- •Краткие сведения.
- •2. Проектирование объемно-блочных зданий.
- •Схемы передачи вертикальных нагрузок на несущие объемные блоки.
- •Связи между блоками.
- •5. Перекрытия и покрытия объемно-блочных зданий.
- •Фундаменты объемно-блочных зданий.
- •7. Балконы, лоджии и другие элементы объемно-блочных зданий.
- •1. Конструктивные схемы каркасов.
- •2. Фундаменты.
- •3.Колонны.
- •4. Ригели.
- •5. Диафрагмы жесткости
- •7.Наружные стены.
- •8. Безригельный каркас.
- •Этапы развития монолитного домостроения и перспективы его
- •2. Конструктивные решения монолитных зданий.
- •3. Наружные стены монолитных зданий
- •4. Конструкции внутренних стен и перекрытий.
- •Узлы сопряжения плит перекрытий с монолитными стенами.
- •Достоинства и недостатки монолитного домостроения.
- •7. Особенности возведения сборно-монолитного каркаса
- •1. Введение.
- •2. Преимущества и функции применения вентилируемых фасадов.
- •3. Принцип работы. Основные конструктивные элементы.
- •4. Виды вентилируемых фасадов.
- •5.Металический сайдинг (металлосайдинг).
- •1. Жесткие оболочки и складки
- •1.2. Покрытие складками и оболочками нулевой гауссовой кривизны. 11.2.1. Конструкции
- •11.3.2.2. Композиция
1. Жесткие оболочки и складки
1.1. Классификация конструкций.
Пространственные тонкостенные конструкции из жестких тонкостенных оболочек и складок изобретены в 1920-х г.г. За прошедшие десятилетия создано исключительное разнообразие тонкостенных конструкций по материалу (сталь, железобетон, дерево), геометрической форме и схеме статической работы. Уникальным был отечественный опыт исследования, разработки и применения в строительстве длинных тонкостенных деревянных цилиндрических сводов-оболочек. Начиная с 1931 г,, они применялись в одно- и много вол новых покрытиях производственных зданий пролетом до 45 м, уступив с 1934г. место более технологичным ребристым с водам-оболочкам покрытий промышленных зданий пролетом до 100м.
К сожалению, в послевоенные годы этот опыт не был востребован.
В настоящее время наибольшее распространение имеют тонкостенные конструкции из железобетона: в зарубежной практике - монолитные, в отечественной - сборные и сборно-монолитные.
При всем разнообразии конструкций наиболее приемлемой является их классификация по типу статической работы - безраспорной или распорной (рис.11.1.) Такая классификация представляется убедительной, так как совпадает с классификацией геометрических форм оболочек. Естественно, как и любая другая, классификация, данная на рис. 11.1. обобщает и упрощает явление, не учитывает возможных вариантов конструирования. Например, применив в здании безраспорные складчатые покрытия и стены и жестко объединив их друг с другом, мы получаем пространственную рамную, а следовательно, распорную конструкцию.
К безраспорным относятся складки и оболочки нулевой гауссовой кривизны - цилиндрические, коноидальные; к распорным - своды (гладкие, волнистые, складчатые, сомкнутые и крестовые), купола (с различной геометрией поверхности) на круглом или эллиптическом плане, пологие оболочки на многоугольном плане (положительной и отрицательной кривизны), комбинированные (составные) из фрагментов оболочек одинаковой или разной кривизны.
При всем разнообразии пространственных конструкций из тонкостенных оболочек и складок их особенностью является, по образному выражению П.-Л.Нерви то обстоятельство, что их "несущая способность является функцией их геометрической формы". Изменение кривизны оболочки и ее стрелы подъема меняет ее жесткость без увеличения расхода материала. Правильный выбор геометрической формы обеспечивает работу большей части сечения конструкции на осевые усилия (сжатие), оставляя работу на растяжение и сдвиг специальным фрагментам конструкции - диафрагмам жесткости, опорным кольцам и бортовым элементам. Все это определяет, помимо
оригинальной формы пространственных конструкций, их экономичность, возрастающую с увеличением перекрываемых пролетов.
1.2. Покрытие складками и оболочками нулевой гауссовой кривизны. 11.2.1. Конструкции
Покрытия складками и оболочками нулевой гауссовой кривизны применяют для перекрытия пролетов от 12 до 60м. Наиболее распространены конструкции пролетами от 12 до 36 м. (в сборном варианте - до 24-30 м). При пролетах 24 м и более такие конструкции для повышения жесткости и трещи но сто и кости проектируют предварительно напряженными, размещая напряженную арматуру в бортовых элементах оболочек или ендовах складчатого покрытия.
