами. Большепролетные здания Здания и сооружения

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.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Макеевка 2011г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

Кафедра “Экономика предприятий”

Разработал: к.э.н., доц. Захарченко Д.А.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу «Основы строительной отрасли»

для студентов специальности 6.030504 «Экономика предприятий»

№ кода _______

Утверждено на заседании кафедры

«Экономика предприятий»

ПРОТОКОЛ № __ от _______2011 р.

Макеевка 2011г.

ТЕМА 4. БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

К большепролетным сооружениям относят такие, которые имеют пролеты более 40-80 м. Сравнительно недавно такие сооружения считались уникальными и строились крайне редко, в настоящее время быстрое развитие науки и техники, а также большая потребность в таких сооружениях в промышленности и сфере досуга и развлечения предопределили интенсивное строительство таких сооружений во многих странах.

Особый интерес представляют пространственные конструкции, которые состоят не из отдельных, независимых несущих элементов, передающих нагрузку друг друга, а представляют единую комплексную систему работающих частей конструкции.

Такой пространственный характер конструкций, широко внедряемый в строительство во всем мире - символ строительной техники 20в. И хотя некоторые виды пространственных конструкций - купола, крестовые и своды - были известны с древности, однако ни по применяемости материалов, ни по конструктивным решениям они не отвечают современным требованиям строительства, так как хотя и перекрывали значительные пролеты, но при этом были чрезвычайно тяжелы и массивны.

В пространственных конструкциях привлекает, и их способность оптимально удовлетворять функциональным и эстетическим требованиям архитектуры. Масштабы перекрываемых пролетов, возможность осуществлять гибкую планировку, разнообразие геометрических форм, материалов, архитектурная выразительность - вот далеко не полный перечень особенностей этих конструкций.

Сочетание функционального, технического и художественно-эстетического обеспечивает пространственным конструкциям широкую перспективу, не говоря уже о том, что их применение позволяет получить огромную экономию строительных материалов - на 20-30% снизить материалоемкость зданий и сооружений.

К плоскостным большепролетным сооружениям относятся балки, рамы, фермы, арки. Плоскостные конструкции работают под нагрузкой автономно, каждая в своей плоскости. Несущий элемент плоскостных конструкций, перекрывающих какую-то площадь здания (плита, балка, ферма) работает самостоятельно не участвуют в работе элементов, к которым он примыкает. Это обуславливает меньшую пространственную жесткость и несущую способность плоскостных элементов по сравнению с пространственными, а также их более высокую ресурсоемкость в первую очередь повышенный расход материалов.

Рис. 4.1. Конструктивные решения большепролетных конструкций

а - плоские конструкции; б - пространственные конструкции; в - висячие конструкции; г - пневматические конструкции; 1- фермы; 2 - рамы; 3-4 шарнирные арки; 5- цилиндрические оболочки; 6- оболочки двоякой кривизны; 7- купола; 8- структуры; 9- вантовые конструкции; 10- мембранные конструкции; 11- тентовые конструкции; 12- пневмоопорные конструкции; 13- пневмокаркасные конструкции;

Монтаж рам сплошной конструкции производят двумя самоходными стреловыми кранами. Сначала на фундамент устанавливают стойки рамы с частью ригеля , опирающиеся на временную опору, а затем монтируют средний участок ригеля. Соединение частей ригеля производится на временных опорах сваркой или крепкой. После монтажа первой рамы конструкции расчаливают с помощью растяжек.

В ряде случаев рамные конструкции целесообразно монтировать методом надвижки. Такой метод применяют, если рамные конструкции невозможно сразу установить в проектное положение (внутри ведутся работы либо уже возведены конструкции, не позволяющие расположить краны).

Блок собирают в торце здания в специальном кондукторе из 2-3 или 4 ферм. Собранный и закрепленный блок по рельсовым путям поднимают в проектное положение. Устанавливают при помощи домкратов или с помощью легких кранов.

Арочные конструкции бывают 2-х типов: в виде 2-х шарнирной арки с затяжкой и 3-х шарнирной арки. При монтаже арочных конструкций, имеющих несущую часть в виде двухшарнирной арки, производится аналогично монтажу рамных конструкций с помощью самоходных стреловых кранов . Основное требование - это высокая точность монтажа, гарантирующая совмещение пятого (опорного) шарнира с опорой.

Монтаж трехшарнирных арок отличается некоторыми особенностями, связанными с наличием верхнего шарнира. Сборка последнего выполняется при помощи временной монтажной опоры, устанавливаемой посередине пролета. Монтаж производиться методом вертикального подъема, методами скольжения или поворота.

Рис. 4.3. Монтаж рам

а - монтаж целиком двумя кранами; б - монтаж рам частями с использованием временных опор; в - монтаж рам методом поворота; 1-монтажный кран; 2-рама в сборе; 3-части рамы; 4-временные опоры; 5-лебедки; 6-монтажные стрелы.

Каждую полуарку стропят у центра тяжести и устанавливают так, чтобы пятовый шарнир был заведен на опору, а второй конец на временную опору. То же с другой полуаркой. Вращением в пятовом шарнире достигается совмещением осей замковых отверстий верхнего шарнира.

В пространственных конструкциях все элементы связаны между собой и участвуют в работе. Это приводит к значительному снижению расхода металла на единицу площади. Однако до последнего времени такие пространственные системы (купольные, вантовые, структурные, оболочки) не получали развития из-за высокой трудоемкости изготовления и монтажа.

Рис. 4.4. Монтаж купола с помощью временной центральной опоры

А - система разрезки купола; Б - монтаж купола; 1-временная опора с растяжками; 2-радиальнае панели; 3-опорное кольцо;

Купольные системы монтируются из отдельных стержней или из отдельных пластин. В зависимости от конструктивного решения, монтаж купольных конструкций может быть выполнен и с использованием временной стационарной опоры, навесным способом или в целом виде.

Сферические купола возводят кольцевыми ярусами, навесным способом. Каждый такой ярус обладает после полной сборки статистической устойчивостью и несущей способностью и служит основанием для вышележащего яруса. Сборные купола могут монтироваться при помощи кондукторных устройств и временных креплений - купол цирка в Киеве, или купол целиком собирается на земле и затем поднимается на проектный горизонт краном, пневмотранспортом или подъемником. Используется метод подращивания снизу.

Висячие конструкции стали применять со 2-й половины 19 века. И одним из первых примеров является покрытие павильона Всероссийской Нижегородской ярмарки, выполненное в 1896г. выдающимся советским инженером Шуховым .

Опыт применения таких систем доказал их прогрессивность, поскольку они позволяют максимально использовать высокопрочные стали и легкие ограждающие конструкции из пластиков и алюминиевых сплавов, что дает возможность создавать покрытия значительных пролетов.

Рис. 4.5. Монтаж висячих конструкций

1-башенный кран; 2-траверса; 3-тросовая полуферма; 4-центральный барабан; 5-временная опора; 6-смонтированная полуферма; 7- опорное кольцо.

В последнее время широкое распространение получили рамные висячие конструкции. Особенность устройства висячих конструкций заключается в том, что вначале возводятся несущие опоры, на которые укладывается опорный контур, воспринимающий натяжение от нитей вант. После их полной раскладки, покрытие загружают временной нагрузкой с учетом полной расчетной нагрузки. Такой прием предварительной напряженности исключает появление трещин в оболочке после полной ее нагрузки во время эксплуатации.

Разновидностью висячих вантовых конструкций являются мембранные покрытия. Мембранное покрытие представляет собой висячую систему в виде тонкой металлической листовой конструкции натянутой на железобетонный опорный контур. Один конец рулона закрепляется на опорном контуре, а рулон при помощи специального траверса краном разматывают на всю длину, натягивают лебедками и закрепляют на противоположном участке опорного контура.

Недостатком мембранных покрытий является необходимость сварки тонких листов по длине и монтажных элементов между собой с нахлестом в 50 мм. При этом практически невозможно получить сваркой шов равнопрочный с основным металлом, поэтому толщина листа искусственно завышается. Эта проблема в какой-то мере решается системой переплетенных лент из алюминиевых сплавов .

Первые длинные цилиндрические оболочки впервые были применены в 1928г. в Харькове при сооружении почтамта.

Длинные цилиндрические оболочки поставляются в полностью законченном виде или укрупняют по месту. Вес монтажных элементов 3х12 около 4 тонн. До подъема производится укрупнение в передвижном кондукторе двух плит вместе с затяжкой в один элемент. При укрупнении производят сварку закладных деталей в стыке, натяжение затяжки и замоноличивание швов.

Установив 8 укрупненных секций, образующих пролет 24м, их выверяют, чтобы совпадали и отверстия, далее сваривают все закладные детали и выпуски продольной арматуры , производят натяжение арматуры и бетонирование швов. После выдержки бетона оболочку раскружаливают и переставляют подмости.

В строительной практике пространственные, перекрестные, ребристые и стержневые конструкции обычно объединяют под названием структурные конструкции.

Перекрестные системы конструктивных различных форм покрытий с прямоугольными и диагональными решетками получили широкое распространение сравнительно недавно со второй половины 20 века в таких странах как США, Германия, Канада, Англия, бывший СССР.

