Здания с тонкостенными пространственными Конструкциями.

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).

Сводчатые и купольные покрытия были известны давно. Наибольшего разнообразия каменные своды и купола достигли в эпоху готики, Ренессанса и классицизма (рис. 5) С внедрением в строительство железобетона своды и купола постепенно превратились в тонкостенные пространственные конструкции. Одними из первых современных железобетонных куполов были покрытия планетария в г. Иене (ГДР) и театра в Новосибирске. Новосибирский купол при диаметре 60 м имеет толщину всего 8 см.

Рис. 5. 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 распалуСкаын; 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.

Ц илиндрические 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. 6. 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

Р ис.7. Разновидности цилиндрических оболочек:

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

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. Такая оболочка пролетом 96 м из 12 сводов с длиной волны (шириной свода) 12 м была построена в Ленинграде для покрытия автопарка.

Конусные оболочки (рис. 7, 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 также 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. 8).

Рис. 8. 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. 9).

Рис. 9. 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 (рис. 10). Полученная седловидная поверхность представляет собой поверхность двоякой кривизны с противоположными знаками. Вертикальные сечения гипара дают параболические очертания, а горизонтальные сечения облазуют гиперболы. Гипары применяют часто и как целую архитектурную форму, и как отдельные элементы — вырезки и комбинации этих вырезок.

Рис. 10. Гиперболические параболоиды (гипары):

а — ряд одинаковых парабол, подвешенных между цвумя 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

К омбинированные 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. 11. Комбинированные оболочки:

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

Примером увлечения выразительностью форм и невнимательного отношения к вопросам тектоники и статики может служить здание театра в Сиднее (архит. Утцон)(рис. 11).

Изогнутая поверхность и прочный жесткий материал — основные условия создания оболочек. Эти же условия использует и природа при создании естественных скорлуп. Многие виды раковин и другие природные конструкции становятся предметом внимательного изучения строителей.

Оболочки изготовляют из монолитного железобетона.

С кладчатые 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. Типы складок показаны на рис. 12.

Рис. 12. Типы складок:

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

Как и цилиндрические оболочки, они могут создавать большие выносы консолей. Вместо торцовой стенки-диафрагмы можно использовать и другие конструктивные приемы, например вилообразные опоры. Защемленные внизу и соприкасающиеся друг с другом наверху, опоры создают жесткую систему, необходимую для складчатой конструкции, а сама конструкция, открытая с торца, приобретает особую выразительность. Складки обычно выполняют из монолитного железобетона.

Шатры (рис. 12, 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.