Конструкция оболочки или складки содержит собственно оболочку (тонкостенную, ломаную или изогнутую плиту), работа которой под нагрузкой аналогична работе балки с криволинейным {треугольным, трапецеидальным) сечением, бортовые продольные элементы и диафрагмы. Бортовые элементы работают па восприятие основных растягивающих усилий в пролете. В железобетонных пространственных конструкциях именно в бортовых элементах размещена основная арматура. Назначение диафрагм -обеспечить неизменяемость поперечного сечения конструкции - избежать ее "распрямления" под нагрузкой (поперечного распора). Различают длинные (цилиндрические, коноидальные) оболочки и короткие. Короткие - изогнуты в направлении свободного пролета, работают как свод, в связи с чем ее форма соответствует кривой давления в своде.
Геометрические параметры и их соотношения в конструкциях длинных оболочек и складок детально исследованы, установлены также границы изменения расхода материалов на конструкцию при изменении пролета (табл. 11.1).
Архитектурно-строительные задачи - устройство верхнего света, выбор разрезки конструкции на сборные элементы, а также архитектурно-функциональные задачи -увязка формы покрытия с формой плана - решают в покрытиях оболочками и складками различно, что требует их индивидуального рассмотрения.
Складчатые конструкции (рис.П.2) применяют чаще, чем оболочки в связи с большей технологичностью формы. Применяют треугольную, трапецеидальную и ше-довую форму складок в монолитном и сборном вариантах. Сборные складки монтируют из плоских, 2, У-образных или трапецеидальных элементов. Последний тип сечения сборных элементов наиболее предпочтителен, так как при одинаковой высоте обладает большим моментом инерции.
Преимуществом У-образных и трапецеидальных изделий является также возможность устройства вдоль стыка верхних плит складки вставок из плоских плит, расширяющих покрытие, либо продольных фонарей. Применение таких вставок обеспечивает сокращение расхода материалов и труда на устройство кровли, возможность скрытого размещения инженерных систем (воздуховоды, электропроводка и пр.), уменьшение образования снежных мешков на покрытии, но сопровождается увеличением расхода конструкционных материалов.
Неизменяемость формы складчатой конструкции обеспечивают различно: плоскими поперечными стенками - диафрагмами, фермами, арками, рамами, затяжками, Г-, Т- или У-образными колоннами.
Наряду с основным типом покрытия, состоящего из параллельных складок единого очертания, применяют покрытия веерными или встречными складками. Параллельные и встречные складки применяют в покрытиях залов с прямоугольным планом, веерные - с трапецеидальным или криволинейным.
Многоскладчатые покрытия часто выполняют с консольным свесом за грань наружных стен. Консольный свес формирует активный профиль венчания здания и служит стационарным солнцезащитным средством, как, например, в здании Курского вокзала в Москве.
Конструкцию складок применяют не только для покрытий, но и для стен общественных зданий, главным образом - для высоких стен в целях обеспечения их жесткости и устойчивости.
Совместное применение складчатых конструкций для стен и покрытий может осуществляться с шарнирным или жестким сопряжением между ними. В последнем случае образуется пространственная распорная рамная конструкция. Наиболее известным примером применения такой конструкции является здание залов заседаний комплекса ЮНЕСКО в Париже (архитекторы М.Брейер и Б.Зерфюсс, инженер П.-Л. Нер-ви), перекрытое двухпролетной складчатой рамой.
Покрытия длинными цилиндрическими оболочками проектируют одно- и многоволновыми, одно- и многопролетными, сборными и монолитными (рис.11.3.).
В много пролетных оболочках на опорах применяются единые для смежных пролетов диафрагмы жесткости, в многоволновых - единые бортовые элементы.
Таблица 1Ы. Основные характеристики железобетонных конструкций складок и длинных цилиндрических оболочек.
Температурно-деформационные швы в многоволновых или много складчатых многопролетных покрытиях устраивают по длине покрытия на парных колоннах между парными диафрагмами жесткости, по ширине покрытия — между парными бортовыми элементами.
В покрытиях многоволновыми оболочками могут быть применены диафрагмы жесткости различного типа, из балок-стенок постоянной или переменной высоты, арок с затяжками или сегментных ферм. Последние наиболее экономичны, в связи с чем их широко применяют в многоволновых покрытиях промышленных зданий. В общественных зданиях при отсутствии подвесных потолков по архитектурным требованиям чаще используют диафрагмы рамного или балочного типа. Фонари верхнего света устраивают вдоль шелыги свода, усиливая контур фонарного проема в оболочке ребрами и дополнительным армированием. Систему многоволнового покрытия залов с прямоугольной формой плана выполняют из цилиндрических оболочек. При трапецеидальной форме прибегают к веерной системе многоволнового свода-оболочки с формой поверхности покрытия из длинных усеченных коноидов.