Определенное время структурные конструкции не получали широкого развития из-за высокой трудоемкости изготовления и особенностей монтажа конструкции. Усовершенствование конструкции, особенно с использованием ЭВМ, позволило обеспечит переход на поточное их изготовление, снизить трудоемкость их расчета, повысить его точность и, следовательно, надежность.

Рис.4.6. Покрытие здания из крупноразмерных плит

1-плита размером 3х24м; 2-зенитный фонарь; 3-подстропильная ферма; 4- колонна.

В основе перекрестно-стержневых систем лежит опорная геометрическая форма. Отличительная особенность разных типов структурных конструкций - пространственный узел сопряжения стержней, который и определяет в значительной мере трудоемкость изготовления и сборки этих конструкций.

Структурные конструкции обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными плоскостными решениями в виде рам и балочных конструкций:

являются сборно-разборными и могут использоваться многократно;
могут изготавливаться на поточных автоматизированных линиях, чему способствует высокая типизация и унификация структурных элементов (часто необходим один тип стержней и один тип узла);
сборка не требует высокой квалификации;
имеют компактную упаковку и удобны при перевозке.

Наряду с отмеченными преимуществами структурные конструкции имеют и ряд недостатков:

укрупнительная сборка требует применения значительного объема ручного труда;
ограниченная несущая способность отдельных типов конструкций;
низкая заводская готовность поступающих на монтаж конструкций.

Пневмоконструкции используются для временного укрытия или для использования в каких-то вспомогательных целях, например в качестве опорных конструкций при возведении оболочек и других пространственных конструкций.

Пневматические покрытия могут быть 2-х видов - воздухоопрные и воздухонесущие. В первом случае небольшое избыточное давление мягкой оболочки сооружения обеспечивает получение необходимой формы. И эта форма будет сохраняться, пока будет поддерживаться подача воздуха и необходимое избыточное давление.

Во втором случае - несущий конструкцией служат заполненные воздухом трубы из эластичного материала, образующие как бы каркас сооружения. Иногда их называют пневматическими сооружениями высокого давления, потому что давление воздуха в трубах намного выше, чем под воздухоопорной пленкой.

Возведение воздухоопорных сооружений начинают с подготовки площадки, на которую укладывают бетон или асфальт. По контуру сооружения устраивают фундамент с анкерными и уплотняющими устройствами. Под действием воздушного давления оболочка распрямляется и приобретает проектную форму.

Воздухонесущие или пневмокаркасные конструкции сооружаются аналогично воздухоопорным, лишь с той разницей, что воздух подают от компрессора по резиновым трубами и через специальные вентили закачивается в замкнутые каналы так называемого каркаса сооружения. Благодаря высокому давлению в камерах каркас занимает проектное положение (чаще всего в виде арок) и поднимает за собой ограждающую ткань.

Атриум одного из американских отелей, принадлежащих «Gaylord Hotels

будущее проистекает из настоящего
и определяется той дорогой, которой мы сегодня отдаём своё предпочтение

Большепролетные светопрозрачные конструкции становятся неотъемлемой частью городской архитектуры ХХI века. Лучшие зодчие сегодня все чаще создают удивительные комплексы зданий, центром притяжения в которых, неким пространственным ядром, являются большие атриумные пространства – объемные, наполненные светом и комфортом, хорошо защищенные от негативных внешних воздействий и накрытые надежными светопрозрачными покрытиями.
Дальнейшее активное развитие таких сооружений, вероятно, способно в недалеком будущем не только максимально расширить комфортное и безопасное пространство среды обитания человека, но также позволит в перспективе изменить облик наших городов и улучшить их сегодняшнее состояние.

Зодчество эпохи глобализации

Во все времена своей истории люди стремились оградить и защитить себя от многочисленных неблагоприятных и опасных воздействий со стороны среды своего обитания. Жара и холод, дождь и ветер, хищные животные и дикие люди всегда составляли известную проблему для спокойной жизни человека. Поэтому издревле наши предки начали строить для себя укрытия, которые, создавая защищенную от внешних воздействий искусственную среду, привносили в их жизнь больше желанного комфорта и безопасности. А возникшая архитектура, как удивительный и превосходный инструмент этих созидательных действий человека, с самого своего зарождения и на всех этапах развития, старалась максимально использовать имеющиеся технические возможности и существующие эстетические воззрения в обществе для лучшего удовлетворения этих важных человеческих потребностей: и в комфорте, и в безопасности.

Сегодня наступила эпоха невиданного развития технологий, и в строительной сфере это сделало возможным реализацию практически любых, самых смелых архитектурных идей. В связи с этим, основными факторами, ограничивающими воплощение в жизнь всех значимых проектов современных архитекторов, сегодня чаще является уже не отсутствие технических возможностей для строительства большого и сложного объекта, но лишь некоторые наши субъективные представления о нем, такие как: недостаточная польза будущего сооружения, его малая востребованность и низкая рентабельность, либо слишком продолжительное время будущего строительства и высокая цена реализации. Одновременно, с начинающимся бумом внедрения во всем мире принципов «устойчивого развития» и «зеленого строительства», наличие фактора экоустойчивости зданий также приобретает для их строительства всё больший вес.

С открывшимися широкими техническими возможностями для развития архитектуры XXI века, современные зодчие в своей работе, думается, должны начинать в большей мере учитывать то существенное воздействие, которое оказывают их проекты на развитие городской среды. Очевидно, что современные мегаполисы, став заложниками прошлого пути своего развития, и продолжающегося подхода к их застройке, постепенно все больше превращаются в многофакторную проблему для спокойствия и безопасности своих жителей.

Вступив в эпоху глобализации, наш мир сильно изменился за последние годы, и сегодня уже вряд ли можно найти разумные оправдания для продолжающегося формирования скученного проживания людей в отдельных точках пространства. Наше общество начинает понимать губительность этого процесса, но городская архитектура, к сожалению, все еще продолжает идти по пути создания высотных проектов и уплотнения городской застройки, провоцируя тем самым ещё большую концентрацию населения в отдельных точках уже и так излишне перенаселённого пространства.

Вместе с тем, обладая современными технологиями и используя свое колоссальное воздействие на жизнь общества, архитектура ХХI века может не только максимально расширить комфортное и безопасное пространство среды обитания человека, но также способна и должна попытаться шаг за шагом кардинально изменить облик наших городов и улучшить их сегодняшнее состояние. Кроме того, Архитектура, как непревзойденная повелительница пространства, времени и воображения многих людей, обязательно будет всё активнее способствовать возникновению принципиально новых экогородов и экопоселений.

Город под куполом

Мечта о светопрозрачных покрытиях, защищающих улицы и городские кварталы от дождя и снега, зародилась у людей очень давно. Но только с приходом промышленной революции, принесшей широкие технические и финансовые возможности, реализация подобных проектов становится осуществима. Лишь за период второй половины ХIХ века, большие крытые стеклом пассажи-галереи с рядами дорогих магазинов и уютных кафе появились в большинстве главных городов Европы и Америки. А одной из самых первых заметных жемчужин, того периода развития больших остекленных атриумных пространств является знаменитая Галерея Виктора Эммануила II в Милане, открытая для посетителей ещё в 1877 году.

Рис.2. Галерея Виктора Эммануила II в Милане.

Так как прогресс остановить невозможно, то активно участвовать в нем, а не оставаться на задворках истории – задача всех великих стран. Именно поэтому, со второй половины ХХ века строительная наука в СССР, США и некоторых других странах уже серьезно работала над возможностью обеспечить защиту своих городов большими светопрозрачными куполами от: нежелательных явлений погоды, негативных особенностей местного климата, излишнего уровня солнечного излучения и других, неблагоприятных для человека воздействий внешней среды. За последние годы к списку факторов стимулирующих дальнейшие исследования в этом направлении, можно добавить: быстрые и непредсказуемые изменения климата на планете, угрожающее увеличение загрязнения окружающей среды, возрастающие угрозы экстремизма, а также желание людей снизить чрезвычайно высокую энергозатратность жизнедеятельности своих городов.

Сегодня создание большепролетных светопрозрачных защитных сооружений (далее БСЗС), в которых много естественного света и комфорта, активизировалось как никогда ранее. Появляются новые идеи и создаются разнообразные уникальные проекты - такие, например, как «Купол над Хьюстоном» - , а некоторые из этих удивительных проектов уже реализуются. Так, в Астане, при помощи английских инженеров и турецких строителей, построен 100-метровый (без учета высоты шпиля) светопрозрачный шатер, в котором разместился самый большой и презентабельный в Казахстане торгово-развлекательный центр.

Еще более удивительное и грандиозное сооружение создали в Германии - это центр водных развлечений «Тропические острова» , который имеет внутренний объем около 5,5 млн. куб. м и по праву является на сегодня самой большой по этому показателю светопрозрачной постройкой в мире.

Рис.3-5. Центр водных развлечений «Tropical Islands» в Германии

Важным этапом на пути развития объемных светопрозрачных сооружений явилось научное обоснование возможности их ощутимой эффективности - и в экономичности энергопотребления, и в значительном сокращении теплопотерь, при одновременном существенном расширении вновь создаваемого удобного и востребованного общественного пространства.

