Вопросы для проверки:

1. Архитектоника классической Греции.

2. Дорическая и Тосканская ордерные системы.

3. Несущие и несомые элементы. Опорные части сооружений. Ограждающие конструкции.

4. Обусловленность арх. форм взаимоотношение природных условий и конструкций. /Греция, Рим, Бионика в строительстве.

5. Композиционные приемы в архитектуре.

6. Средства композиции.

7. Тектоника стеновых конструкций.

Лекция №5 Традиционные строительные конструкции в новых условиях

Физические свойства материала определяют его конструктивные возможности. Еще в древности строители установили определенные числовые отношения для элементов стоечно-балочной конструкции. Эти технически оправданные соотношения длины, ширины и высоты стойки или балки в античном мире нашли свое отражение в системе пропорций, в которых воплотилась технические и эстетические требования к конструкции.

Высота каменных балок – архитравов – в римских постройках дорического ордера составляла всего 1/3 или 1/4 пролета, а в деревянных конструкциях она равнялась 1/20 – 1/25 пролета.

Форма сечения каменных балок, учитывая работу балки на изгиб, выполнялась прямоугольной с высотой в полтора – два раза больше ширины. Поэтому архитрав делали из двух-трех блоков, а не из одного широкого монолита, ибо большой удельный вес камня обуславливает при увеличении пролета разрушение каменной балки под действием собственной тяжести. Непосредственной причиной разрушения является то, что при прогибе балки в ее верхней части происходит сжатие, а в нижней растяжение.

Стоечно-балочные конструкции применяются в современном строительстве. Однако характер работы этих конструкций в связи с использованием новых материалов и средств строительной техники изменился, что вызвало изменение архитектурных форм.

Применение новых строительных материалов позволяет улучшить работу конструкции. Укладка стальных стержней арматуры в нижней части железобетонной балки облегчает восприятие конструкцией растягивающих усилий, так как металл хорошо работает на растяжение. Сжимающие усилия в верхней части балки погашаются самим бетоном, хорошо сопротивляющимся силам сжатия. Кроме того, и железобетон, и металл дают возможность осуществить жесткое соединение элементов и таким образом включить в работу всю конструкцию.

Теперь рассмотрим работу балки, свободно лежащей на опорах, как каменный архитрав, и работу балки, жестко соединенной со стойками, как железобетонная рама (неизменяемая конструкция, состоящая из жестко соединенных стоек и ригелей).

Максимальный изгибающий момент, равный произведению силы P на плечо – L/2, находится в средней части балки. По мере уменьшения плеча балки будет пропорционально уменьшаться и момент. На опорах изгибающий момент равняется нулю. Опоры испытывают в данном случае только сжимающие усилия, равные половине сосредоточенного груза. Если загрузить балку, свободнолежащую на опорах, равномерно распределенным грузом, то график, показывающий величину изгибающего момента – эпюра моментов, приобретет характер кривой второго порядка, так как в этом случае по длине балки L меняется как величина плеча, так и величины силы. Некоторые свободно лежащие балки для лучшего восприятия изгибающего момента и согласно функциональным соображениям делают шире посредине.

Работа балки и стойки с жестким сопряжением рассматривается с учетом того, что полученная конструкция рамы опирается шарнирно, чем обеспечивается возможность поворота стойки в месте опоры. В этом случае действию изгибающего момента подвергается и стойка. Соответственно величина изгибающего момента посредине балки уменьшается, но появятся напряжения, связанные с изгибом в местах сопряжения балки со стойкой. Таким образом. Средняя часть балки как бы разгружается, что в целом улучшает работу конструкции. Изменение величины изгибающего момента в ригеле рамы происходит по кривой второго порядка, а в стойке – по прямой. В шарнирных опорах изгибающий момент равняется нулю.

Знание характера и силы, возникающих в материале напряжений, понимание принципа работы конструкции позволит запроектировать архитектурную форму согласно требованиям тектоники. В железобетонной раме с шарнирными опорами целесообразно делать расширение книзу. К тому же такое решение экономически невыгодно, так как вызывает лишнюю затрату материалов. Наоборот, сужение опор книзу, столь неприемлемое для каменных конструкций, в данном случае совершенно оправдано и тектонически правильно. Однако при жестком закреплении опор рамы, чем обеспечивается неподвижность стойки, она в месте основания будет испытывать усилия от изгибающего момента и ее сечение уменьшать книзу не следует. Таким образом. Форма стойки или ригеля зависит от характера опоры и от степени жесткости их соединения с другими элементами. Современные строительные материалы и техника позволяют осуществить неподвижность опоры. Античные зодчие не могли жестко соединить каменную колонну с основанием – поэтому возможность устройства высоких отдельно стоящих опор была ограничена. Освоение металлических конструкций и их статический расчет позволили французскому инженеру Г. Эйфелю в 1889 году на всемирной парижской выставке побить все прежние рекорды высотных построек. Металлическая башня, названная его именем достигла высоты 305 метров. Ее архитектурная форма была разработана на основании расчета с учетом действия опрокидывающих сил ветра. Если поставить эпюру изгибающих моментов для отдельно стоящей стойки, возникающих под действием ветровой (равномерно распределенной ) нагрузки, то ее контур будет подобен силуэту Эйфелевой башни. Следовательно, форма башни как бы воспроизводит диаграмму изгибающих напряжений при ветровой нагрузке. Эйфелева башня столь выразительна благодаря правильно найденному общему очертанию. Сужающаяся кверху решетка башни выявляет ее устойчивость и высоту. Вогнутость башни в средней части зрительно подчеркивает ничтожную роль вертикальных нагрузок в решетчатой конструкции.

Преобладание вертикальных нагрузок при огромной высоте может вызвать необходимость усиления или расширения конструкции в нижней трети в связи с появлением опасности продольного изгиба. Мягкая плавная кривая пятисотметровой Останкинской телевизионной башни в Москве или телевизионной башни в г. Штутгарте тоже приближаются к очертанию эпюры изгибающих моментов отдельно стоящей стойки, защемленной в основании.

Тектоника консольных конструкций.

Защемление стойки дает возможность выполнения консольных конструкций. Балка у которой только одна сторона жестко соединена с опорой, называется консольной, или просто консолью. Эпюра изгибающих моментов консольной балки такая же, как и у отдельно стоящей стойки, защемленной в основании.

В строительной практике широко распространены отдельно стоящие опоры с консолями, используемыми при изготовлении конструкций навесов и козырьков.

Характер напряжений, возникающих в стойке с консолью при защемлении ее в опоре, хорошо выражается эпюрой изгибающих моментов. При наличии консольных выступов с двух сторон изгибающий момент на опоре равен разнице моментов. Возникающих от загрузки с одной и другой консоли. Получается, что если нагрузка на одной консоли стремится изогнуть стойку вправо, то нагрузка на другой консоли стремится изогнуть ее влево. Максимальный изгибающий момент возникает на опоре, где следует при защемлении стойки делать наибольшее сечение.

Иногда при защемлении консольной стойки ее сужают книзу. Такое решение не оправдано как с технико-экономической, так и тектонической точек зрения, ибо оно не отражает характера работы конструкции.

Сужение опоры книзу указывает на шарнирное закрепление, т.е. на подвижность опоры в плоскости изгибающих усилий. При шарнирном опирании отдельно стоящей стойки с консолью устойчивость конструкции обеспечивается применением дополнительного крепления в виде оттяжки или подкоса. На практике консольный козырек на опорах часто прикрепляется в верхней части к стене с помощью оттяжки.

Иногда для обеспечения устойчивости консольных конструкций используют подкосы. Сочетание консоли с подкосами имеет место в конструкциях трибун. Подкос, который противодействует опрокидыванию козырька, часто служит и для устройства зрительных мест. Роль подкоса, удерживающего консольную конструкцию, может выполнять и другая консоль, которая имеет вынос в противоположную сторону по отношении к первой. Две консольные стойки, соединенные шарниром, образуют новую устойчивую систему – трехшарнирную раму. До сих пор мы рассматривали работу конструкции в одной плоскости. Однако устойчивость сооружения должна быть обеспечена во всех направлениях. Консольная стойка, двух или трехшарнирная рама обеспечивают жесткость в плоскости самой конструкции. Для того, чтобы обеспечить устойчивость сооружения и в перпендикулярном этой плоскости направлении, необходимы дополнительные конструктивные элементы; жесткость конструкции могут обеспечивать элементы покрытия, балки, плиты, конструкция мест для зрителей на трибунах и т. д.

Тектоника каркасных сооружений.

Любое сооружение должно по возможности хорошо сопротивляться внешним силам, действующим на него во всех направлениях. В древнем мире эту задачу решали либо возведением жесткой сплошной конструкции –стены, которая ограничивала пространство со всех сторон, либо сооружением жесткого остова, покрывающегося какими-то более легкими материалами. Основные нагрузки от внешних сил как своеобразный скелет здания воспринимал остов.

Подобная конструкция называется каркасной от итальянского слова «carcassa» - остов. Основной отличительной чертой каркасных конструкций является разделение функций на несущие и защитные. Каркас, обычно состоит из вертикальных (стоек) и горизонтальных (ригелей) элементов, жестко соединенных между собой в разных плоскостях. По сравнению с монолитной стеновой конструкцией на изготовление каркаса затрачивается меньше материала, он легче и, как правило, экономичнее, так как площадь сечений каркаса составляет относительно небольшой процент от площади сечения стены.

Каркасные конструкции особенно широко применялись в средневековых городах Западной Европы. В Средней, восточной и северной Европе, богатой лесами, дерево на протяжении столетий было самым распространенным материалом для жилых зданий. В массивных срубах деревянные бруски горизонтально укладывались в стену. В противоположность срубу применялась иная конструкция. В основе народного жилища часто лежал деревянный каркас с раскосами для жесткости, который заполнялся глиной или кирпичом. Такая конструкция была значительно более рациональна, так как в ней из деревянных брусков сделан только несущий каркас, ферма – собственно сам фахверк, который заполнялся объемной решетчатой конструкцией, которую заполняли глиной или кирпичом и сверху штукатурили. Народные мастера умело выявляли тектонические особенности каркаса и обычно не закрывали фахверк с наружной стороны. Четкий рисунок деревянного несущего остова и художественно подчеркнутый характер заполнения раскрывали объемно пространственную структуру здания и ее конструктивную сущность.

В деревянных конструкциях было сравнительно легко соединять элементы каркаса и обеспечивать ему пространственную жесткость. Для этого в разных плоскостях использовались различные раскосы. Значительно труднее было создать пространственные связи в каменном каркасе. Мастера готики разработали каменный остов с помощью свода – нервюр, наклонных арок – аркбутанов и специальных столбов – контрфорсов. В результате вес перекрытий и горизонтальные усилия распора передавались на систему связанных между собой конструктивных пространственных элементов, что освобождало от нагрузок значительные участки стены. Последние, не участвуя в работе конструкции, выполняли защитные функции, что художественно подчеркивалось устройством ажурного оконного заполнения.

С распространением металла и железобетона каркас стал применяться повсеместно в много этажных постройках повсеместно, особенно в многоэтажных постройках, где его использовали наиболее рационально. Рассмотрим тектонические закономерности современных каркасных зданий. Стеновые панели могут крепиться перед стойками каркасов, между стойками и даже за ними. Соответственно на фасаде здания рисунок каркаса может просматриваться или не просматриваться.

Вполне естественно, что открытый каркас дает наиболее тектонически правдивое решение. Однако устройство навесных стен внутри каркаса не всегда целесообразно и экономично. От расположения и характера крепления стеновых панелей зависит форма выявления несущих элементов каркаса. Выявление на фасаде опор и мест крепления панелей отвечает тектоническим и производственным требованиям, так как при этом размеры навесных панелей соответствуют шагу каркаса – они крепятся к его элементам и создают органическую пространственную систему, где несущие части логически взаимосвязаны с ограждающими. Рисунок переплетов и конструктивных элементов навесных панелей может быть самым разнообразным, но его основные членения не должны маскировать места стыков и крепления к каркасу. Навесные панели могут крепиться непосредственно к колонам и ригелям или только к колонам. Иногда стойки каркаса размещаются внутри здания, а панели навешиваются на консольно выступающее перекрытие.

Архитектор должен найти наиболее технически рациональное решение и всеми композиционными средствами показать специфику структуры каркаса, добившись тем самым максимальной художественной выразительности здания.

В некоторых случаях, особенно в невысоких зданиях, каркас несет только нагрузку перекрытий. Стены выполняются из бетонных панелей, которые принимают на себя вес всего ограждения, а также некоторую часть нагрузки от перекрытий. Такие типы сооружений называются зданиями с несущими и самонесущими стенами и неполным каркасом. Внешняя разрезка самонесущей стены из крупных бетонных панелей мало, чем отличается от стены с навесными панелями. Поэтому архитектор должен показать принципиальное отличие конструктивной системы средствами тектоники. В этом случае несущие панели могут иметь более крупную фактуру, более «весомый» цвет. Оконные переплеты здесь лучше по возможности заглубить в толщу стены, а цокольные блоки выдвинуть немного вперед и придать им зрительно максимальную устойчивость. Для навесных панелей, наоборот, правильнее применять мелкую фактуру, более «легкий» цвет, оконные заполнения делать почти в одной плоскости со стеной. Для облицовки панелей можно использовать мелкую керамику, или другие виды декоративной отделки, которые подчеркивают защитные, а не несущие функции панели. Навесные панели целесообразно выдвигать вперед по отношению к цокольным блокам, подчеркивая тем самым их ограждающую роль. Нависание панелей над опорной частью тектонически хорошо выражает их защитные, а не несущие функции.

Сегодня навесные панели нередко изготавливают из листового материала, алюминия, пластика или стекла. Для сообщения металлическим панелям жесткости из плоскости в ряде случаев им придают пространственную форму, которая служит и декоративным целям.