Форму покрытия часто выявляют на фасаде здания, как и при складчатых конструкциях, консолируя часть оболочки за грань наружных стен. Вместо глухой диафрагмы в плоскости наружных стен в этих случаях размещают
затяжку, устраивая между ней и оболочкой светопроемы для верхнебокового освещения, а консоль используют в качестве солнцезащитного козырька над светопроемами в наружной стене.
В сборных конструкциях оболочек применяют разрезку на криволинейные или плоские элементы (рис.11. 3).
11.2.2. Ком поз иции
Как любая новая конструкция, тонкостенные складчатые и оболочковые конструкции сначала отпугивают зодчего, а затем начинают достаточно широко, но не всегда осмысленно применяться. Находки и ошибки в этой области легко проследить, сопоставив два примера - вышеупомянутое здание залов заседаний ЮНЕСКО в Париже (архитекторы М.Брейер, Б.Зерфюсс, инженер П.-Л.Нерви) и концертный зал префектуры Гумма в г.Таказаки в Японии (архитектор А.Рейнольде). Оба здания перекрыты складчатыми пространственными рамами: первое - двухпролетной со складками, расположенными осями вдоль залов, во втором - однопролетной, с расположением осей складок поперек зала (рис. 11.4. и П.5.).
В композиции здания конференц-залов ЮНЕСКО решающая роль принадлежит двухпролетной складчатой железобетонной раме, пространственной конструкции, которая образует несущие наружные стены и покрытие залов. Таким образом, складчатая рама совмещает функции несушей и ограждающей конструкции здания, формирует его фасады и интерьеры. Хотя ко времени строительства комплекса ЮНЕСКО складчатые конструкции были хорошо изучены и применялись не один десяток лет, они оставались несвободны от ряда архитектурно-ком позиционных недостатков: форма складок сугубо жестка и геометрична, а их масштаб, обычно совпадающий с масштабом объемной формы здания в целом, в интерьере оказывается излишне крупным. Нерви преодолел эти недостатки, применив несущую конструкцию в виде двухпролетной рамы с монолитной диафрагмой жесткости. Диафрагма жесткости, располагающаяся со стороны сжатого сечения складок, меняет свое расположение зеркально по отношению к эпюре моментов в раме. Благодаря этому, Нерви получил предусмотренный композиционный эффект. Диафрагма, в связи с ее переменным положением, позволила в большом конференц-зале уменьшать и менять глубину складок, что очень оживляет форму, лишая ее сухой геометричности.
В малом зале, размещенном во внешней зоне меньшего пролета рамы, сжатая зона конструкции покрытия полностью проходит по низу. Соответственно в интерьере- малого зала, масштабу которого размеры складок не соответствуют, они не выявлены, но криволинейная поверхность диафрагмы, образующей потолок зала, придает индивидуальный характер его интерьеру.
Принципиально иначе решил концертный зал А.Рейнольде. Однопролетная складчатая рама придает внешнему облику здания (особенно его боковым фасадам) крупный масштаб и монументальность. Однако, в интерьере зала они выглядят излишне громоздкими, грубыми, немасштабными. Одновременно они существенно ухудшили акустические качества зала, приводя к неравномерной интенсивности звуковой энергии в пространстве зала.
В отличие от рассмотренных примеров совместного применения складок для стен и покрытий, гораздо чаще их применяют только либо для покрытий, либо для стен. Примеры складчатых покрытий с параллельными, веерными и встречными складками для общественных зданий даны на рис.П.6. Часто складчатую конструкцию выносят за грань наружных стен, создавая выразительное завершение здания (здание Курского вокзала в Москве). Но если в последнем случае за грань несущих стен продолжены кон-сольно те же параллельные складки, которыми перекрыт интерьер, то в общественной пристройке к телевизионной башне в Берлине складчатое покрытие из параллельных складок выходит за грань наружных стен четырьмя треугольными в плане, веерными приподнятыми вверх или опущенными вниз консолями, что придает динамизм композиции в целом.
Складчатые стены применяют в композициях высоких объектов, чтобы наиболее экономично обеспечить устойчивость высоких, не раскрепленных перекрытиями стен, и одновременно придать зданию выразительную объемную форму. Наиболее известными в связи с этим стали храмы с высокими складчатыми железобетонными стенами в гг. Алжире и Руайане (инженер Р.Саржер).
Применение стальных складчатых конструкций в крупных общественных зданиях началось с 1970гг., и здесь ведущая роль принадлежит архитектуре советскою павильона на всемирной выставке Эксло-70 в Осаке - рис. 11.7. В основу композиции был положен символ развернутого знамени. Здание имело криволинейную форму плана и переменную высоту - от 20 до 100 м (вершина древка знамени). В плоскости главного сада была применена каркасно-связевая система, облицованная красными металли кими панелями, устойчивость которой из плоскости поддерживалась складчатым крытием, переходящим в противоположную стену из стальных складок переменной бины (инженер А.Кондратьев).