Заслуга в этом обосновании принадлежит английским и американским архитекторам и ученым, но, в первую очередь, можно выделить работы Терри Фаррелла и Рольфа Лебенса, которые на границе 70-80-х годов ХХ века создали концепцию «буферного мышления». Результатом этой концепции стало активное внедрение в мировую архитектурную практику "буферного эффекта" или "принципа двойного ограждения".

При исследовании вопроса, возможности создания эффективных больших атриумных пространств, были выделены согревающий, охлаждающий и трансформируемый типы атриумов. С той поры прошло лишь немногим более 30 лет, но даже за этот небольшой период времени современные атриумные пространства завоевали весь цивилизованный архитектурный мир (фото американских атриумов, приведённые в этой статье – малая толика имеющегося множества и многообразия построенных за эти годы атриумных пространств). К сожалению, современная Россия, в этом смысле, пока не имеет больших достижений.

Соглашаясь с имеющимися доводами специалистов, по целесообразности применения в современной архитектуре больших атриумных пространств, и не пытаясь оспаривать их выводы, автор статьи далее предлагает рассмотреть возможность того, как, с помощью многопоясных тросовых конструкций, создавать (перекрывать) такие пространства дешевле и надёжнее, а также особо не ограничиваться размерами атриумов, внедрив новую технологию перекрытия больших пролетов. Думается, что в условиях России, даже лишь создание самого простого второго ограждения (буферного пространства) вокруг городских кварталов позволит благоразумно использовать те многочисленные теплопотери накрываемых зданий, которые не будут безвозвратно растворятся в окружающем пространстве, а обеспечат обогрев образовавшихся атриумных пространств. Только за счет качественного светопрозрачного защитного покрытия, температура в таких атриумных пространствах в зимний период может быть на 10-15 градусов выше уличной.

В летний период, кроме разумного регулируемого частичного затенения внутреннего пространства, от излишнего солнечного излучения и перегрева, можно предусмотреть раскрытие вентиляционных проемов в светопрозрачном покрытии, а так же осуществлять другие - известные и эффективные методы создания комфортного микроклимата внутри всего светопрозрачного комплекса. Очевидно, что создание комфортного и стабильного микроклимата в одном большом замкнутом пространстве будет осуществить намного проще и дешевле, чем обеспечить такие же комфортные условия одновременно в тысячах небольших помещений.
Сама природа объемных светопрозрачных сооружений располагает к тому, чтобы мы отбросили некоторые стереотипы своего мышления, на решение подобных задач, и взглянули заново на возможность создания комфортной среды в новых условиях больших объемных пространств. При этом уже есть новые эффективные технические решения, использующие важные преимущества больших пространств и позволяющие обеспечить стабильные комфортные условия для всего внутреннего пространства БСЗС при значительно меньших энергетических затратах.

Между тем, возможности применения многопоясных тросовых покрытий, видятся, шире. Так процесс строительства экогородов, который пока еще только зарождается и робко заявляет о себе, так же нельзя представить без большепролетных светопрозрачных сооружений. Хочется думать, что ХХI век, оценив новую большепролетную светопрозрачную архитектуру, будет активно её развивать и совершенствовать, а также постарается с её помощью быстрее совершить прорыв в градостроительстве, заменив унылые, энергонеэффективные и небезопасные каменные джунгли современных мегаполисов на удобные, комфортные и экологичные города.

Рис. 6-11 Masdar City (иллюстрации Foster + Partners).

Самым амбициозным и помпезным проектом экогорода сегодня можно назвать Masdar City . Вероятно, это первая по-настоящему серьезная попытка комплексного подхода к организации города будущего - обеспечиваемого энергией из возобновляемых источников (солнце, ветер и др) и имеющего устойчивую экологическую среду с минимальными выбросами углекислого газа в атмосферу, а также системой полной переработки отходов городской деятельности.
К сожалению, место для строительства Masdar City, выбрано не самое удачное и будущим жителям и эксплуатирующим организациям еще придется ощутить на себе некоторые неудобства месторасположения этого уголка пустыни. Так очевидно, что заложенные в проект города технические решения не смогут в полной мере справиться с 50-ти градусной летней жарой (исключение составят замкнутые пространства, в том числе все атриумы). Периоды дождей в декабре-январе, а позже сезон сильных туманов также не смогут быть комфортны для жителей нового города. А если мы вспомним о довольно частых зимне-весенних песчаных бурях в той части пустыни, то поймем, что без большепролетных светопрозрачных покрытий, накрывающих и защищающих городские кварталы от этих местных природных явлений, городским жителям периодически придется испытывать определенные неудобства.
Предлагаемая ниже концепция строительства большепролетных светопрозрачных сооружений хорошо вписывается в проекты подобные Masdar City и, думается, что вполне способна помочь таким проектам сэкономить средства как на строительстве, так и на эксплуатации современных городов. А также сделать эти города защищеннее и комфортнее.

Рис.6-11. Таким можно видеть будущий Masdar City на красочных рекламных проспектах и журнальных иллюстрациях (иллюстрации Foster + Partners).

В 2012 году российскими инженерами была разработана технически доступная сегодня и эффективная в реализации концепция перекрытия больших пролетов, позволяющая обеспечить строительство разнообразных большепролетных зданий и сооружений . Идея заключается в создании над комплексом зданий многопоясного тросового покрытия, которое, перекрывая большие пролеты между опорными зданиями, сможет нести любую расчетную нагрузку и создаст для всего комплекса единое прочное и надёжное светопрозрачное покрытие. Покрытие обеспечит возможность поддержания в замкнутом внутреннем пространстве такого объекта постоянных и комфортных для человека параметров: температуры, влажности, подвижности и чистоты воздуха, освещенности, безопасности и др.
В основу идеи многопоясных тросовых систем заложены известные принципы висячих конструкций, которые уже более полувека широко применяются в мире для строительства большепролетных зданий и сооружений. Но более широкого распространения в большепролетном строительстве висячие конструкции не получили из-за некоторых своих недостатков. Так большепролетные здания с висячими конструкциями покрытий, как правило, не могут обеспечить уклон кровли наружу здания, что создаёт дополнительные трудности с отводом атмосферных осадков с покрытия. Кроме этого, создавая очень значительные горизонтальные нагрузки в высоких опорах, вантовые конструкции вынуждают строителей решать эту проблему дополнительными финансовыми вложениями в мощные контрфорсы для этих нагрузок. Но самым основным недостатком висячих конструкций является их большая деформативность под действием местных нагрузок.

Многопоясным тросовым системам удалось преодолеть перечисленные недостатки большепролетных вантовых покрытий и даже создать возможность для успешного перекрытия гораздо больших пролетов, что сегодня может дать новый импульс в развитие большепролетного строительства.

Известно, что перекрытие больших пролетов во все времена развития нашей цивилизации интересовало и привлекало внимание не только архитекторов и строителей, но и обычных людей. Создание величественных сооружений с большепролетными пространствами всегда являлось показателем передового развития инженерного искусства, а также технического и финансового могущества стран, способных построить такие сооружения.

Что такое многопоясное тросовое покрытие и как оно работает?

Чтобы понять, как работает многопоясное тросовое покрытие надо представить конструкцию любого известного большепролётного покрытия, которым перекрыли пролёт между двумя опорными зданиями. (например, пространственную перекрёстно-стержневую плиту). Если пролёт достаточно большой, то это покрытие под собственным весом неизбежно прогнётся, а при воздействии на него дополнительных внешних нагрузок (от снега, ветра и др) может разрушиться. Но, чтобы этого не произошло и большепролётное покрытие не обрушилось, мы натягиваем под ним высокопрочные стальные тросы в несколько рядов (поясов), от одного опорного здания до другого, выполняем их натяжение и устанавливаем (через определённые расстояния по длине тросов) между поясами образовавшейся тросовой системы, распорные стойки, а между соседними тросами во всех поясах тросовой системы – распорки и/или растяжки. Многопоясность помогает добиться того, что на любой длине пролета тросовая система является двояковыпуклой и подпирает собой снизу рассматриваемое прогнувшееся покрытие.

При этом, в покрытии, за счёт натяжения тросов и работы распорных стоек, не только исчезнет образовавшийся прогиб, но и возникнет прогиб с обратным знаком – вверх. Это позволяет покрытию не только не разрушится под воздействием на него предельных нагрузок, но, напротив, будет способствовать возможности восприятия им значительных дополнительных нагрузок, в соответствие тем расчётными характеристиками тросовой системы, которые ей будут заданы проектом.
Специалистам понятно, что система преднапряжённых тросовых конструкций, несущих жёсткое, прочное и устойчивое покрытие, невозможна без мощных опорных элементов (воспринимающих горизонтальные составляющие от распора тросовой системы), а также стабилизирующей системы, воспринимающей все временные нагрузки на покрытие, в том числе отрицательное давление ветра. Поэтому предлагаемая концепция строительства БСЗС учитывает все необходимые для этих сооружений условия.
Так, чтобы придать многопоясному тросовому покрытию неизменяемость под действием временных нагрузок, дополнительно предусмотрено, с помощью оттяжек, догрузить покрытие на расчетную величину. При этом, оттяжки покрытия крепятся к фундаментам опорных зданий, что позволяет избежать увеличения нагрузки на эти фундаменты от дополнительного веса большепролетного покрытия, вызванного натяжением оттяжек.

