Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Эскалация пространственных форм


Эскалация пространственных форм

Одно из важнейших достижений современного строительства – широкое применение пространственных конструкций покрытия. Последние десятилетия нашего времени стали качественно новым этапом в истории техники.

Было бы преувеличением утверждать,что эти конструктивные формы возникли в нынешнем столетии. Простейшие из них имеют свои, хотя и грубые, аналоги в далеком прошлом. Но только аналоги и притом грубые. Так что было бы преувеличением говорить также о “возрождении” и “развитии” в новых вариантах старых, известных конструктивных форм. И все же первоисточник существует, и искать его следует в природе. Как мы знаем, в природе нет ни балок, ни ферм, ни рам. Природные конструкции, как правило, имеют пространственный характер, а поскольку все в природе мудро и рационально, они выдержали тысячелетние испытания и прошли сквозь сито естественного отбора. Так что мы можем считать их действительно самой эффективной формой преодоления пространства, предполагающей пространственность восприятия наг-, рузок.

Все рассмотренные нами основные конструктивные формы имеют линейный характер. Их ширина и высота несравнимо меньше длины, а рабочие схемы, в сущности, представляют собой сочетание прямых и кривых линий. Двухмерного листа бумаги практически достаточно, чтобы отразить их напряженные и деформационные состояния. Такой искусственный и “природонесообразный” подход человека приводит к серьезным конструктивным и эстетическим ограничениям конечного продукта строительства.

Промежуточной формой перехода от линейных (одномерных) к пространственным (трехмерным) конструкциям можно считать плиту. Это плоскостной несущий элемент, описывать который излишне. Железобетонные плиты мы видим каждый день как над своей головой, так и под ногами. Что же касается большинства человеческих нужд, то эта плоскостная и наиболее функциональная конструктивная форма является одной из самых распространенных на земном шаре. В сочетании с балками и без них плиты широко применяются в конструкциях перекрытий и крыш, в качестве путевого полотна в мостостроении и т. д. Однако плиты имеют весьма ограниченные конструктивные возможности.

Рис. 25. В отличие от балок, ферм, арок и т.д. плита не линейная, а плоскостная конструктивная форма. Это форма, которая работает в весьма неблагоприятном режиме – прежде всего в режиме изгиба

Рис. 26. Пологая оболочка двоякой кривизны: почти плита, но

Поэтому и значение их в общем конструктивном решении может быть только локальным.

О неэффективности плит при перекрытии больших пространств говорит рис, 25. Под действием вертикальных нагрузок возникает очень сложное напряженное состояние: изгибающие моменты в двух направлениях, крутящие моменты и поперечные силы – тоже в двух направлениях. Как и в случае балок, возникают нормальные напряжения изгиба и тангенциальные напряжения – от поперечных сил и от крутящего момента, Но, в отличие от балочных элементов, действие развивается не в одном направлении, а в плоскости плиты. Грубо можно представить ее работу как совместную работу большого числа перекрещивающихся в двух направлениях балок. Самым неприятным следует считать, конечно, наличие значительных изгибающих моментов, которые превалируют и в конечном счете определяют толщину плиты. А как мы помним, именно изгиб представляет собой наиболее остоую форму невидимого конфликта между нагрузкой и конструкцией. Поэтому толщина плиты оказывается тем сечением, которое работает в самом неблагоприятном режиме.

Однако достаточно слегка искривить плиту (рис. 26), чтобы получилась совершенно иная картина. Такую плиту, естественно, нельзя использовать в качестве конструкции перекрытия, но зато она может быть прекрасной конструкцией для крыши. Итак, при стреле подъема, составляющей лишь 1/10 меньшего пролета, плита мгновенно превращается в тонкостенную пространственную конструкцию – оболочку. Изгибающий момент почти исчезает – по крайней мере в обширной средней части оболочки, где устанавливается столь ценное безмоментное напряженное состояние. Внешняя нагрузка вызывает только нормальные (сжатие и растяжение) и тангенциальные (сдвиг) усилия. Последние, как и поперечные силы, действуют в плоскости сечения, но, в отличие от них, “повернуты” на 90° и фактически находятся в плоскости оболочки, Чтобы представить их действие физически, сопоставим его с уже известным нам эффектом от поперечных сил. Поперечные силы стремятся расслоить материал, сместить отдельные мысленно выделяемые по высоте сечения слои; в оболочке тангенциальные силы стремятся сдвинуть один относительно другого отдельные криволинейные слои, из которых она состоит, По высоте сечения напряжения постоянны. Этим как раз и определяется эффективность данной конструктивной формы – материал используется равномерно и полностью.