Дальнейшее применение стальных складчатых конструкций в крупных общественных зданиях падает на 1980-1990гг. и связано с развитием архитектуры стиля хай-тек, ориентированного на выявление эстетических качеств металлических конструкций. Наиболее известным примером применения стальной складчатой конструкции в архитектуре крупного общественного здания стиля хай-тек стал Конгресс-холл в Берлине. Архитектурная композиция здания - крупномасштабна, фермы - диафрагмы жесткости складчатого покрытия выполнены с присущим хай-теку нарочитым преувеличением габаритов (рис. 11.7.).
Длинные цилиндрические железобетонные ободочки системы "Цейс-Дивидаг" изобретены инженерами Бауерсфельдом и Дишингером в 1920гг. и впервые применены для покрытия здания рынка в Будапеште в 1927г. Однако их архитектурно-композиционные особенности не выявлены на фасаде здания. Более успешным в архитектурно-композиционном отношении стало применение многоволновых длинных и коротких оболочек в консольных козырьках стадионов в Мадриде, Картахене, Боготе (рис. 11 .§., а-в), а в зданиях - при консолировании выноса покрытия за грань наружного ограждения -. 118 г чЛ
Достаточно широко многоволновые покрытия длинными цилиндрическими ше-довыми и коноидальными оболочками применялись в строительстве одноэтажных промышленных зданий. Однако, несмотря на более пластичную форму, чем у складчатых конструкций, их весьма редко применяют в проектировании крупных общественных зданий. Во всяком случае, современная архитектурно-строительная практика еще не дала с их применением примеров таких значительных архитектурных решений, которые возникли на основе эстетических возможностей складчатых конструкций. В то же время их эстетический потенциал не менее значителен, что можно видеть по разнообразным нереализованным проектным решениям (рис.11.9., 11.10).
П. 3. Распорные конструкции
Среди распорных конструкций покрытий жесткими оболочками двоякой кривизны наибольшее распространение получили своды, купола, пологие оболочки положительной и отрицательной гауссовой кривизны и различные сочетания названных форм в комбинированную конструкцию. При этом только своды и купола имеют многовековую историю. Остальные созданы в 20в.
II.3.1. Своды
II.3.1.1. Конструкция
•
Своды применяют преимущественно для покрытий прямоугольных в плане помещений. Эти конструкции представляют собой современную интерпретацию классических каменных сводов (рис. 11.11.). С переходом к железобетону, армоцементу, металлу - материалам, прочность которых существенно выше, чем у каменной кладки, оказа-
лось возможным значительно увеличить величины перекрываемых пролетов при тонкостенной несущей конструкции. Однако при больших пролетах и нагрузках в работающей преимущественно на сжатие тонкостенной
конструкции свода, возможна местная потеря устойчивости. Поэтому тонкостенные своды редко проектируют гладкими. Для повышения устойчивости своду придают специальную профилировку (волнистую, складчатую) в направлении, перпендикулярном пролету.
Впервые волнистый железобетонный свод, как это часто бывает, был применен для производственного здания-ангара в Орли в 1916г. Автор - инженер Фрейсинэ применил высокую параболическую форму свода с трапецеидальным сечением его волн-арок, перекрыв пролет в 80 м, а между отдельными волнами разместил светопроемы. В гражданских зданиях применение волнистых сводов и с характерной для них малой стрелой подъема началось в 1940 гг..
Уникальным остался отечественный опыт возведения тонкостенных кирпичных сводов (в 1/4 кирпича) двоякой кривизны, применявшихся в 1940-1945гг. для перекрытия пролетов свыше 20 м в зданиях различного назначения (конструкции инженера А.И.Рабиновича).
Во второй половине 20 в. сформировались современные геометрические параметры тонкостенных сводов из бетона, армоцемента, деревянных или металлических конструкций. Ширина волны (складки) составляет менее 1/4 пролета свода. Волнистый (складчатый, бочарный) свод имеет аналогичные аркам условия статической работы и одинаковые расчетно-конструктивные схемы. Очертание свода проектируют по дуге окружности, цепной линии или параболе. Последняя является предпочтительной, особенно при больших пролетах. Стрела подъема свода - 1/5 - 1/10 пролета.Это обстоятельство отличает современные конструкции сводов от традиционных каменных, стрела подъема которых близка к 1/2. Сечение волн железобетонных сводов - криволинейное • по окружности (бочарный евод), по параболе, складчатое с треугольными или трапецеидальными складками. При очень больших пролетах свода - 150 м и более - для повышения его устойчивости применяют двойные волнистые оболочки, раскрепленные диафрагмами (рис.II.12.)
Распор от сводов так же, как и в арочных покрытиях, передают на фундаменты, затяжки, контрфорсы, несущие конструкции смежных помещений, обстраивающие зал, перекрытый сводом (рис.П.13.).
Повторяемость элементов волнистого свода способствует индустриальное™ его возведения с использованием сборных элементов, как для конструкции свода, так и для инвентарной опалубки. Разработаны типовые конструкции сборно-монолитных волнистых и складчатых сводов для пролегав 18-36 м.
Сборные конструкции волнистых сводов монтируют из отдельных плоских или криволинейных плит 3x6 м с укрупнительной сборкой на месте строительства в волну свода либо из укрупненных фрагментов волн - панелей оболочек (панелей-складок). В уникальных зданиях сборно-монолитные своды применены для пролетов до 95 м.
Сборные волны-оболочки соединяют друг с другом сваркой по закладным деталям или арматурными выпусками, расположенными с шагом, равным ширине волны и замоноличиванием швов.
Передача нагрузки от сборного волнистого свода на опорные конструкции осуществляется через специальные опорные балки, тип сечения которых назначают в зависимости от величины пролета - сплошное при пролетах до 24 м, сквозное или коробчатое - при пролетах большей величины.
Грань опорного элемента, примыкающую к своду, располагают в плоскости, перпендикулярной касательной к поверхности свода у опоры. Волнистые сборные своды выполняют по возможности с максимальной заводской готовностью, включая заводское утепление и гидроизоляцию сборных элементов.
Деформационные швы по длине свода устраивают через 40-50 м и заполняют их упругими прокладками. Примыкающие к шву волны усиливают поперечными диафрагмами, а край волны - продольным ребром. Для исключения протечек кровли по шву стыки волн поднимают над кровлей специальными стенками, перекрывают стальным нашел ьником-компенсатором.
В сводах пролетом более 40м свободу температурно-влажностных деформаций обеспечивают за счет свободных горизонтальных перемещений одной из опор свода.
В местах примыкания свода к торцовым стенам здания или пересечения этих стен с устройством карнизного свеса между сводом и стеной предусматривают зазор в 50 мм, заполненный упругими прокладками (рис.11.14.).
Геометрическая форма волнистого свода обеспечивает естественную организацию наружного водоотвода. Однако при сборной конструкции свода опорный элемент может создавать преграду водостоку. Во избежание застоя воды и протечек по стыку свода с опорным элементом устраивают забутку между волнами.
Рис. 11.14. Волнистые своды из сборных элементов:
А - варианты конструкций сборных панелей-оболочек; Б - детали покрытия; а - примыкание к парапету; б -
к карнизу; в - к торцовой стене; г, д - деформационные швы; 1 - бортовой элемент; 2 - связи: 3 - затяжка; 4 -
шов скольжения; 5 - нащелышк - компенсатор.и
Естественное освещение залов проектируют верхним или верхнебоковым. Устройства верхнего света могут быть запроектированы с применением продольных или поперечных фонарей или отдельных светопроемов.
При устройстве в сборно-монолитном (складчатом) своде продольных фонарей панели-оболочки, расположенные в его зоне, заменяют горизонтальными железобетонными опорными рамами фонаря или стекложелезобетонными панелями.
Поперечные фонари монтируют между установленными с разрывом на ширину фонаря смежными волнами свода. При этом примыкающие к фонарю волны должны быть усилены на восприятие кручения от краевой нагрузки фонарем и связаны между Собой распорками или раскосами. В складчатых сводах светопроемы устраивают в боковых наклонных стенках.
При устройстве световых проемов в монолитных волнистых сводах ослабление сечения компенсируют контурными и промежуточными (при длинных фонарях) армированными ребрами. Ширину проема назначают не более 0,4 ширины волны.
Отдельные мелкие проемы (с наибольшим размером до ! 5 толшин оболочки свода) могут свободно располагаться по поверхности свода. Форму проема следует назначать круглой или равносторонней многоугольной.
Боковое освещение наиболее удачно решается при опирании свода на отдельные опоры с устройством между ними витражей. В случаях, когда свод опирается непосредственно на фундамент, для бокового освещения в своде устраивают распалубки.
Волнистые и складчатые своды чаще всего применяют в архитектурной композиции прямоугольных в плане зданий: выставок, плавательных бассейнов, теннисных кортов, а также крытых рынков и производственных зданий.
П.3.1.2. Композиция
Классическим примером удачного композиционного решения общественного здания с покрытием волнистым сводом в течение десятилетий служит выставочный павильон в Турине, построенный в 1948-1949гг. по проекту П.-Л.Нерви (рис. 11.15.).
Зал перекрыт очень пологим (стрела подъема меньше 1/5) сборно-монолитным сводом. Оставляемой опалубкой свода и основным средством архитектурных членений в интерьере зала служат армоцементные У-образные элементы (ширина • 2,5м, длина -4,5м, высота - 1,45м, толщина - 5см), снабженные поперечными ребрами жесткости. Расположенные в боковых стенках волн светопроемы свода дают равномерное естественное освещение по всей ширине (95,1м.) зала. Широко используя однотипные сборные элементы, П.-Л.Нерви никогда не допускает монотонности. Так и в Туринском зале он прибегает к двойному масштабу архитектурных членений. Большая часть поверхности свода имеет мелкие членения, но в нижней зоне ребра свода собраны в пучки по три ребра, переходящие в общую наклонную (проходящую по касательной к кривой свода) опору. Использован и контраст освещенности между пронизанной светом центральной зоной и малой освещенностью зоны наклонных опор. Композиция зала решена очень удачно в архитектурном и конструктивном отношении. Зал поднят над землей - установлен на перекрытии высокого (5 м) первого этажа. Это дает возможность залу главенствовать в объемной композиции здания и скрыть затяжки свода в перекрытии. Боковая обстройка зала двумя этажами вспомогательных помещений позволила частично разгрузить свод и исключить из интерьера зала наименее выгодные участки возле опор сво-
Наряду с большепролетными сооружениями, покрытия которых в новейших тонкостенных конструкциях повторяют историческую форму цилиндрических сводов, второе рождение в новых конструкциях и материалах переживают более сложные формы классических сводов - крестовые и сомкнутые.
Событиями стали архитектурные решения двух объектов различных олимпиад -ледового стадиона в Гренобле арх. А. Гюшар и спортивно-концертного комплекса в Ереване (рис.И.16). Оба сооружения имеют квадратный план и покрыты тонкостенными стрельчатыми крестовыми железобетонными сводами. Но на этом сходство объектов кончается. Крытый каток в Гренобле имеет в плане размеры 100x100 м и пролет покрытия - 91 м. Для повышения жесткости конструкции лотки свода выполнены из двойных волнистых оболочек толщиной по 6 см каждая. Вся конструкция оперта на четыре точки, причем на каждую из них оперты по две двухслойных оболочки. Распор покрытия воспринимает связывающая фундаменты опор затяжка. В зданиях такого большого пролета остро стоит проблема устройства верхнего света. В Гренобле она решена совсем не тривиально. В конструкции крестового свода здесь не предусмотрены общие жесткие ребра по линии сопряжения лотков, обеспечивающих их совместную работу. Напротив, каждый из лотков работает самостоятельно, по линии их возможного сопряжения предусмотрен разрыв, заполненный свегопрозрачными конструкциями верхнего света. В Ереванском здании верхний свет обеспечивают зенитные фонари; гладкие одинарные оболочки лотков объединены по линиям пересечения жесткими ребрами.
Систему тонкостенных крестовых сводов применяют как в виде одиночной, так и в комплексной форме. Характерный пример - комплекс из трех тонкостенных крестовых железобетонных сводов покрытия прямоугольного в плане здания аэровокзала в Сан-Луисе архитекторов Ямасаки и Лейнвебера.
Уникальным, как по форме сооружения, так и по его габаритам, является здание Центра науки и техники, построенное в Париже в 1959г. по проекту инженера Н.Эскил-лана. Оно имеет план равностороннего треугольника и перекрыто трехлотковым сомкнутым волнистым сводом, опертым на три точки. Распор свода воспринимают предна-пряженные затяжки, связывающие его три пяты и размещенные под полом, а вертикальные нагрузки - скальное основание (рис.11.18.). Конструкция волнистого свода - двойная, состоит из двух тонкостенных железобетонных оболочек, раскрепленных диафрагмами. Приведенная толщина этой грандиозной конструкции - всего 13см на 1 кв.м площади пола. К недостаткам композиции можно отнести отсутствие верхнего света. Грандиозные витражи по трем сторонам здания дают крайне неравномерное естественное освещение интерьера. В композиционном отношении известным недостатком является отсутствие масштабности - в грандиозных витражах и своде отсутствуют сомасштаб-ные человеку членения. К сожалению, после постройки на искусственных платформах нового многофункционального района Дефанс, расположенное на его территории здание Центра частично ушло под верхнюю платформу и его объем визуально полностью не воспринимается (рис.11.18.).
II.3.2. Купола 11.3.2,1, Конструкция
Купола, наряду со сводами, являются второй древней конструкцией, переживши второе рождение в 20в.
Замена каменных конструкций куполов тонкостенными железобетонными или стальными радикально изменила все геометрические параметры купола: предельны пролет, стрелу подъема, отношение толщины купола к пролету.
Со 2 в. нашей эры до 20 в. предельной величиной пролета купола оставална 42 м (Пантеон в Риме). Но уже на первом этапе внедрения железобетонных конструкций был построен купол пролетом 65 м (1913 г. - Зал столетия во Вроцлаве), а в серед» не века - 100 м (1959 г. - Большой олимпийский дворец спорта в Риме), разработаны проекты железобетонных куполов пролетом 150 м, осуществлены стальные купола с пролетом около 200 м, например, покрытие стадиона в Хьюстоне диаметром 193 м (1964 г.) Наконец, с применением пленочно-тентовых конструкций удалось возвести купол диаметром 400 м (Зал Миллениум в Лондоне - 2000 г.).