В результате совместной работы многопоясной тросовой системы и расположенного на ней остекленного рамного покрытия образовалось единое, легкое и надёжное большепролётное светопрозрачное тросовое покрытие, которое уже сегодня способно перекрывать пролёты в 200-350 и более метров.
Понятно, что кровельное покрытие, основой для которого являются большепролетные многопоясные тросовые системы, по желанию, можно выполнить из любого гидро-теплоизоляционного материала,в том числе и светопрозрачного. Например, в условиях низких температур окружающего воздуха, лучшим на сегодня светопрозрачным материалом являются многокамерные стектопакеты.

Преимущества многопоясных тросовых систем перед известными сегодня техническими решениями, применяющимися при перекрытии больших пролетов, очевидны. Это очень значительная прочность и надежность таких систем, превосходная несущая способность, легкость конструкций, возможность перекрывать существенно бОльшие пролеты, лучшая светопропускная способность покрытия, в несколько раз меньшая металлоемкость конструкций и, как следствие, относительно невысокая стоимость всего покрытия.

Применение многопоясных тросовых систем.

Надо отметить, что технология перекрытия больших и сверхбольших пролетов с помощью многопоясных тросовых систем позволит строить самые разнообразные по объему, форме и назначению сооружения. Это могут быть: самые большие по размерам ангары и производственные цеха, крытые легкоатлетические и футбольные стадионы, большепролетные общественные пространства, развлекательные и торговые центры, жилые кварталы под светопрозрачной оболочкой, большие стеклянные пирамиды и купола (в которых можно размещать самые разнообразные многофункциональные комплексы объектов недвижимости или корпоративные центры). Многопоясные тросовые системы также могут пригодиться в строительстве большепролетных висячих мостов нового дизайна, особенно в тех местах, где строительство других типов мостов невозможно, либо слишком дорого .

Рис.12. Светопрозрачное сооружение в виде ПИРАМИДЫ высотой 200м.

Представляется, что строительство большепролетных светопрозрачных комплексов должно развиваться как квартальная застройка. А одним из самых эффектных и оптимальным первоначальным вариантом для такой функциональной застройки может послужить, например, форма светопрозрачного квартала в виде правильной четырёхугольной ПИРАМИДЫ (рис. 11) со следующими параметрами:

высота пирамиды – 200 м;
размеры основания - 300х300 м;
площадь основания (территория, защищаемая светопрозрачными покрытиями) – 9,0 Га;
площадь ограждающих конструкций - 150 000 м 2 ;
геометрический объём пирамиды (П200) - 6,0 миллионов кубических метров.

В таком застекленном квартале, чтобы не перенаселять внутреннее пространство комплекса, разумно иметь лишь 320-450 тыс.кв.м полезных площадей (надземных), занятых под коммерческую и/или жилую недвижимость и расположенных, в основном, в опорных зданиях этого светопрозрачного комплекса. Остальной объем сооружения (более 4,0 млн.куб.м) – это многофункциональные атриумы.

Для сравнения, при увеличении высоты такой пирамиды П200 (геометрически идеальная пирамида имеет соотношения 3:4:5) всего на 50 метров, параметры П250 составят: основание – 375х375 м; Sосн = 14,1 га, Sостекл = 235,0 тыс.кв.м. Произойдёт почти двукратное увеличение внутреннего объёма светопрозрачного сооружения, который в этом случае будет равен - 11,7 млн. куб м., а количество площадей занятых под коммерческую недвижимость может возрасти до 0,8 - 1,0 млн. квадратных метров. При этом, что является особенно привлекательным, площадь ограждающих конструкций пирамиды П250 будет почти вдвое! меньше суммарной площади ограждающих конструкций внутренних опорных зданий. Для специалистов должна быть понятна важность этого соотношения.
При дальнейшем увеличении внутреннего объема БСЗС и придания ему куполообразной формы, уменьшение коэффициента соотношения площади ограждающих конструкций светопрозрачного комплекса, к сумме всех полезных площадей внутренних помещений (как и к сумме площадей ограждающих конструкций внутренних зданий), будет изменяться в очень приятной глазу прогрессии, т.е. процесс такого строительства будет становиться экономически всё более привлекательным!

Спортивные центры со светопрозрачным покрытием.
Другим перспективным направлением применения многопоясных тросовых светопрозрачных покрытий, сегодня видится строительство крытых футбольных стадионов и других большепролетных спортивных сооружений. С каждым годом спрос на крытые спортивные стадионы в мире возрастает (например, уже не только европейцы и североамериканцы строят для себя большие крытые стадионы, но и менее богатые страны, такие как Аргентина и Казахстан недавно построили такие сооружения, а Филиппины сегодня возводят, как уверяют, самый большой крытый стадион в мире). В преддверии подготовки к футбольному чемпионату 2018 года востребованность подобных объектов может наметиться и в России.

Уникальность и высокая стоимость ныне существующих большепролётных спортивных сооружений (с пролетом 120-150 м и более) состоит том, что каждое такое сооружение выполняется на максимуме возможностей строительной индустрии места своего строительства, сопряжено с многочисленными сложными и точными расчётами несущих конструкций, повышенной ответственностью и значительной материалоёмкостью реализуемых решений. Недостатки перекрытий всех этих большепролетных сооружений одни и те же: они сложны, громоздки, металлоёмки, и поэтому нерациональны и чрезвычайно дороги. Кроме этого, из-за мощных несущих металлоконструкций покрытия, инсоляция всех крытых стадионов сегодня чрезвычайно низка, что сильно затрудняет поддержание натурального травяного покрытия современных спортивных арен в надлежащем состоянии.

Рис.13.Футбольный стадион в Польше. На ЕВРО-2012.
Рис.14. Стадион Уэмбли – самый знаменитый стадион Англии

Думается, что применение светопрозрачных многопоясных тросовых покрытий должно кардинально изменить такое неблагоприятное положение дел при строительстве большепролётных спортивных объектов (на эскизах Рис.15-19 показан один из возможных вариантов для строительства относительно недорогого крытого многофункционального спорткомплекса).

Рис. 15-18 эскизные решения большого крытого стадиона.
.
1 и 2 – здания, служашие опорными конструкциями для светопрозрачного покрытия;
4 – многопоясные тросовые системы;
10 – оттяжки-пригрузы;
11 – 3-х поясное тросовое светопрозрачное покрытие;
18 и 19 – зрительские трибуны;
21 – самонесущие светопрозрачные конструкции

Рис. 19. Разрез 3-х поясного тросового светопрозрачного покрытия (см. обознач 4 и 11, на рис. 17)

5 - высокопрочный металический трос;
6 - пояс тросового покрытия;
7 - распорная стойка;
8 - горизонтальная распорка-растяжка:
12 - светопрозрачное элементы покрытия;
13 - рамная конструкция светопрозрачного покрытия.

Многопоясные тросовые системы (4) (перекрывающие пролет между опорами (1 и 2) наклонены наружу сооружения за счет разницы высот опорных зданий и являются основанием для размещения поверх них раздвижного светопрозрачного покрытия (11), выполненного из рамных конструкций (13) и светопрозрачных элементов (12) .
Многопоясность тросовой системы, оттяжки (10) и др специальные технические решения обеспечат тросовому покрытию необходимую жесткость и устойчивость к восприятию всех расчётных нагрузок.
Между опорными зданиями (1 и 2), по контуру наружных стен стадиона, предусмотрены самонесущие светопрозрачные конструкции (21), которые делают контур наружных стен замкнутым.
Применение многопоясных тросовых покрытий, сможет обеспечить всем новым стадионам самую простую, надежную и относительно недорогую конструкцию светопрозрачного покрытия, одновременно, обеспечивающую лучшую инсоляцию арены, чем на всех построенных до сего дня крытых стадионах.

Возведение большепролетных многопоясных тросовых светопрозразных покрытий сегодня не является сверхсложной задачей, так как в строительной практике существует многолетний опыт применения большепролетных вантовых покрытий, которые, в основном, используют теже самые технические решения, материалы, изделия и оборудование, и тех же самых технических специалистов.

Большой и красивый, крытый и комфортный современный спортивный центр необходим каждому развивающемуся городу не только для проведения в достойных условиях спортивных соревнований в течение всего года, но и для широкого вовлечения городского населения в активные занятия спортом и своим личным здоровьем. Для этого многофункциональный спортивный комплекс может включать в себя не только высококлассное футбольное поле, многочисленные спортивные залы, бассейны и фитнес-центры, но любой на выбор перечень объектов для оздоровительных и учебно-тренировочных занятий различными видами спорта, а высотная часть спорткомплекса, при желании, может принять, близкие профилю объекта, гостиничные и офисные центры.