Мысленно выделенные в двух направлениях криволинейные слои являются лишь весьма приблизительной моделью, которая помогает нам понять, как работают конструкции этого типа. Эти слои работают совместно, почему и возникают сдвигающие силы. Плюсы сводчатой оболочки двоякой кривизны (так называется эта конструктивная форма) обеспечиваются только при наличии определенных условий опирания, По четырем контурам оболочки необходимы несущие конструкции линейного типа (балки, фермы или арки), которые называются диафрагмами. Диафрагмы нагружены особым образом: вертикальные нагрузки оказываются не основными. Это звучит малоубедительно, но оболочка передает свою нагрузку на диафрагмы в основном посредством направленных под углом, сдвигающих усилий. Их вертикальная составляющая неминуемо вызывает в опорных элементах изгибающие моменты и поперечные силы, а горизонтальная — значительные растягивающие усилия. Для диафрагм характерно сложное, комбинированное силовое воздействие, обусловленное их функциями, так как они служат не просто балками, а опорами оболочки двоякой кривизны. О механизме нагрузки диафрагм (с физической точки зрения) можно судить по тому, что под действием нагрузки оболочка стремится расправиться, превратиться в плиту. Именно этому выпрямлению препятствуют диафрагмы, вследствие чего в них возникают растягивающие усилия.

Этот тип сводчатых конструкций – один из наиболее распространенных в мировой строительной практике и служит для покрытия обширных прямоугольных пространств самого различного назначения (промышленных зданий, залов, ангаров и т.д.). Их поверхность может быть частью сферы, эллипсоида, эллиптического параболоида или другой стереометрической фигуры. Основным материалом, из которого они выполняются, является железобетон, хотя имеются примеры оболочек из стали в виде системы взаимно пересекающихся несущих ребер, клетки которых заполняются легкими панелями. Для меньших приемов применяют также оболочки из стеклопластиков и армированных пластмасс, которые называют материалами будущего. В НРБ сводчатая оболочка двоякой кривизны выполнена над главным корпусом ТЭЦ “Марица-исток 1”, где она перекрывает пролеты до 40 м. Об экономичности покрытий этого рода говорит тот факт, что средняя толщина оболочки при таком пролете составляет всего 15 см.

Но сводчатые оболочки двоякой кривизны — это лишь один из огромного множества видов пространственных конструкций. Для нынешнего этапа их развития характерно то, что специалисты уже давно не довольствуются элементарными видами поверхностей криволинейного профиля, а применяют самые сложные сочетания криволинейных поверхностей и плоскостей. В последние годы видов пространственных конструкций стало так много, что их классификация выходит за рамки даже самых полных математических курсов по теории поверхностей. В ряде случаев единственным методом описания поверхностей оболочек может быть только чертеж. Впрочем, некоторое представление о разнообразии их видов может дать рис. 27.

К наиболее распространенным видам пространственных конструкций покрытия можно отнести и купола. Гладкие толстостенные купола известны с древнейших времен; выполнялись и ребристые купола (кирпичные арки по меридианам и кирпичные пояса по параллелям). В связи с целым рядом статических, экономических и эстетических соображений этот род покрытия актуален и в наши дни. Область его применения — это такие огромные пространства, как манежи, цирки, спортивные залы, планетарии.

В геометрическом отношении купола представляют собой осесим-метричные поверхности ротационного типа. Эти поверхности могут быть частью сферы, эллипсоида или другой фигуры. Главное то, что возникновение сжимающих усилий в направлении меридианов и параллелей. Изгибающие моментььпочти исключены под действием эксплуатационных нагрузок достигается безмоментное напряженное состояние.