Резко изменилось отношение толщины оболочки купола к его диаметру благодаря высокой прочности новых материалов. Если в каменных куполах это соотношение колебалось в пределах 1/10 • 1/12, то в пространственных тонкостенных железобетонных оболочках с пролетом до 150 м оно составляет 1/600- 1/800, и вес современных купольных
конструкций составляет 3-4% от веса исторических каменных куполов. Малая массивность новых купольных конструкций сильно сказалась на их внешнем облике. Каменные купола проектировались с очень большой стрелой подъема, чтобы уменьшить величину распора и обеспечить устойчивость каменной кладки. В современных конструкциях в связи с их малой массой величина распора пропорционально существенно меньше, а монолитность бетона (как и "сплошность" стальных стержней) практически исключает случайное обрушение конструкции при возведении. Соответственно отличительной особенностью современных куполов является их весьма пологая форма. Это не только представляет собой новое эстетическое явление, но и меняет экономичность перекрываемых зданий. Благодаря пологости купола резко сокращается размер подкупольного пространства, соответственно уменьшается стоимость объекта, приведенный расход материалов покрытия на 1 кв.м. пола перекрываемого зала и эксплуатационные расходы. В то же время и сейчас в соответствии с композиционными и функциональными требованиями (например, для здания планетария) купол может быть запроектирован с высокой стрелой подъема.
Современные формы купольных оболочек весьма разнообразны. Помимо традиционных форм гладких куполов с поверхностями тела вращения - фрагменты сферы, эллипсоида, параболоида или коноида в практику вошли купона со своеобразной формой поверхности (волнистой или складчатой, иногда называемой зонтичной). Так же как и в волнистых сводах, такое усложнение поверхности купола может быть продиктовано конструктивными, функциональными или композиционными требованиями. Л именно - требованиями повышения устойчивости тонкой, сжатой оболочки, лучшей организации естественного освещения подкупольного пространств или необходимостью придать зданию индивидуальный выразительный облик. Традиционно верхний свет в под-купольном пространстве дает фонарная надстройка над его верхним кольцом. Но возможно предусмотреть устройство верхнего света через венок распалубок над нижним кольцом (рис.11.19.)
Купола проектируют из железобетона, металла, дерева или пластмасс. При этом наибольшее распространение получили стальные и железобетонные купола.
Уникальные конструкции тонкостенных гладких и ребристых пологих (с отношением стрелы к диаметру 1/7) деревянных куполов пролетом 28 и 33 м были возведены в СССР в начале 30-х гг. К сожалению, они применялись в промышленных сооружениях: для покрытия газгольдеров, вращающихся печей и пр., мало привлекающих внимание архитектурной общественности. Поэтому этот опыт не был в должной мере оценен и воспринят последующим поколением специалистов. Основная конструктивная форма современных куполов - тонкостенные оболочки (гладкие или Граненые), ребристые, ребристо-кольцевые с решетчатыми связями и сетчатые. Последние три формы характерны для стальных конструкций. Железобетонные купола проектируют монолитными или сборными. Купола-оболочки содержат собственно оболочку, опорное растянутое кольцо и (при устройстве верхнего света) верхнее сжатое.
Купола-оболочки чаще всего проектируют гладкими монолитными. В случае необходимости применить сборно-монолитную конструкцию купол собирают из плоских или цилиндрических плит. Ребристые крупноразмерные цилиндрические плиты имеют длину на половину пролета и трапецеидальную форму в плане. Опорные кольца таких куполов - из сборных железобетонных или стальных прокатных замоноличиваемых профилей.
Сборные конструкции купола из плоских плит получают членением поверхности по меридианам и параллелям с образованием по высоте купола нескольких ярусов трапециевидных плит. Поскольку купол при этом членится на значительное число небольших плит, их проектируют плоскими, при этом поверхность купола после сборки представляет собой многогранник, вписанный в проектную криволинейную поверхность.
Для безопалубочного монтажа применяют конструкции сборных куполов так называемой навесной сборки. Купол членен на кольцевые и меридиональные ярусы. Плиты имеют плоскую форму и ребристую
конструкцию. Каждая из плит располагается в двух ярусах, что позволяет вести навесной монтаж (рис. 11.20.) за счет защемления плит.