С помощью лучших специализированных строительных компаний (например, французской «Freyssinet International & Cie» или японской «TOKYO ROPE MFG.CO, LTD.» , которые являются мировыми лидерами в проектировании и изготовлении вантовых конструкций) можно уже сегодня начинать строить предложенные большепролетные светопрозрачные объекты.

Рис.20.Защитное сооружение куполообразной формы со светопрозрачным покрытием.

Перспективы архитектуры большепролетных светопрозрачных комплексов.

Огромные атриумные пространства БСЗС могут объединять множество задач. Например, в атриумах с объемами в миллионы кубических метров смогут разместиться и самый большой роскошный аквапарк, и полноценный спортивный стадион, и многое другое одновременно. Но, думается, что в перспективе, большинство БСЗС предпочтет возможность размещения в своих атриумных пространствах обширных и уютных ландшафтных садов со спортивными и детскими площадками, фонтанами и водопадами, вольерами с экзотическими животными и живописными прудами, открытыми бассейнами и кафе на лужайках. Ведь каждый такой вечнозеленый цветущий сад даст возможность жителям и гостям БСЗС ежедневно общаться с живой природой - и в самые жаркие летние месяцы, и долгие дождливые дни осени, и в снежные холодные месяцы зимы.

Борцам за сохранение природы должен понравиться тот факт, что при строительстве БСЗС активизируется процесс проникновения живой природы внутрь огромных рукотворных светопрозрачных сооружений. Занимая в БСЗС специально подготовленные для нее пространства и образовывая в них (при активной помощи человека) устойчивые экосистемы, природа сможет качественно наполнить собой архитектурные объекты будущего, делая их функциональнее и привлекательнее для людей. При этом, в организованных людьми атриумных пространствах, лучших БСЗС, несомненно, произойдет мутуализм (взаимовыгодное сожительство) природы и человека.

Рис.21-22. Атриумы американских отелей, принадлежащие знаменитой «Gaylord Hotels.

Положительные результаты, которые будут получены при строительстве БСЗС, полностью отвечают запросам современного градостроительства. Это экономическая и экологическая привлекательность сооружений; интенсивное развитие искусственной среды обитания человека, тесно связанное с природным окружением и обеспечением высокого качества жизни людей; образование нового типа экогородов и улучшение экологической обстановки в существующих мегаполисах; появление новых востребованных направлений для развития технического прогресса и существенная экономия природных ресурсов.

БСЗС по многим критериям наилучшим образом соответствуют принципам «Зеленого строительства» (GreenBuildings), и будут способствовать не только улучшению качества строительных объектов, но и сохранению окружающей среды.

Строительство БСЗС поможет решить следующие важные задачи «устойчивого развития» и требований «зеленых» стандартов LEED, BREEAM, DGWB:
- снижение уровня потребления энергетических и материальных ресурсов зданиями;
- снижение неблагоприятного воздействия на природные экосистемы;
- обеспечение гарантированного уровня комфорта среды обитания человека;
- создание новых энергоэффективных и энергосберегающих продуктов, новых рабочих мест в производственном и эксплуатационном секторах;
- формирование общественной потребности в новых знаниях и технологиях в сфере возобновляемой энергетики.

Атриумы светопрозрачных сооружений обязательно вернут нашим дворам их былую актуальность и востребованность, как вновь созданное очаровательное во многих отношениях общественное пространство, освобожденное от автомобилей и наполненное солнечным светом, уютом, комфортом.

Конструктивные особенности БСЗС и разумное их использование, в перспективе позволят так оптимизировать строительство таких сооружений, что построить комплекс зданий накрытых светопрозрачным куполом окажется значительно дешевле, чем строительство в идентичных условиях такого же комплекса зданий, но без защитного купола.
Так, очевидно, что стоимость светопрозрачного покрытия и эксплуатационные расходы (при правильном и целенаправленном движении в этом направлении) будут уменьшаться при увеличении объёма сооружения (не в абсолютном измерении, но относительно расходов на 1 кв метр полезной площади). Этот естественный вывод подтверждают: и обычная логика, и здравый смысл, и математика.
А снижение в несколько раз площади ограждающий конструкций БСЗС, относительно суммы площадей ограждающих конструкций внутренних зданий, неминуемо приведёт к снижению расхода потребляемой энергии на отопление комплекса БСЗС и на его кондиционирование, относительно такого же объема обычных зданий, не защищённых светопрозрачной оболочкой.
При этом, все внутренние здания БСЗС будут иметь упрощенную отделку внешних стен (без дорогостоящих покрытий и отсутствия утеплителей), а оконные проемы - будет необязательно остеклять стеклопакетами, что неизбежно отразится и на стоимости фундаментов. Основные системы отопления и кондиционирования внутренних зданий могут быть вынесены в атриумные пространства, что сделает внутренние жилые и офисные помещения более простыми, эффективными и т.д.

Новые экогорода в будущем, думается, вполне могут состоять, в основном, из расположенных вблизи друг к другу и максимально автономных БСЗС. Такие светопрозрачные сооружения будут построены среди живой природы и вписаны в естественный ландшафт, а также связаны между собой и с другими городами самыми современными высокоскоростными транспортными коммуникациями. Вероятно, это приведет не только к полному отказу многими жителями экогородов будущего от личных транспортных средств, из-за их ненадобности, но так же сможет навсегда устранить места опасного пересечения потоков людей с потоками автомобилей.

Но самый главный результат строительства экоустойчивых большепролетных светопрозрачных сооружений - расширение и улучшение комфортной среды обитания человека, без негативных последствий для природы.

Санкт-Петербург
09.06.2013 г

Примечания :
. Купол над Хьюстоном" - http://youtu.be/vJxJWSmRHyE ;
. Самый большой шатёр в мире
- http://yo www.youtube.com/watchutu.be/W3PfL2WY5LM ;
. "Tropical Islands" - www.youtube.com/watch ;
. Masdar City - www.youtube.com/watch;
. Большепролетный висячий мост -
.

Список используемой литературы :
1. Marcus Vitruvius Pollio, de Architectura - труд Витрувия в английском переводе Гвилта (1826);
2. Л Г. Дмитриев, А. В. Касилов. «Вантовые покрытия». Киев. 1974 г;
3. Зверев А.Н. Большепролетные конструкции покрытий общественных и промышленных зданий. СПб ГАСУ - 1998 г;
4. Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции. Стройиздат - 1981 г;
5. Смирнов В.А. Висячие мосты больших пролетов. Высшая школа.1970 г;
6. Евразийский патент № 016435 - Защитное сооружение с большепролётным светопрозрачным покрытием - 2012 г;
7.

Рис.23-28. Атриумы американской сети высококлассных отелей «Gaylord Hotels".

По функциональному назначению большепролётные здания можно разделить на:

1) здания общественного назначения (театры, выставочные павильоны, кинотеатры, концертные и спортивные залы, крытые стадионы, рынки, вокзалы);

2) здания специального назначения (ангары, гаражи);

3) промышленные здания (авиационных, судостроительных и машиностроительных заводов, лабораторные корпуса различных производств).

Несущие конструкции по конструктивной схеме подразделяются на:

Блочные,

Арочные,

Структурные,

Купольные,

Висячие,

Сетчатые оболочки.

Выбор той или иной схемы несущих конструкций здания зависит от целого ряда факторов: пролёта здания, архитектурно-планировочного решения и формы здания, наличия и типа подвесного транспорта, требований к жёсткости покрытия, типа кровли, аэрации и освещения, основания под фундаменты и т.д.

Сооружения с большими пролётами являются объектами индивидуального строительства, их архитектурные и конструктивные решения весьма индивидуальны, что ограничивает возможности типизации и унификации их конструкций.

Конструкции таких зданий работают в основном на нагрузки от собственного веса конструкций и атмосферных воздействий.

1.1 Балочные конструкции

Балочные большепролётные конструкции покрытий состоят из главных несущих поперечных конструкций в виде плоских или пространственных ферм (пролёт ферм от 40 до 100 м) и промежуточных конструкций в виде связей, прогонов и кровельного настила.

По очертанию фермы бывают : с параллельными поясами, трапециевидные, полигональные, треугольные, сегментные (см. схемы на рис. 1).

Высота ферм hф=1/8 ÷ 1/14L; уклон i=1/ 2 ÷ 1/15.

Треугольные фермы hф= 1/12 ÷ 1/20L; уклон поясов i=1/5 ÷ 1/7.

Рис.1 - Схемы строительных ферм

Поперечные сечения ферм:

При L > 36м одну из опор балочной фермы устанавливают подвижной.

Компоновка покрытия - вертикальные и горизонтальные связи по покрытию решаются аналогично промышленным зданиям со стропильными фермами.

А) нормальная компоновка

стена

б) усложнённая компоновка - с подстропильными фермами:

ПФ

Балочные схемы покрытий применяются:

При любых видах подопорных конструкций - кирпичные или бетонные стены, колонны (металлические или железобетонные);

Когда подопорные конструкции не могут воспринимать распорных усилий;

При строительстве зданий на просадочных или карстовых грунтах и подрабатываемых территориях.