Рис. 27. Разнообразие тонкостенных пространственных конструкций практически бесконечно. Не редки случаи и “плагиата” у природы

Рис. 28. У тонкостенных куполов пространственный режим работы является еще более благоприятным. Стремление оболочки к “кручению” определяет

На рис. 28 представлена схема напряженного состояния сферического купола. Здесь при осесимметричной нагрузке усилия в направлении меридианов являются только растягивающими и постепенно нарастают книзу, так что мы снова можем воспользоваться аналогией системы из взаимно пересекающихся арок. Но конструкция все же пространственная: отдельные мысленно выделенные арки будут взаимодействовать через усилия, направленные по параллелям купола. Эти усилия тоже нормальные — сжимающие, которые у высоких оболочек в нижней их части могут переходить в растягивающие. У пологих оболочек над прямоугольным основанием, как мы уже видели, пространственность работы выражается, в отличие от куполов, главным образом в усилиях сдвига.

И здесь положительный эффект может достигаться только благодаря особому опиранию. Для куполов характерно значительное горизонтальное давление в нижней их части. Как мы уже видели, подобное давление существует и у арочных конструкций, где оно воспринимается стяжками или специальными фундаментами. Поэтому для куполов в связи с их осевой симметрией необходимо специальное опорное кольцо. Это кольцо симметрично нагружено по всему периметру изнутри наружу горизонтальным усилием от купола, вследствие чего оно работает на растяжение.

Разумеется, при несимметричной нагрузке в куполе возникнут сдвигающие усилия, а в области опорного кольца всегда имеются и местные изгибающие моменты. Но вообще этот тип конструкций работает преимущественно на сжатие, которое предполагает почти полное использование материала и, следовательно, более легкие и экономичные решения.

По рассмотренным выше причинам основным материалом для куполов служит железобетон. Правда, возникают серьезные трудности с опалубкой криволинейных поверхностей, но они все же разрешимы. В Ленинграде, например, железобетонный купол покрывает круглый лабораторный зал диаметром 16 м. При стреле подъема купола 17 м (1:4,5 пролета) толщина оболочки равна 10 см. В Солуне выполнен купол диаметром 90 м и толщиной тоже 10 см, которая составляет 1/900 пролета. В случае применения плоской плиты соотношение толщины и пролета составило бы до 1/50, а в случае балок – значительно больше. О смелости купольных решений говорят самые различные показатели, перечислять которые вряд ли имеет смысл.

Купола могут состоять и из отдельных ребер (так называемые ребристые купола). Такая разновидность куполов весьма целесообразна для сборного строительства, поскольку их можно расчленять на отдельные элементы (чаще всего прямолинейные), что отвечает требованиям заводского изготовления, складирования, транспортировки и монтажа.

Среди ребристых куполов можно выделить три основных типа (которые появились на разных этапах развития этой конструктивной формы): комбинация из отдельных арок, работающих независимо одна от другой; комбинация из ребер, расположенных в направлении меридианов и параллелей; сложные стержневые системы с меридиональными, кольцевидными и диагональными ребрами или только с диагональными ребрами. Статические недостатки первого типа в значительной степени компенсируются технологическими выгодами (небольшое число сборных элементов, немногочисленность и простота соединений между элементами) , тогда как рациональная пространственная работа третьего покупается ценой существенного усложнения строительства.

Ребристый купол первого типа построен в 1958 г. в Атланте (США) над зрительным залом, рассчитанным на 7000 мест. Диаметр купола -82 м. Материал – сталь. В Литл-Роке (США) возведен ребристый купол второго типа диаметром 86 м. Куполов третьего типа известно много разновидностей. Наибольший диаметр в этом случае превышает 100 м. Но обратимся к еще одному виду пространственных покрытий, который находит широкое применение в строительстве наших дней. Для них характерно отсутствие кривизны в одном направлении. Наиболее популярный тип таких конструкций — цилиндрические оболочки. Как в далеком прошлом, так и сейчас они широко применяются в качестве конструкций покрытия (в наши дни – для промышленных зданий, складов, ангаров и даже для зрелищных сооружений). Хотя по расходу материала цилиндрические оболочки менее экономичны, чем купола, у них есть одно неоспоримое преимущество — более высокая технологичность, обусловленная линейным характером поверхности в одном направлении. А это имеет большое значение для сборного строительства из стали, поскольку могут использоваться длинные линейные элементы (причем с малым числом соединений), а также в случае железобетона, поскольку значительно облегчается выполнение опалубочных работ. На рис. 29 схематично показана работа цилиндрической оболочки. В областях, достаточно удаленных от краев, состояние конструкции является безмоментным – присутствуют только нормальные и тангенциальные усилия. В работе такой оболочки наблюдается определенная двойственность: в соответствующем направлении конструкция работает как балка — сжимающие напряжения в верхней части и растягивающие в нижней. В другом направлении имеет место эффект свода. Последний, разумеется, зависит от жесткости продольных балок, которые играют роль опор для множества мысленно вычленяемых арок. Чем мощнее эти балки, тем отчетливее проявляется эффект свода, тем большая часть нагрузки стекает в поперечном направлении на балки, которые уже передают ее на опорные колонны.

