2.2 Несущий остов тонкостенных и гибких сооружений

К тонкостенным пространственным конструкциям относятся оболочки, складки и шатры. Современные пространственные покрытия бесконечно разнообразны по формам и размерам и наилучшим образом отвечают высоким требованием современной архитектуры большепролетных общественных зданий.

Оболочки бывают одинарной и двоякой кривизны. К первым принадлежат оболочки, представляющие собой цилиндрическую или коническую поверхность. Оболочки двоякой кривизны могут быть оболочками вращения с криволинейной образующей (купол, гиперболический параболоид, эллипсоид вращения, поверхность тора и т.д.) или оболочками переноса с постоянной кривизной в вертикальных плоскостях по всем последовательно расположенным сечениям. Оболочки могут быть созданы и комбинациям различных криволинейных пересекающихся или соприкасающихся между собой поверхностей. По структуре оболочки могут быть гладкими, выполненными из монолитного железобетона на жесткой или пневматической опалубке, ребристыми, сетчатыми и волнистыми (гофрированными), которые в основном изготавливаются из сборного железобетона (рис.2.5.)

Цилиндрические оболочки имеют круговое или параболическое очертание и опираются на торцевые диафрагмы жесткости, которые могут быть выполнены как стены, фермы, арки или рамы. В зависимости от длины оболочек их делят на короткие, у которых пролет по продольной оси L не более чем полторы длины волны l (где под длиной волны подразумевают пролет в поперечном сечении), и на длинные, у которых . Последнем случае внутри пролета L устанавливают дополнительные диафрагмы жесткости. По продольным краям оболочек предусматриваются бортовые элементы, где размещается продольная арматура, позволяющая оболочкам работать вдоль продольного L подобно балке.

Купольные оболочки представляют собой поверхность вращения вокруг вертикальной оси некоторой геометрической кривой (кругового сегмента, параболы и т.д.). В большинстве купольные оболочки представляют собой часть поверхности шара, опирающегося по всему периметру или на отдельные точки, расположенные по контуру (рис.2.5). Купольная оболочка наиболее простата и экономична по расходу материала.

Висячими покрытиями перекрывают огромные пролеты от 30 до 200м и более при наиболее экономичном расходовании конструктивных материалов. Расход стали на висячие покрытия пролетом 60 – 80м и составляет 10-20кг/м², тогда как применения стальных ферм или рам для перекрытия такого пролета требует расходы металла 80-150кг/м² (рис.2.6, 2.7). К этому в висячих покрытиях надо прибавить расход железобетона на опорный контур, составляющий обычно 0,04-0,08м³ на 1м² перекрытой площади. При дальнейшем увеличение пролетов экономическое преимущество висячих покрытий становится еще более значительным. Объясняется это тем, что металл в несущих пролетных конструкциях работает на чистое растяжение, т.е. наиболее выгодно, в то время как элементы опорного контура воспринимают в основном сжатие, а поэтому в них весьма рационально используются бетон и железобетон.

Все висячие покрытия – распорные конструкции, причем распор тем больше, чем отношение стрелы провисания f к пролету L меньше. Обычно относительное провисание висячих покрытий f/L принимается в границах от 1/10 до 1/20.

Распор от висячих конструкций передается либо на опорный контур, который им воспринимается, либо в грунт через стойки и оттяжки, заанкеренные в землю или заделанные в массивные части здания.

Мембранные покрытия отличаются от тентовых тем, что изготавливаются в основном из металлического листа, натянутого на жесткий опорный контур(рис.2.8). Такие покрытия могут перекрывать пролеты больших размеров.

Тентовые покрытия работают по принципу однопоясных предварительно напряженных сеток и отличаются от них тем, что предварительно натянутая ткань или пленка представляет собой

Рисунок 2.5 Тонкостенные пространственные конструкции а – купол из стеклопластика в виде секторов гиперболических поверхностей; б – покрытия из железобетонных гипаров; в – 13-лепестовый волнистый железобетонный купол рынка в Руайяне Франция.

Рисунок 2.6 Висячие конструкции: а – радиальные расположения нитей; б – параллельные расположений нитей.

Рисунок 2.7 Проекты покрытий с использованием вантовых систем: а – над трибунами стадиона (Москва); б – спортзала в г.Бакэу Румыния.

Рисунок 2.8 Принципиальные схемы пространственных и пневматических конструкций: а – мембранное покрытия в Крылатовском; б – дворец спорта в Бишкеке; 1 – поперечные стабилизирующие двутавры; 2 – подбор; 3 – железобетонный пояс; 4 – стальной лист толщиной 2мм; 5 – продольные направляющие из швеллеров; в – воздухоопорное здание; г – арка низкого давления; д – арка высокого давления; 1 – шлюз; 2 – оболочка; 3 – монтажный шов (при необходимости); 4 – вентиляторная установка; 5 – анкеровка; 6 – опорный пояс; 7 – переходник; 8 – шитые швы; 9 – стальная опорная корзина.

одновременно несущие ограждающую конструкцию, такая ткань может быть предварительна натянута системой тросов подборов(рис.2.8.) или последовательным расположением несущих и стабилизирующих тросов. Особое внимание при проектировании тентовых покрытий следует обратить на то, чтобы участки ткани, не раскрепленные тросами, не превышали 4-5м и чтобы форма покрытия обеспечивала быстрый и удобный сток воды: задержка стока может привести к образованию водяных мешков и разрыву ткани.

Мягкие оболочки могут воспринимать внешние нагрузки только в состоянии предварительно натяжения. В строительных конструкциях оно может быть создано двумя способами: пневматическим или механическим. Первый способ приводит к созданию конструкций пневматических, второй-тентовых.

Пневматические конструкции. Различают два типа пневматических конструкций: воздухоопорные и воздухонесомые. Существуют также комбинированные конструкции, совмещающие в себе признаки обоих типов.

Воздухоопорная конструкция – это оболочка настолько больших размеров, что образуют целое здание или, по крайней мере, его покрытие. Поддерживается оболочка в состоянии способности противодействия внешним нагрузкам при сравнительно невысоким (200…500Па) внутренним избыточным давлении воздуха. Оболочка как бы опирается на множество невидимых колонн из сжатого воздуха, что и определило ее название – воздухоопорная(рис.2.8.).

Для подачи воздуха под оболочку используются вентиляторы низкого давления, но высокой производительности. Обычно они действуют непрерывно и поэтому к воздухонепроницаемости самой оболочки и герметичности ее соединений с основанием или входными устройствами высокие требования не предъявляются.

Сжатый воздух стремиться поднять оболочку, оторвать ее от основания, чему препятствует опорные (анкерные) устройства, которыми могут служить: винтовые сваи (штопора); бетонные блоки, образующие ленточный или прерывистый цоколь; массивные конструкции капитальных строений, перекрываемых воздухоопорной оболочкой.

Эксплуатационной особенностью воздухоопорных зданий является возможность обитания и деятельности человека в подоболочном пространстве, давление воздуха незначительно (на тысячные доли) превышает атмосферное и никакого воздействия на человека не оказывает.