Следует отметить, что балочные схемы покрытий тяжелее рамных и арочных, но просты в изготовлении и монтаже.

Расчёт ферм выполняют методами строительной механики (аналогично расчёту стропильных ферм промышленных зданий).

1.2 Рамные конструкции

Рамные конструкции для покрытий зданий применяют при пролёте

L=40 - 150м, при пролёте L > 150м они становятся неэкономичными.

Преимущества рамных конструкций по сравнению с балочными - это меньший вес, большая жёсткость и меньшая высота ригелей.

Недостатки - большая ширина колонн, чувствительность к неравномерным осадкам опор и изменениям T о.

Рамные конструкции эффективны при погонных жесткостях колонн, близких к погонным жесткостям ригелей, что позволяет перераспределить усилия от вертикальных нагрузок и значительно облегчить ригели.

При перекрытии больших пролётов применяют, как правило, двухшарнирные и бесшарнирные рамы самых разнообразных очертаний (см. рис.2).

Рис. 2 - Схемы сквозных рам

Бесшарнирные рамы более жёсткие и экономичные по расходу материала, однако, они требуют устройства мощных фундаментов, чувствительны к изменению Т о.

При больших пролётах и нагрузках ригели рам конструируют как тяжёлые фермы, при сравнительно малых пролётах (40-50м) они имеют такие же сечения и узлы, как лёгкие фермы.

Поперечные сечения рам аналогичны балочным фермам.

Компоновка каркаса и покрытия из рамных конструкций аналогична решению каркасов промышленных зданий и балочных покрытий.

Статический расчёт рамных конструкций выполняют методами строительной механики и по специально разработанным программам на ЭВМ.

Тяжелые сквозные рамы рассчитывают как решёточные системы с учётом деформации всех стержней решётки.

1.3 Арочные конструкции

Арочные конструкции покрытий большепролётных зданий оказываются более выгодными по затрате материала, чем балочные и рамные системы. Однако в них возникает значительный распор, который передаётся через фундаменты на грунт или устраивается затяжка для его восприятия (т.е. погашение распора внутри системы).

Схемы и очертания арок весьма разнообразны: двухшарнирные, трёхшарнирные, бесшарнирные (см. рис. 3).

Наиболее выгодная высота арок: f=1/4 ÷ 1/6 пролёта L.

Высота сечения арок:

Сплошностенчатых 1/50 ÷ 1/80 L,

Решёточных 1/30 ÷ 1/60 L.

Рис. 3 - Схемы арок. Самыми распространёнными являются двухшарнирные арки - они экономичны по расходу материала, просты в изготовлении и монтаже легко деформируются вследствие свободного поворота в шарнирах в них не возникает значительных дополнительх напряжений от Т о и осадок опор. В трёхшарнирных арках - всё аналогично двухшарнирным, однако ключевой шарнир осложняет конструкцию самих арок и покрытия. Бесшарнирные арки - самые лёгкие, наиболее благоприятно происходит распределение изгибающих моментов. Однако они требуют устройства мощных фундаментов. Их нужно рассчитывать на воздействие Т о. Сквозные арки конструируют аналогично фермам балочных схем покрытий. Компановка каркаса и покрытия из арочных конструкций аналогична решению каркасов из рамных конструкций. Статический расчёт арочных конструкций выполняют методами строительной механики и по специально разработанным программам на ЭВМ. Раскосы в сквозных арках проектируют как в фермах. Наиболее сложными в конструктивном плане являются опорные и ключевые шарниры (см. рис. 4 и 5)

Рис.4 - Схемы опорных шарниров арок и рам (а - плиточный,

б - пятниковый, в - балансирный:

1 - плита, 2 - цапфа, 3 -балансир).

Рис. 5 - Ключевые шарниры и арок

(а -плиточный; б -балансирный; в -листовой; г -болтовой)

После определения M, N, Q сечения стержней арки подбирают также, как сечения стерней ферм:

1.4 Пространственные конструкции покрытий большепролётных зданий

В балочных, рамных и арочных системах покрытий, состоящих из отдельных несущих элементов, нагрузка передаётся только в одном направлении - вдоль несущего элемента. В этих системах покрытий несущие элементы соединены между собой лёгкими связями, которые не предназначены для перераспределения нагрузок между несущими элементами, а только обеспечивают их пространственную устойчивость, т.е. с их помощью обеспечивается жёсткий диск покрытия.

В пространственных системах связи усиливают и привлекают к распределению нагрузок и передаче их на опоры. Приложенная к пространственной конструкции нагрузка передаётся в двух направлениях. Такая конструкция получается обычно легче плоской.

Пространственные конструкции могут быть плоскими (плиты) и криволинейными (оболочки).

Плоские пространственные системы (исключая висячие) для обеспечения необходимой жёсткости должны быть двухпоясными - по поверхности образующие сетчатую систему. Двухпоясные конструкции имеют две параллельные сетчатые поверхности, соединённые между собой жёсткими связями.

Однослойные конструкции, имеющие криволинейную систему поверхности, называются односетчатыми.

В таких конструкциях принцип концентрации материала заменён принципом многосвязности системы. Изготовление и монтаж таких конструкций очень трудоёмок, требует специальных приёмов изготовления и монтажа, что является одной из причин их ограниченного применения.

1.5 Пространственные сетчатые системы плоских покрытий

В строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, так называемые структурные конструкции или просто структуры , которые применяются в виде плоских покрытий большепролётных общественных и производственных зданий.

Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрёстных ферм (см. рис.6):

1) Структуры, образованные из перекрёстных ферм, идущих в трёх направлениях. Поэтому они являются наиболее жёсткими, однако более сложными в изготовлении. Это структуры с поясными сетками из разносторонних треугольников.

2) Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях. Это структуры с поясными сетками из квадратных ячеек.

3) Структуры, образованные из ферм, также идущих в двух направлениях, но усиленных диагоналями в угловых зонах. Поэтому они более жёсткие.

Достоинства структур:

Большая пространственная жёсткость: можно перекрывать большие пролёты при различных опорных контурах или сетках колонн; получать выразительные архитектурные решения при высоте структуры.

Hструктур=1/12 - 1/20 L

Повторяемость стержней - из стандартных и однотипных стержней можно монтировать покрытия разных пролётов и конфигураций в плане (прямоугольные, квадратные, треугольные и криволинейные).

Позволяет крепить подвесной транспорт и изменять при необходимости направление его движения.

Системы покрытий из структур могут быть как одно-, так и многопролётными с опиранием как на стены, так и на колонны.

Устройством консольных свесов за линией опор уменьшают расчётный пролётный изгибающий момент и существенно облегчают конструкцию покрытия.

Рис. 6 - Схемы решёток структурных покрытий (а - с поясными сетками из равносторонних треугольных ячеек; б - с поясными сетками из квадратных ячеек; в - то же, усиленных диагоналями в условных зонах: 1 - верхние пояса,

2 - нижние пояса, 3 - наклонные раскосы, 4 - верхние диагонали, 5 -нижние диагонали, 6 - опорный контур).

Недостатки структур - повышенная трудоёмкость изготовления и монтажа. Пространственные узлы сопряжений стержней (см. рис. 7) - самые сложные элементы в структурах:

Шаровая вставка (а);

На винтах (б);

Цилиндрический сердечник с прорезями, стянутый одним болтом с шайбами (в, г);

Сварной узел сплюснутых концов стержней (д).

Рис. 7 - Узлы сопряжений стержней структур

Структурные конструкции представляют собой многократно статически неопределённые системы. Точный расчёт их сложен и выполняется на ЭВМ.

При упрощённом подходе структуры рассчитывают способами строительной механики - как изотропные плиты или как системы перекрёстных ферм без учёта крутящих моментов.

Величины моментов и поперечных сил определяют по таблицам для расчёта плит: Mплиты; Qплиты - далее переходят к расчёту стержней.

1.6 Оболочные покрытия

Для покрытий зданий применяют односетчатые, двухсетчатые цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны.

Цилиндрические оболочки (см. рис. 8) выполняют в виде сводов с опиранием:

а) прямолинейным образующим контура

б) на торцовые диафрагмы

в) на торцовые диафрагмы с промежуточными опорами

Рис.8 - Схемы опирания цилиндрических оболочек (1 - оболочка;

2 - торцовая диафрагма; 3 - связи; 4 - колонны).

Односетчатые оболочки применяют при пролётах В не более 30м.

Двухсетчатые - при больших пролётах В>30м.

По цилиндрической поверхности расположены стержни, образующие сетки различной системы (см. рис. 9):

Ромбическая сетка (а);

Ромбическая сетка с продольными рёбрами (б);

Ромбическая сетка с поперечными рёбрами (в);

Ромбическая сетка с поперечными и продольными рёбрами (г).

Наиболее простая сетка ромбического рисунка, которую получают из лёгких стандартных стержней (∟, ○, □) прокатных профилей. Однако такая схема не обеспечивает необходимой жёсткости в продольном направлении при передаче нагрузки на продольные стены.

Рис. 9 - Система сеток односетчатых оболочек

Жёсткость конструкции значительно увеличивается при наличии продольных стержней (схема "б") - конструкция может работать как оболочка пролётом L. В этом случае опорой могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовыми диафрагмами.

Наиболее жёсткими и выгодными являются сетки (схема "в"), у которых есть и продольные и поперечные рёбра (стержни), а решётка сетки направлена под углом 45 .

Расчёт оболочек выполняют методами теории упругости и методами теории оболочек. Оболочки без поперечных рёбер рассчитывают как безмоментные складки (способ Эллерса). При наличии поперечных рёбер , обеспечивающих жёсткость контура, - по моментной теории Власова (она сводится к решению восьмичленных уравнений).

При расчёте сквозных сетчатых оболочек, сквозные грани конструкций заменяются сплошными пластинами эквивалентной толщины при работе на сдвиг, осевое растяжение и сжатие.

Более точный расчёт сетчатых оболочек выполняют на ЭВМ по специально разработанным программам.

Двухсетчатые оболочки применяют при перекрытии пролётов шириной более B>30м.

Конструктивные схемы их аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит - структур. Как и в структурах, они образуются системами перекрёстных ферм, связанных по верхним и нижним поясам специальными связями - решёткой. Но при этом в оболочках основная роль в восприятии усилий принадлежит криволинейным сетчатым плоскостям, соединяющая их решётка меньше участвует в передаче усилий, но придаёт конструкции большую жёсткость.

По сравнению с односетчатыми двухсетчатые оболочки обладают большей жёсткостью и несущей способностью. Ими можно перекрывать пролёты зданий от 30 до 700м.

Проектируют их в виде цилиндрической поверхности, опирающиеся на продольные стены или на металлические колонны. По торцам оболочки опираются на жёсткие диафрагмы (стены, фермы, арки с затяжкой и т.д.).

Наилучшее распределение усилий в оболочке при B=L.

Расстояние между сетчатыми поверхностями h=1/20÷1/100R при f/B=1/6÷1/10.

Как и в структурах, наиболее сложным является узел сопряжения стержней.

Расчёт двухсетчатых оболочек производят на ЭВМ по специально составленным программам.

Для приближённого расчёта оболочки необходимо стержневую систему привести к эквивалентной сплошной оболочке и установить модуль сдвига среднего слоя, эквивалентного по жёсткости соединительной решётке.

1.7 Купольные покрытия

Конструкции куполов бывают четырёх видов (см. рис.6): ребристые (а), ребристо-кольцевые (б), сетчатые (в), радиально-балочные (г).

Рис. 10 - Схемы куполов

Ребристые купола

Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных рёбер в виде балок, ферм или полуарок, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами.

Верхние пояса рёбер образуют поверхность купола (обычно сферическую). По прогонам устраивают кровлю.

В вершине для перестыковки рёбер устраивают жёсткое кольцо, работающее на сжатие. Рёбра к центральному кольцу могут крепиться шарнирно или иметь жёсткое закрепление. Пара рёбер купола, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных центральным кольцом, рассматривается как единая, например арочная, конструкция (двухшарнирная, трёхшарнирная или бесшарнирная).

Ребристые купола являются распорными системами. Распор воспринимается стенами или специальным распорным кольцом в форме окружности или многогранника с жёсткими или шарнирными сопряжениями в углах.

Между рёбрами с определённым шагом укладывают кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Погоны, помимо своего основного назначения, обеспечивают общую устойчивость верхнего пояса ребер из плоскости, уменьшая их расчётную длину.

Для обеспечения общей жёсткости купола в плоскости прогонов устраиваются с определённым шагом скатные связи между рёбрами, а также вертикальные связи для развязки внутреннего пояса арки - между вертикальными связями устраивают распорки.

Расчётные нагрузки - собственный вес конструкции, вес оборудования и атмосферные воздействия.

Расчётными элементами купольного покрытия являются: рёбра, опорное и центральное кольцо, прогоны, скатные и вертикальные связи.

Если распор купола воспринимают распорным кольцом, то при расчёте арки кольцо может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары полуарок (образующих плоскую арку).

При расчёте опорного кольца - при частом расположении арок (рёбер) купола действия их распоров можно заменить эквивалентной равномерно распределённой нагрузкой:

Ребристо-кольцевые купола

В них погоны с рёбрами составляют одну жёсткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб от нагрузки на покрытие, но и от реакций промежуточных рёбер и воспринимают растягивающие или сжимающие кольцевые усилия, возникающие от распоров в месте опирания многопролётных полуарок.

Вес рёбер (арок) в таком куполе уменьшается благодаря включению в работу кольцевых прогонов, как промежуточных опорных колец. Кольцевые рёбра в таком куполе работают так же, как и опорное кольцо в ребристом куполе, и при расчёте арок могут быть заменены условными затяжками.

При симметричной нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых рёбер (прогонов).

Сетчатые купола

Если в ребристом или ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением стержней в узлах.

В сетчатых куполах между рёбрами (арками) и кольцами (кольцевыми прогонами) располагают раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола. Стержни в этом случае работают в основном только на осевые силы, что уменьшает вес рёбер (арок) и колец.

Стержни сетчатых куполов выполняют из замкнутых профилей (круглого, квадратного или прямоугольного сечения). Узлы соединений стержней как и в структурах или сетчатых оболочках.

Расчёт сетчатых куполов производят на ЭВМ по специально разработанным программам.

Приблизительно их рассчитывают по безмоментной теории оболочек - как сплошную осесимметричную оболочку по формулам из соответствующих расчётно-теоретических справочников.

Радиально-балочные купола

Представляют собой ребристые купола, составленные из сегментных полу-ферм, расположенных радиально. В центре сегментные полуфермы присоединяются к жёсткому кольцу (решётчатому или сплошностенчатому с диафрагмами жёсткости).

1.8 Висячие покрытия

Висячими называются покрытия, в которых основные несущие элементы работают на растяжение.

В этих элементах наиболее полно используются высокопрочные стали, поскольку их несущая способность определяется прочностью, а не устойчивостью.

Несущие растянутые стержни - ванты - могут выполняться гибкими или жёсткими.

Жёсткие - выполняют из выгнутых двутавровых балок.

Гибкие - выполняют из стальных канатов (тросов) свитых из высокопрочной проволоки с R= 120 кН/см2 ÷ 240 кН/см2.

Висячие конструкции покрытий являются одной из наиболее перспективных конструктивных форм для применения высокопрочных материалов. Конструктивные элементы висячих покрытий легко транспортировать, относительно легко монтировать. Однако сооружение висячих покрытий имеет ряд трудностей, от удачного инженерного решения которых зависит эффективность покрытия в целом:

Первый недостаток - висячие покрытия - системы распорные и для восприятия распора необходима опорная конструкция, стоимость которой может составлять значительную часть стоимости всего покрытия. Уменьшения стоимости опорных конструкций можно достичь за счёт повышения эффективности их работы - созданием покрытий круглой, овальной и других не прямолинейных форм плана;

второй недостаток - повышенная деформативность висячих систем. Это вызвано тем, что модуль упругости витых тросов меньше чем у прокатной стали (Етроса=1,5 ÷ 1,8×10 5 МПа; Е прокатных стержней = 2,06×10 5 Мпа), а область упругой работы высокопрочной стали значительно больше, чем у обычной стали. Таким образом, относительная деформация троса в упругой стадии работы ε=G/Е получается в несколько раз больше чем у элементов из обычной стали.

Большинство висячих систем покрытия являются системами мгновенной жёсткости, т.е. системами, которые работают упруго лишь на равновесные нагрузки, а при действии неравномерных нагрузок в них, помимо упругих деформаций, появляются ещё и кинематические перемещения системы, ведущие к изменению целостности геометрической системы покрытия.

Для уменьшения кинематических перемещений висячие системы покрытий часто снабжают специальными стабилизирующими устройствами и предварительно напрягают.

Типы схем висячих покрытий

1. Однопоясные системы с гибкими вантами

Такие системы покрытий в плане проектируют прямоугольными или изогнутыми, например, круглыми (см. рис.11).

Они представляют собой предварительно напряжённые железобетонные оболочки, работающие на растяжение. Напряжённой арматурой в них является система из гибких вант, на которые во время монтажа укладывают сборные железобетонные плиты. В это время на ванты даётся дополнительный пригруз, который после укладки всех железобетонных плит и замоноличивания швов снимают. Ванты обжимают железобетонные плиты и образовавшаяся железобетонная оболочка получает предварительное напряжение сжатия, позволяющее ей воспринимать растягивающее напряжение от внешних нагрузок и обеспечивает общую устойчивость конструкции. Несущая способность покрытия обеспечивается растяжением вант.

В покрытиях прямоугольного плана распор вант воспринимает опорная конструкция из оттяжек и анкеров, закреплённых в грунте.

Рис. 11 - Однопоясные покрытия с гибкими вантами

(а - прямоугольные в плане; б - круглые в плане)

В покрытиях круглого (овального) плана распор передаётся на наружное сжатое кольцо, лежащее на колоннах и внутреннее (растянутое) металлическое кольцо.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет f=1/10÷1/20 L. Такие оболочки являются пологими.

Сечение вант покрытия определяют по монтажной нагрузке. В этом случае ванты работают как отдельные нити, и распор в них можно определять без учёта их деформаций H=M/f , где M - балочный момент от расчётной нагрузки, f - стрела провисания нити.

Наибольшее усилие в ванте будет на опоре

где V - балочная реакция.

2. Однопоясные системы с жёсткими вантами

Рис. 12 - 1 - продольные изгибно-жёсткие рёбра; 2 - поперечные рёбра;

3 - мембрана алюминиевая, t = 1,5 мм

В таких покрытиях гнутые жёсткие ванты, прикреплённые к опорному поясу, работают под действием нагрузки на растяжение с изгибом. Причём при действии равномерной нагрузки доля изгиба в напряжениях невелика. При действии неравномерной нагрузки жёсткие ванты начинают сильно сопротивляться местному изгибу, чем значительно уменьшают деформативность всего покрытия.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет 1/20 ÷ 1/30 L. Однако, использование жёстких нитей возможно лишь при небольших пролётах, т.к. с увеличением пролёта значительно усложняется монтаж и увеличивается их масса. По таким жёстким вантам можно укладывать лёгкую кровлю, отсутствует необходимость в предварительном напряжении (его роль выполняет изгибная жёсткость ванты).

При равномерной нагрузке распор в ванте определяют по формуле

H = 8/3 ×[(EA)/(l 2 mо)] × (f+fо) × ∆f +Hо;

где ∆f=f–fо,

f - прогиб под нагрузкой,

fо – начальный провес;

m1=1+(16/3)/(fо/l) 2

Изгибный момент в середине ванты находят по формуле

M= q I 2 /8–Hf .

3. Однопоясные висячие покрытия, напрягаемые с помощью поперечных балок или ферм

Рис. 13

Стабилизация таких канатно-балочных систем достигается либо увеличенной массой поперечных и жёстких на изгиб элементов, либо предварительным напряжением оттяжек, которые соединяют поперечные балки или фермы с фундаментами или опорами. Таким способом напрягаются покрытия с лёгким кровельным настилом.

Благодаря изгибной жёсткости поперечных балок или ферм покрытие приобретает пространственную жёсткость, которая особенно проявляется при загружении пролётной конструкции местной нагрузкой.

4. Двухпоясные системы

Рис. 14

В покрытиях такого типа имеется две системы вант :

- Несущие - имеющие изгиб вниз;

- Стабилизирующие - имеющие изгиб вверх.

Это делает такую систему мгновенно жёсткой - способной воспринимать нагрузки, действующие в двух различных направлениях. Вертикальная нагрузка вызывает у несущей нити растяжение , а у стабилизирующей - сжатие . Отсос ветра вызывает в вантах усилия обратного знака.

В покрытиях данного типа можно применять лёгкие кровли.

5. Седловидные напряжённые сетки

Рис. 15

Покрытия такого типа применяются для капитальных зданий и временных сооружений.

Сетка покрытия: несущие (продольные) тросы изогнуты вниз, стабилизирующие (поперечные) тросы изогнуты вверх.

Такая форма покрытия позволяет предварительно напрягать сетку. Поверхность покрытия лёгкая из различных материалов: от стального листа до плёнки и тента.

Шаг сеток приблизительно один метр. Точный расчёт сеток таких покрытий возможен только на ЭВМ.

6. Металлические оболочки-мембраны

Рис. 16

По форме в плане это эллипс или круг, а форма оболочек довольно разнообразная: цилиндрическая, коническая, чашеобразная, седловидная и шатровая. Большинство из них работает по пространственной схеме, делает её весьма выгодной и позволяет применять листы толщиной 2 - 5мм.

Расчёт таких систем производят на ЭВМ.

Главное преимущество таких систем покрытий - это совмещение несущих и ограждающих функций.

Утеплитель и гидроизоляцию укладывают на несущую оболочку, не применяя кровельных плит.

Полотнища оболочки выпускают на заводе-изготовителе и доставляют на монтаж в виде рулонов, из которых на площадке строительства собирают всю оболочку без применения лесов.

Раздел 2. Листовые конструкции

Листовыми называют конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения, транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов.

К этим конструкциям относятся:

Резервуары для хранения нефтепродуктов, воды и других жидкостей.

Газгольдеры для хранения и распределения газов.

Бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов.

Трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельчённых или разжиженных твёрдых веществ.

Специальные конструкции металлургической, химической и др. отраслей промышленности:

Кожухи доменных печей

Воздухонагреватели

Пылеуловители - скрубера, корпуса электрофильтров и рукавных фильтров

Дымовые трубы

Сплошностенчатые башни

Градирни и т.д.

Такие листовые конструкции занимают 30% от всех металлических конструкций.

Условия работы листовых конструкций достаточно разнообразны:

Они могут быть надземными, наземными, полузаглублёнными, подземными, подводными;

Могут воспринимать статические и динамические нагрузки;

Работать под низким, средним и высоким давлением;

Под воздействием низких и высоких температур, нейтральных и агрессивных сред.

Для них характерно двухосновное напряжённое состояние, а в местах сопряжения с днищем и рёбрами жёсткости, в местах сопряжения оболочек различной кривизны (т.е. на границе изменения радиуса кривизны) возникают местные высокие напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков это - так называемое явление краевого эффекта.

Листовые конструкции всегда совмещают несущую и ограждающую функции.

Сварные соединения элементов листовых конструкций выполняют встык, внахлёстку и впритык. Соединения выполняют автоматической и полуавтоматической дуговой сваркой.

Большинство листовых конструкций являются тонкостенными оболочками вращения.

Рассчитывают оболочки методами теории упругости и теории оболочек.

Листовые конструкции рассчитывают на прочность, устойчивость и выносливость.

1.1 Резервуары

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы они делятся на цилиндрические (вертикальные и горизонтальные), сферические и каплевидные.

По расположению относительно планировочного уровня земли различают: надземные (на опорах), наземные, полузаглублённые, подземные и подводные.

Они могут быть постоянного и переменного объёмов.

Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.

Наибольшее распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары как самые простые при изготовлении и монтаже.

Вертикальные резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления, в которых хранят нефтепродукты при малой их оборачиваемости (10 - 12 раз в год). В них образуется избыточное давление в паро-воздушной зоне до 2кПа, а при опорожнении вакуум (до 0,25кПа).

Вертикальные резервуары с плавающей крышей и понтоном применяют при хранении нефтепродуктов при большой оборачиваемости. В них практически отсутствует избыточное давление и вакуум.

Резервуары повышенного давления (до 30кПа) используют для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10 - 12 раз в год.

Шаровидные резервуары - для хранения больших объёмов сжиженных газов.

Каплевидные резервуары - для хранения бензина с высокой упругостью паров.

Вертикальные резервуары

Рис. 17

Основные элементы:

Стенка (корпус);

Крыша (покрытия).

Все элементы конструкций изготавливают из листовой стали. Они просты в изготовлении и монтаже, достаточно экономичны по расходу стали.

Установлены оптимальные размеры вертикального цилиндрического резервуара постоянного объёма, при которых расход металла будет наименьшим. Так, резервуар со стенкой постоянной толщины имеет минимальную массу, если

[(mдн + mпок) / mст] = 2, а значение оптимальной высоты резервуара определяется по формуле

где V - объём резервуара,

∆= t дн.+t прив. покр. - сумма приведённой толщины днища и покрытия,

tст. - толщина стенки корпуса.

В резервуарах больших объёмов толщина стенки переменна по высоте. Масса такого резервуара получится минимальной, если суммарная масса днища и покрытия равна массе стенки, т.е. mдн.+mпокр.= mст.

В этом случае

где ∆= tдн. + tприв. покр.,

n - коэффициент перегрузки,

γ ж. - удельный вес жидкости.

Днище резервуара

Так как днище резервуара опирается по всей своей площади на песчаное основание, то от давления жидкости оно испытывает незначительные напряжения. Поэтому толщину листа днища не рассчитывают, а принимают конструктивно с учётом удобств монтажа и сопротивляемости коррозии.

При V≤1000м и Д<15м → tдн = 4мм; при V>1000м и Д=18-25м → tдн = 5мм; при Д > 25м → tдн = 6мм. Рис. 18

Листы полотнищ днища соединяют между собой по продольным кромкам внахлёстку с перекрытием 30 - 60мм при tдн. = 4 - 5мм, а при tдн.= 6мм - выполняются встык. Крайние листы - "окрайки" - принимают на 1-2мм толще листов средней части днища. Из завода-изготовителя всё поставляется в рулонах (Q ≤ 60т).

Конструирование стенок:

Рис. 19

Стенка резервуара состоит из ряда поясов высотой, равной ширине листа. Соединяют пояса между собой встык или внахлёстку в телескопическом или ступенчатом порядке. Сопряжение встык выполняют в основном на заводе изготовителе (реже на монтаже), внахлёстку - как на заводе, так и на монтаже.

Распространён метод строительства резервуаров методом рулонирования.

Расчёт на прочность - стенка корпуса является несущим элементом и рассчитывается по методу предельных состояний в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81