Рис. 29. Длинная цилиндрическая оболочка. И здесь усилия действуют только в плоскости (а вернее, в поверхности) оболочки

Рис. 30. Гиперболический параболоид. В определенных направлениях линии, образующие поверхности, не кривые, а прямые. Путем “разрезания” на отдельные части по этим линиям и соответствующего их комбинирования получается один из самых интересных видов пространственных покрытий

Рис. 31. Одна из возможных комбинаций четырех гиперболо-параболических частей

Этот тип работы, однако, нельзя доводить до крайности, поскольку утрачивается пространственное действие, а балки становятся большими и тяжелыми. Но это не значит, что продольные балки следует делать как можно меньше — ведь они значительно ужесточают оболочку и увеличивают ее несущую способность. В продольных балках в основном концентрируются растягивающие напряжения от балочной работы оболочки.

Эти балки работают по сложной схеме: на двойной изгиб, на растяжение и на кручение. Что же касается диафрагм, то в случае пологих оболочек на прямоугольном основании они подвергаются воздействию сдвигающих усилий и работают главным образом на растяжение и изгиб.

В зонах опирания, к сожалению, неизбежно возникают определенные изгибающие моменты. Причина этого кроется в самой системе опирания – балки и диафрагмы ограничивают свободные деформации оболочки, свободное выпрямление ее краев. Точно так же, как ограничение удлинения приводит к усилиям растяжения, а ограничение укорачивания – к усилиям сжатия, ограничение выпрямления приводит к появлению изгибающих моментов.

Одна из самых современных форм пространственных конструкций -гиперболо-параболическая. Несмотря на двоякую кривизну, у нее есть два направления, где линии всегда прямые. О технологических преимуществах, которые это дает, мы уже говорили. Именно благодаря технологическим достоинствам этот тип покрытия находит самое широкое применение. Различные гиперболо-параболические оболочки получаются путем “отрезания” части основной поверхности (рис. 30) и соответствующего соединения нескольких таких частей в единую конструкцию.

Для выполнения таких конструкций одинаково подходят и железобетон, и сталь, причем не исключается возможность сборных методов строительства. В СССР, например, разработаны типовые проекты покрытий для помещений с сеткой колонн от 12×12 до 42×42 м. Перекрытие таких пространств классическими плоскостными несущими системами связано с серьезными трудностями и в конечном счете может привести к значительному перерасходу материала.
Статически (рис. 31) этот тип оболочки работает почти исключительно на сдвиг. В стальных конструкциях гиперболо-параболическая поверхность получается другим способом — с помощью растягиваемых канатов. При этом одна система канатов образует вогнутую параболическую поверхность, а другая – выпуклую. Таким образом достигается предварительное напряжение несущей системы, обеспечивающее ее стабилизацию.

Вообще в случае использования стали растяжение более желательно, более выгодно. Хотя сталь обладает одинаковой прочностью на сжатие и растяжение, однако сравнительно тонкие стальные элементы при работе на сжатие всегда подвергаются опасности потери устойчивости. В связи с этим конструкторы в целях обеспечения устойчивости стараются сделать сжимающие напряжения в элементе во много раз меньшими, чем расчетное сопротивление сжатию. При растяжении такой опасности нет, и материал может работать в полную меру своих возможностей. Поэтому наиболее интересные пространственные конструкции из стали проектируются с ориентацией на растяжение.