Ребристые купола содержат установленные по радиусам криволинейные или прямолинейные ребра, нижнее и верхнее кольца. При прямолинейных ребрах образуется купол конической формы, при криволинейных - в виде полуарок - сферических или па-раболоидных (рис.11.21.6). Оригинально решение ребристого купола собора в г.Брази-лиа (архитектор О.Нимейер, инженер Ж.Кардозу), ребра которого имеют вогнутую форму (рис. 11.21.а). При этом сжатое кольцо размещено в месте максимального выгиба ребер. Поверхность купола между ребрами заполнена тонированным армированным стеклом, а нижнее опорное кольцо лежит практически на земле. При этом пол храма расположен ниже уровня земли. Таким образом, над уровнем поверхности земли возвышается только купол
Собора.
Ребристо-кольцевые сборные купола применяют при пролетах до 70 м, они состоят из ребер-пол у арок, горизонтальных кольцевых балок, криволинейных плит и опорных колец (нижнего и верхнего). Сборные элементы заполнения ячеек ребристо-кольцевых куполов могут быть выполнены со сплошной плитой, плитой со световым отверстием, или бет плиты - со светопрозрачным заполнением между ребрами. В последнем случае для обеспечения устойчивости конструкции ребра через шаг объединяют связями.
Сборные элементы соединяют с опорным кольцом и между собой сваркой закладных деталей (арматурных выпусков) и замоноличиванием швов.
Металлические купола проектируют ребристыми, ребристо-кольцевыми или сетчатыми. При этом в ребристых куполах (в отличие от железобетонных) не менее, чем в двух секторах устанавливают связи жесткости по наружным поясам ребер, а для устройства кровли по ребрам устанавливают прогоны.
Ребристо-кольцевые купола содержат помимо радиальных ребер горизонтальные кольца, работающие не только на изгиб от кровли, но и на продольные усилия, как элемент пространственной фермы. Еще большую жесткость несущей системе придает установка диагональных стержней в каждой трапецеидальной ячейке купола (купол Шведлера).
Сетчатые купола имеют каркас из пространственной стержневой системы с треугольными ячейками.
Разновидности сетчатых куполов определяются схемой построения сеток на сферической поверхности купола (рис.11.22.).
Широкую известность получили металлические конструкции так называемого геодезического купола Б.Фуллера. По геометрии они представляют собой сборную конструкцию из серии однотипных стержневых или плоскостных многогранников. Название геодезической эта конструкция получила в связи с тем, что в ней узлы сопряжения сборных элементов располагаются на горизонталях сферической поверхности, в то время как сам купол представляет собой многогранник, вписанный в сферу.
Наименее трудоемкой является конструкция сетчатых пластинчато-стержневых (панельных) куполов. Их собирают из отдельных алюминиевых изогнутых панелей из листов толщиной 2-4 мм. Отбортованные ребра панелей совместно с дополнительными стержневыми элементами образуют каркас купола. Панели объединяют на болтах. Самостоятельный вариант пластинчато-сетчатой конструкции купола разработан МАрхИ (проф.Туполев М.С.). При всей легкости сетчатых купольных конструкций им присущ общий недостаток - большая стрела подъема, приблизительно равная половине диаметра купола. Помимо экономических недостатков большая стрела подъема способствует ухудшению пространственной акустики в перекрываемом зале из-за фокусировки отраженных звуковых волн. В этом отношении акустические преимущества пологих железобетонных куполов, поверхность которых имеет очень большой радиус кривизны, превышающий в 2-3 раза высоту зала, бесспорна.
Волнистые и складчатые купола. Волнистые железобетонные и складчатые купола проектируют монолитными или сборно-монолитными ич сопряженных сегментов оболочек-волн (коноидальпых, синусоидальных, параболоидных). Пролеты таких куполов - 60-80м. Элементы складчатых куполов из складки прямолинейной, выпуклой или вогнутой формы выполняют в стальных или железобетонных конструкциях.
При большем, чем в гладких куполах, расходе материалов, волнистая (складчатая) конструкция обладает рядом преимуществ: благодаря открытым наружным торцам волн обеспечивается полноценное естественное верхнебоковое освещение внутренних пространств, а выразительная объемная форма конструкции обогащает композицию фасадов и интерьера здания. Торцы волн-оболочек могут выходить за пределы опорного кольца, иметь вертикальную или наклонную плоскость среза. Консольный вынос волн часто служит стационарным солнцезащитным устройством для проемов или витражей в наружных стенах.
Характерный пример сборно-монолитной складчатой железобетонной конструкции купола с распалубками - покрытие Даниловского рынка в Москве, складчатой металлической конструкции купола - покрытие здания цирка на ул. Вернадского там же.
Естественное освещение залов, перекрытых куполами, в соответствии с назначением зала, проектируют верхним или верхнебоковым. В сборных ребристых куполах проемы устраивают в центральной части сборных элементов заполнения. Боковое освещение предусматривают через витражи, вмонтированные между колоннами, поддерживающими опорное кольцо, через проемы в торцах волн или складок волнистых куполов, либо в распалубках.