21. Цилиндрические оболочки. Оболочки положительной гауссовой кривизны. Оболочки отрицательной гауссовой кривизны.

К тонкостенным пространственным конструкциям относятся своды, купола, оболочки, складки и шатры. Они значительно экономичнее по расходу материалов плоскостных конструкций (до 30% по расходу бетона и до 20% по расходу металла).

Рис.108. Формы традиционных сводов и куполов:

а — цилиндрический свод; 0 — то же, с распалубками; в — крестовый свод; г — то же, вспарушенный со стрельчатым очертанием арок (готический свод); д — сомкнутый свод; е — то же, с распалубками; ж — зеркальный свод; з — сферический купол; и — то же, с распалубками разных видов; к—парусный свод; л — то же, с распалубками

Современные пространственные конструкции из жесткого материала с криволинейным очертанием получили название оболочек или скорлуп. Условной границей между традиционными сводами и куполами и современными оболочками считают отношение толщины свода к радиусу конструкции, которое должно быть равно или меньше 1/20.

По внешним формам можно классифицировать оболочки на пять групп:

цилиндрические и их разновидности;

двоякой положительной кривизны;

коноиды;

гиперболические параболоиды;

комбинированные.

Цилиндрические оболочки по своему внешнему виду напоминают традиционный каменный свод, но работа материала в этих конструкциях совершенно иная. Чтобы яснее представить это различие, можно воспользоваться бумажной моделью оболочки.

Рис.109 Бумажная модель цилиндрической оболочки:

а — ровный лист бумаги прогибается и не держит сам себя; б — свернутый в трубку, он становится жестким; в — складки вдоль рулона придают бумаге форму цилиндрических оболочек и большую несущую способность; г — при увеличении нагрузки цилиндрические складки сплющиваются и теряют свою несущую способность; д — накленные по торцам диафрагмы придают складкам жесткость (неизменяемость) и повышают их несущую способность; е — бумажная модель складчатой конструкции.

Цилиндрическая оболочка относится к оболочкам одинарной кривизны, т. е. ее поверхность образована движением прямой линии по круговой, параболической или какой-либо другой кривой. Но если продольную ось цилиндрической оболочки изогнуть вверх по кривой (чаще всего по окружности), то получится оболочка двоякой кривизны, которая называется сводом-оболочкой или бочарной оболочкой. Бочарная оболочка создает распор и в продольном и поперечном направлениях.

Рис.110. Разновидности цилиндрических оболочек:

а —длинная; б —короткая; в — сложной формы; г — конусная

Конусные оболочки (рис. 111, г) также являются разновидностью цилиндрической оболочки. Их используют в различных зданиях (рынки, выставочные залы, гаражи), имеющих в плане круглое или веерообразное очертание.

Многообразные пересечения цилиндрических оболочек создают широкие возможности для формообразования объемов.

Оболочки двоякой положительной кривизны

Разнообразны по своей форме. Наиболее часто применяемыми являются оболочки с поверхностью переноса и оболочки с поверхностью тора. Оболочки переноса образуются движением одной кривой по другой. При этом обе кривые выгнуты кверху и находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поверхность тора образуется при вращении дуги круга по круговой оси, т. е. она является частным случаем оболочки переноса. К этой же группе оболочек относятся и купола-оболочки, имеющие разнообразные очертания и конструктивные решения

Рис.111. Купола-оболочки:

а—ребристая купольная оболочка на наклонных опорах; б— сетчатый купол по системе инж. Фуллера; в —купол из треугольных плит по системе инж. Туполева; г — сотовый купол из плоских шести- и пяти­угольников

Коноиды выделены в отдельную группу из-за особенностей своей формы. Коноидальные поверхности получаются при перемещении прямой, один конец которой движется по прямой линии, а другой — по кривой

Рис.112. Коноиды:

а — образование коноида; б — козырек перед вхо­дом в здание ЮНЕСКО в Париже

 

Гиперболический параболоид (гипар) получается, когда к двум выпуклым кверху параболам подвешен ряд одинаковых парабол, выпуклых книзу .

Полученная седловидная поверхность представляет собой поверхность двоякой кривизны с противоположными знаками. Вертикальные сечения гипара дают параболические очертания, а горизонтальные сечения образуют гиперболы. Гипары применяют часто и как целую архитектурную форму, и как отдельные элементы — вырезки и комбинации этих вырезок.

Рис.113. Гиперболические параболоиды (гипары):

 а — ряд одинаковых парабол, подвешенных между двумя вертикальными параболами, образуют седло­видную поверхность гипара; 6 — вырезка из поверхности гипара, ограниченная четырьмя прямыми лини­ями; в — вырезка из середины седловидной части гипара, примененная как покрытие отдельного здания; г—е — комбинации из секций гипара, имеющие в плане квадратное очертание; ж — комбинация из 8 вы­резок гипара

Комбинированные оболочки состоят из разнообразных криволинейных поверхностей. Примером умелого применения комбинированных форм оболочек может служить здание аэропорта в Нью-Йорке (архит. Сааринен), в котором органично сочетается тектоника оболочек с их архитектурной выразительностью.

Рис. 114. Комбинированные оболочки:

а — здание аэропорта в Нью-Йорке; б — здание театра в Сиднее

Складчатые конструкции, как и цилиндрические оболочки, можно проиллюстрировать на бумажной модели (рис. 6, а). Лист бумаги, согнутый в виде «гармошки», не только несет сам себя, но и выдерживает определенную нагрузку, а укрепленный по торцам диафрагмами жесткости,

значительно повышает свою несущую способность.