Специально для нужд строительства из стали создан ряд вантовых (канатных) и мембранных (висячих тонкостенных) конструктивных форм. Принцип натягиваемых поверхностей (мембран) был впервые применен известным русским инженером В. Г. Шуховым, по проекту которого в 1896 г. было выполнено покрытие большого правильона Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде. Через 45 лет американец Сейс спроектировал висячее покрытие для одного из павильонов всемирной выставки в Нью-Йорке, а знаменитый Фрэнк Ллойд Райт разработал несколько висячих систем для покрытия спортивных залов. Однако два последних проекта остались неосуществленными. В сущности, первым примером большого сооружения с вантовым покрытием следут считать зал в Роли (Северная Каролина, США). Опыт последующих лет убедительно доказал прогрессивность этого рода систем, в которых наиболее полно используются возможности специальных высокопрочных сталей. В настоящее время они довольно широко применяются в СССР, США, ФРГ, Японии, Франции и других странах. В Ленинграде мембранное покрытие выполнено над универсальным спортивным залом (пролет 160 м). В Болгарии вантовое покрытие имеет спортивный зал в Варне.

Трудно рассказать подробно о множестве типов и видов висячих конструкций покрытия. В некоторых из них преобладает плоскостное действие, и они состоят из отдельных, независимых висячих систем (как в случае висячих мостов). Но большинство таких конструкций действует пространственно. Такой эффект достигается благодаря системе взаимно пересекающихся канатов или с помощью мембран – поверхностей из тонкой листовой стали. В отличие от оболочек висячие системы не обладают прочностью на изгиб, они сильно деформируются. Речь идет не о мелких упругих деформациях, которые связаны с работой материала, а о чисто геометрических и гораздо более сильных деформациях (точнее, смещениях), которые претерпевает система в стремлении обрести новое равновесие при изменении внешней нагрузки. Поэтому часто, как и в случае висячих мостов, проектируются специальные усиливающие (ужесточающие) конструкции в целях обеспечения большей динамической устойчивости.

Но вернемся к железобетону. Среди множества видов современных оболочковых конструкций есть один особый, который обладает практически неограниченными конструктивными и эстетическими возможностями, — волнистые оболочки. Бесконечное разнообразие их форм не сможет уместиться ни в какую классификацию. В виде волнистых оболочек могут быть выполнены все типы тонкостенных конструкций. При этом во много раз расширяются возможности распространенных криволинейных форм, так как значительные массы материала выносятся с основной, нейтральной поверхности и располагаются над и под ней, вследствие чего, как и в случае применения балок, достигается большая жесткость и прочность на изгиб. В этом отношении особенно замечательны так называемые призматические или складчатые оболочки. Как можно судить уже по названию этих конструкций, они состоят из призм, образованных отдельными плоскими элементами, что обеспечивает значительные технологические выгоды. В отличие от плит, которые работают из своей плоскости, плоскостные элементы призматических оболочек работают в плоскости своего сечения главным образом с нормальными и сдвигающими усилиями. О преимуществах такого действия говорить уже излишне. Здесь обнаруживается большая жесткость и несущая способность волнистых оболочек при более простой форме. Этот технологический плюс в ряде случаев счастливо сочетается с оригинальным эстетическим звучанием.

Несколько смущает то, что потребителем этих новых, смелых и эффективных конструктивных форм является только уникальное строительство. Самые интересные и яркие решения действительно встречаются при возведении таких уникальных сооружений, как зрительные залы, ангары и т. п. Однако в области промышленного строительства они могут применяться достаточно широко. Благодаря применению современных оболочек для зданий с сеткой колонн приблизительно 15×40 м можно добиться значительного сокращения расхода бетона и стали. При соответствующей типизации тонкостенных пространственных систем и индустриализации процесса строительства замена ими классических плоскостных несущих систем может дать большой технико-экономический эффект. Так, например, в СССР, в Ленинградском экономическом районе, только за три года было построено 200 000 м2 тонкостенных конструкций покрытия с сеткой колонн от 18×18 до 36×36 м. В Англии около 10% всех промышленных зданий, построенных за последнее время, выполнено с покрытиями тонкостенного типа.

Но нам уже пора заканчивать разговор о пространственных конструкциях. Следует только заметить в заключение, что будущее безусловно принадлежит тонкостенным и висячим конструкциям покрытия, для которых настоящее – лишь скромная прелюдия.





Похожие статьи:
Ураганные ветры и строительство

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум