Н.Г. Назаренко

К ПРИМЕНЕНИЮ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИПЕРБОЛОИДНОЙ ФОРМЫ ВРАЩЕНИЯ

На примере конструкции сетчатого свода приводится обоснование возможности применения пустотелых стержневых элементов в форме гиперболоида вращения в сетчатых железобетонных конструкциях взамен элементов сплошного поперечного сечения.

Ключевые слова: пустотелый стержневой элемент, гиперболоидная форма вращения.

N.G. Nazarenko

FOR USE IN REINFORCED CONCRETE STRUCTURES CORE ELEMENT

HYPERBOLOID FORMS OF ROTATION

For example, construction mesh arch provides the rationale for the possibility of using hollow core elements in the form of a hyperboloid in the mesh reinforced concrete structures instead of the elements of a solid cross-section.

Keywords: hollow core element, a form of hyperboloid of revolution.

Использование элементов гиперболоидной формы вращения можно обнаружить в различных областях человеческой деятельности: при создании гончарных и стеклянных изделий, в устройствах для шлифовки линз [1] и др. Очертание боковых поверхностей некоторых музыкальных инструментов также представляет форму гиперболоида вращения. Известно применение в большепролетном переходе газопровода через реку Амударью опорных элементов в виде тороидальных роликов, боковая поверхность которых близка к гиперболоиду вращения. Благодаря этому снизились контактные и внутренние напряжения в стенке трубопровода в месте контакта [2]. В карбюраторах автомобильных двигателей подобное очертание имеют камеры, где происходит распыление бензина.

Аналогичное можно обнаружить и в природной среде, например, стволы некоторых растений, а также строение костей живых существ близки к гиперболоидной форме вращения.

Вприведенных примерах показано сходство конструктивных систем, применяемых в человеческой деятельности и взятых из природы по одному из признаков – по формообразованию в виде гиперболоида вращения. При этом, в ряде случаев сходство проявляется еще и

втом, что рассматриваемые конструктивные системы являются пустотелыми.

Встроительной практике гиперболоид вращения и гиперболический параболоид, образованные прямолинейными элементами, почти одновременно в 19 веке стали применять каталонский архитектор Антонии Гауди в Испании и выдающийся русский инженер Шухов Владимир Григорьевич в России [1].

85

Гауди использовал гиперболический параболоид (гипар) – перекошенную плоскость седловидной формы для конструкций стен, сводов кирпичных построек (при оформлении зданий в Барселоне, перекрытия школы Саграда Фамилия).

Применение гиперболоида вращения и гиперболического параболоида в строительстве является выгодным по сравнению с другими конструкциями по двум причинам: седловидная форма тонкостенным пространственным конструкциям придает им большую устойчивость, вовторых, эти поверхности могут быть образованы с помощью прямолинейных элементов.

В.Г. Шухов на конструкцию башни в виде гиперболоида вращения получил патент (№ 1896 от 12 марта 1899г. на привилегию от 11 января 1896 года).

Шухов В.Г. в 1896 году первую башню в форме гиперболоида вращения построил в Нижнем Новгороде на территории Всероссийской выставки.

ВРоссии по проектам В.Г. Шухова подобные конструкции были применены в качестве опор для водонапорных башен и для опор линий электропередач.

В1933 году в Москве на Шаболовке была построена известная телевизионная башня высотой 160 м.

Вдальнейшем конструкции в форме гиперболоида вращения стали широко использовать при строительстве градирен и резервуаров для водонапорных башен, выполняемых в железобетоне. Армирование этих конструкций выполняется прямолинейными арматурными элементами, имеющими небольшой наклон к вертикальной оси.

Представляется целесообразным в некоторых железобетонных конструкциях стержневые элементы также выполнять в виде гиперболоида вращения, см. рисунок. Например, в безраскосных фермах в стойках применение гиперболоидной формы вращения наиболее оптимально соответствует их статической работе, кроме того, применение пустотелых элементов ведет к уменьшению расхода бетона и к снижению веса фермы и, в конечном счете, это ведет к снижению расходов на транспорт и монтаж.

Рис. Пустотелый железобетонный элемент сетчатого свода в форме гиперболоида вращения в разрезе

Водонапорные башни обычно располагаются ближе к потребителю, поэтому они должны обладать архитектурной выразительностью. В связи с этим представляется предпочтительным ствол водонапорных башен выполнять из железобетонных элементов в виде однополостных гиперболоидов вращения.

По той же причине выгодным будет применение пустотелых железобетонных элементов гиперболоидной формы вращения в качестве стержневых элементов в сетчатых сводах [4].

Более подробно рассмотрим применение пустотелых железобетонных элементов гиперболоидной формы вращения в сетчатых сводах.

Известно, что сетчатые своды по сравнению с обычными железобетонными перекрытиями обладают меньшей массой, следовательно, они могут быть рекомендованы как в новом строительстве, так и для использования в проектах реконструкции существующих зданий.

86

На первом этапе проектирования сетчатого свода назначают его основные параметры:

-пролет L, м;

-длину В, м;

-очертание дуги свода (круговое или по квадратной параболе);

-стрелу подъема – f, м;

-способ восприятия распора;

-конструкцию кровельного покрытия свода.

Если пролет и длину свода можно считать заданными, то остальные параметры многовариантны.

Оценка вариантов обычно производится по приведенным затратам. Однако, немаловажным, а в некоторых случаях основным параметром, является архитектурная выразительность конструктивного решения свода, поэтому применение гиперболоидной формы стержневых элементов свода может быть обоснованным.

Несколько замечаний о параметрах свода. Стрела подъема свода влияет на длину дуги и, следовательно, на размеры элементов ячеек свода. От стрелы подъема свода зависят усилия в элементах ячеек свода и распор (горизонтальная составляющая опорных реакций).

Обычно очертание дуги свода назначают круговым или по квадратной параболе. При очертании дуги по окружности упрощается назначение размеров ячеек сетчатого свода. Однако, при загружении временной (снеговой) нагрузкой, особенно половины пролета, в элементах свода возникают изгибающие моменты, которые при этом максимальные значения имеют место в четверти пролета. При очертании дуги свода по квадратной параболе полное загружение свода временной распределенной нагрузкой приводит к безмоментному состоянию. Изгибающие моменты в элементах свода в этом случае возникают лишь при загружении временной нагрузкой половины пролета.

К наиболее распространенным способам восприятия распора от цилиндрического свода можно отнести следующие:

1.передача распора на соседние здания;

2.передача распора на затяжки;

3.передача распора на пилоны;

4.передача распора непосредственно на фундаменты.

По продольным сторонам здания свод может опираться на отдельные колонны (пилоны), на бортовые элементы или на стены.

Наиболее экономичным является передача распора на затяжки, так как при этом получаются наиболее легкие фундаменты. Недостатком такого способа восприятия распора является то, что низко расположенные затяжки уменьшают полезную высоту пространства под сводом.

В связи с этим в конструкции свода предлагается нетрадиционный способ восприятия распора. Целью данного предложения является увеличение полезного объема проектируемого помещения, перекрываемого сводом, посредством образования свободного пространства под сводом благодаря тому, что затяжки, соединяющие противоположные опорные части свода, обрываются в средней части пролета и распоры от затяжек передаются на замкнутые подборы.

Конструктивно элементы затяжек и подборов могут выполняться из стержневых элементов. В этом случае целесообразным является устройство подвесного потолка, прикрепляемого к этим элементам.

Кроме такого решения возможен вариант использования мембраны для восприятия распора от свода, при этом в средней части пролета также предусматриваются проемы. В этом случае в мембране совмещаются функции несущей и ограждающей конструкции.

Применение в своде пустотелых железобетонных элементов вместо традиционных элементов сплошного поперечного сечения является выгодным с точки зрения уменьшения

87

их материалоемкости. Кроме того, применение в сетчатом своде стержневых элементов гиперболоидной формы вращения с возможностью их обозрения изнутри через проемы, образованные замкнутыми подборами, придает внутреннему интерьеру помещений повышенную архитектурную выразительность и своеобразие.

Библиографический список

1.Шухов, В.Г. Искусство конструкции [Текст]. - М.: Изд-во «Мир».1994. – 192 с.

2.Борисов, Б.Н. О рассеивании энергии в опорных частях трубопровода при колебаниях несущих конструкций висячего перехода газопровода. - ЦИНИС. Реф. информ. Сер.7, -

М., 1973, вып. 4(45).

3.Лебедев, Ю.С. Архитектура и бионика [Текст]. 2–е изд.-М., Стройиздат, 1977 - 221 с.

4.Назаренко, Н.Г. О конструировании цилиндрического сетчатого свода из пустотелых железобетонных элементов. Первая международная научно-практическая конференция. Оценка риска и безопасность строительных конструкций. Тезисы докладов. Том 2. Россия, Воронеж, 9-10 ноября 2006 г.

References

1.Shukhov, V.G. Art Design [Text]. - M.: Izdatel'stvo "Mir" .1994. - 192 pp.

2.Borisov, B.N. On the energy dissipation in the reference section of the pipeline with vibrations s bearing structures overlying the transition of the pipeline. - Cinis. Ref. Inform. Ser.7, - M., 1973, vol. 4 (45).

3.Lebedev, Y.S. Architecture and bionics [Text]. 2 ed. - M., Stroiizdat 1977 - 221 pp.

4.Nazarenko, N.G. The construction of a cylindrical mesh of a set of hollow concrete elements. First International Scientific and Practical Confer-ence. Risk assessment and safety of building structures. Abstracts. Volume 2. Russia, Voronezh, 9-10 November 2006 y.

88