Рис. 115.. Типы складок:

а — параллельные; О — веерообразные; в — встречные; г, д — рамные конструкции из складок: е — шатер

Шатры (рис. е) представляют собой пространственную конструкцию покрытия, образованную плоскими, взаимно пересекающимися элементами. Шатровыми конструкциями перекрывают прямоугольное в плане пространство смыкающимися наверху со всех четырех сторон плоскостями. Складками перекрывают пролеты до 60 м, шатрами — до 24 м.

22. Растянуто-напряженные конструкции. Вантовые системы. Висячие оболочки. Подвесные конструкции.

Идея использования в строительстве гибких материалов в виде тросов возникала давно. Но лишь в начале XX в. она получила реальное воплощение в строительстве мостов висячей конструкции.

В покрытии зданий применять тросы стали недавно. Название «висячее покрытие» не совсем точно отражает характер работы таких покрытий, так как главным в таких конструкциях является не провисание, а натяжение перекрещивающихся тросов, образование из них изогнутых поверхностей и создание конструкции, обладающей пространственной жесткостью.

Особенностью висячих конструкций является то, что металлические тросы в ней работают только на растяжение, наиболее благоприятный вид нагрузки для металла. Поэтому висячими конструкциями можно перекрыть громадные площади длиной более 200 м при наименьшем расходе металла. При увеличении пролета экономичность висячих конструкций возрастает.

Распор от висячих конструкций передается либо на опорный контур, либо в грунт через стойки и оттяжки, заанкеренные в землю или в массивные части здания. Круглый или овальный в плане опорный контур наиболее экономичен, так как, работая на сжатие, он гасит распор и передает на опоры только вертикальные нагрузки.

Висячие конструкции можно разделить на пять групп:

- односторонне изогнутые покрытия;

- тросовые сетки двоякой кривизны;

- двухпоясные покрытия;

- комбинированные конструкции из стержней и тросов;

- тентовые покрытия.

Односторонне изогнутые висячие конструкции представляют собой ряд параллельно подвешенных тросов. Для обеспечения совместной работы тросов по ним укладывают поперечные балки, концы закрепляют в боковых стенах для предупреждения от поперечного раскачивания. По балками укладывают плиты покрытия. Такие покрытия могут быть из монолитного железобетона, и тогда их называют висячими оболочками. Висячие оболочки устраивают и на тросах, подвешенных радиально к круглому опорному контуру.

Рис. 116.Односторонние изогнутые висячие

конструкции:

а—на вертикальных стойках с оттяжками; 6 — на жестких наклонных стенках

Тросовые сетки двоякой кривизны состоят из двух систем тросов: несущих, воспринимающих всю вертикальную нагрузку и всегда изогнутых книзу, и стабилизирующих, которые оттягивают несущие тросы книзу, стабилизируя их положение, воспринимают ветровые усилия и передают их на опорный контур или на стойки с оттяжками.

Тросовые сетки двоякой кривизны состоят из двух систем тросов: несущих, воспринимающих всю вертикальную нагрузку и всегда изогнутых книзу, и стабилизирующих, которые оттягивают несущие тросы книзу, стабилизируя их положение, воспринимают ветровые усилия и передают их на опорный контур или на стойки с оттяжками.

Двухпоясными покрытиями называют висячие конструкции, в которых несущие и стабилизирующие тросы расположены в разных криволинейных поверхностях. При этом поверхность несущих тросов выгнута книзу, а стабилизирующих — кверху. Двухпоясные конструкции обычно применяют для перекрытия круглых или овальных в плане помещений с радиальным расположением тросов.

По внешней стороне тросы заделывают в опорный контур в виде кольца. Это кольцо сжимается усилиями от тросов и гасит весь распор от них. Само оно покоится на

вертикальных стойках, передавая им лишь вертикальную нагрузку от массы конструкции. В центре тросы заделывают в цилиндрический барабан, испытывающий растягивающие усилия и висящий на несущих тросах. Несущие и стабилизирующие тросы располагают попарно в одной вертикальной плоскости и соединяют растяжками, если несущий трос находится над стабилизирующим, или распорками, если несущий трос находится под стабилизирующими.

Рис. 118. Двухпоясные покрытия: а — несущие тросы расположены над стабилизи­рующими; б — то же. пересекаются со стабилизирующими; в — то же, находятся под стабилизи­рующими; г — план

тросов; д—покрытие мемб­ранного типа в здании СКК в Ленинграде; 1— несущие тросы; 2 — подвески; 3 — кольцевой опор­ный контур; 4 — стойки-опоры; 5 — стабилизиру­ющие тросы; 6 — центральное растянутое кольцо; 7 — кровля; 8 — распорки; 9 — несущие стальные листы (мембрана); 10 - пригружающая площад­ка, используемая под технические нужды; 11 — стабилизирующие тросовые фермы

Составные или комбинированные висячие покрытия создаются из различных сочетаний элементов висячих конструкций с введением и сжатых элементов, выполняемых в виде арок, вертикальных или наклонных опор и т. д. Примером такой конструкции может служить олимпийский велотрек в Москве.

Тентовые покрытия, или палатки, известны давно, но лишь недавно их стали применять при строительстве крупных зданий. Тентовые покрытия состоят из равномерно натянутой ткани. Поверхность полотнища в натянутом состоянии должна иметь двоякую кривизну, подчиняясь тем же законам, что и тросовые сетки.

Coбственно ткань можно рассматривав как сетку с очень маленькими ячеками. Натянутая ткань должна поддерживаться жесткими мачтами арками или ребрами. Ткань тентовых покрытий является одновременно и несущей и ограждающей конструкцией. В этих сооружениях форма полностью совпадает с конструкцией. Нетектоничные формы у палаток невозможны, так как такие палатки будут колеблющимися и неустойчивыми.

Рис.119. Тентовые покрытия