7.3. Пространственные конструкции гражданских и промышленных зданий

Сооружение, в котором обеспечивается работа связанных между собой элементов, находящихся в разных плоскостях, называется пространственной конструкцией. В строительстве наибольшее распространение получили оболочки, своды и купола.

Пространственные покрытия имеют ряд преимуществ по сравнению с покрытиями из плоскостных конструкций – ферм, арок, балок, кровельных панелей. Они имеют меньшую массу и требуют меньшего расхода материалов, что весьма важно при перекрытии больших пролетов. В пространственных покрытиях материал может быть более рационально и экономно использован для выполнения функций несущей и ограждающей конструкции, причем разрушение какого-либо элемента обычно не влечет за собой разрушения всей конструкции в целом, так как происходит перераспределение усилий в элементах.

Пространственные покрытия используют в зданиях, в которых нежелательны или недопустимы промежуточные опоры.

Большое распространение получили тонкостенные пространственные конструкции из бетона в виде сводов, оболочек и куполов из бетона. Они позволяют перекрывать большие пролеты при минимальном расходе бетона.

Широко применяют цилиндрические оболочки, которые могут быть одно- и многоволновыми , однопролетными и многопролетными (рис. 101).

Цилиндрические оболочки опираются на торцовые и промежуточные диафрагмы, которые в свою очередь опираются на колонны. Многоволновые оболочки покрытий собираются из сборных криволинейных пространственных армоцементных элементов с тремя слоями проволочной сетки. Распор от таких оболочек воспринимается затяжками. Сборка оболочек производится на земле у места подъема. После замоноличивания стыков, натяжения пучков арматуры бортовых элементов и установки затяжек оболочка поднимается кранами и устанавливается на колонны.

Для некоторых производственных зданий перекрытие выполняется в виде сводов-оболочек двоякой кривизны. Такие оболочки окаймляются по периметру криволинейными бортовыми элементами и опираются на четыре колонны. Получается многопролетное покрытие с застекленными диафрагмами, которые используют для естественного освещения (рис. 102).

Р ис. 101. Цилиндрические железобетонные своды-оболочки:

а – оболочка одноволновая; б – оболочка многоволновая

Р ис. 102. Своды-оболочки двоякой кривизны

В некоторых отраслях промышленности производственные здания больших пролетов строят с покрытиями из сборных, предварительно напряженных оболочек двоякой кривизны. Такая оболочка собирается из плоских, с ребрами по контуру, железобетонных плит на болтах. Диафрагмами по контуру сборного покрытия служат арки (рис. 99).

В практике строительства применяются покрытия из балок-оболочек пролетом до 100 м, купольные покрытия диаметром до 40 м, вантовые покрытия пролетами до 40 м.

Использование деревянных конструкций в качестве несущих для покрытий большепролетных зданий, в силу их небольшого веса, приводит к облегчению и удешевлению элементов сборного или монолитного каркаса. Подобные здания могут использоваться в промышленном строительстве для неагрессивных производств, но наибольшее применение они получили и при строительстве гражданских зданий. Это, в первую очередь, спортивные соо ружения, крупные магазины и т.д.

Рис. 103. Сборная оболочка двоякой кривизны

Р азличают две основные группы пространственных конструкций покрытий из дерева: своды и купола, причем каждая из этих групп в свою очередь делится на группы конструкций в зависимости от формы перекрываемого плана, способа опоры на стены, конструкции покрытия и т.д. (рис. 104).

а б в

г д е

Рис. 104. Основные схемы пространственных деревянных конструкций

в покрытиях:

а – тонкостенный свод-оболочка; б – кружально-сетчатый свод; в – сферический сетчатый купол; г – тонкостенный купол-оболочка; д – кружально-сетчатый крестовой свод;

е – сомкнутый кружально-сетчатый свод

Деревянные сводчатые покрытия делятся на две группы: безраспорные, опирающиеся на торцовые стены и рассчитываемые как однопролетные балки, и распорные, опирающиеся на продольные стены и рассчитываемые по принципу расчета арок.

Безраспорные своды распространены в виде сводов-оболочек (рис. 104, а). Конструкция свода-оболочки рассматривается как балка корытообразного сечения с сжатыми вверху и с растянутыми внизу бортовыми элементами. В состав конструкции входят ребра жесткости из двух досок плашмя, по ребрам укладывается продольный настил и два слоя косых настилов из тонких досок, после него укладывается продольный настил. Соединение дощатых настилов осуществляется на болтах и гвоздях. Эти системы не нашли широкого применения, так как они обладают повышенной деформативностью и они не индустриальны.

Из распорных сводов наиболее индустриальными сборно-разборными системами являются кружально-сетчатые своды (рис. 104, б). Они представляют собой пространственную сетчатую конструкцию покрытия, состоящую из однотипных, поставленных на ребро дощатых косяков, расположенных по двум взаимно пересекающимся направлениям. К недостаткам сетчатой конструкции относятся большая гибкость, повышенные требования к точности заготовок и пожароопасность при отсутствии огнезащитной окраски. Применение сетчатых сводов наиболее рационально для выставочных павильонов, крытых рынков и складских помещений.

Максимальный пролет дощатого кружально-сетчатого свода может быть до 22 м. Для перекрытия больших пролетов применяют дощатые клееные или клеефанерные косяки.

Кружально-сетчатые своды могут быть двухшарнирными, с круговым очертанием и стрелой подъема на менее 1/6 пролета и стрельчатыми со стрелой подъема не менее 1/3 пролета (рис. 105).

Купольные покрытия (рис. 104, а, в, г), как и другие пространственные конструкции, применяются для общественных и промышленных сооружений. В строительной практике из древесины применяют плоскостные купола, сферические и кружально-сетчатые.

Плоскостные купола могут быть образованы из плоских элементов сплошных или сквозных трехшарнирных арок, расположенных по круговому или многоугольному плану, с уложенными по ним прогонами или элементами кровли.

Сферические купола-оболочки (тонкостенные и ребристые) состоят из арок, настилов и опорных колец. Верхние концы арок опираются на сжатое кружальное кольцо, нижней опорой арок служит растянутое кольцо, уложенное на стены или колонны. В США олимпийский спортивный зал в Солт-Лейк-Сити имеет покрытие в виде клеедеревянного сетчатого купола диаметром 150 м и высотой 38 м, опираемого на стальное опорное кольцо.

Тонкостенными куполами-оболочками (рис. 106) называют купола, образованные из кольцевых и перекрестных дощатых настилов, прибитых к меридиональным аркам, и применяющиеся при диаметрах купола до 35 м.

Рис. 105. Кружально-сетчатый свод:

а – схема; б – свод с прямоугольной сеткой; в – свод с косоугольной (ромбической) сеткой;

г – основной (средний) узел; 1 – опорный брус (мауэрлат); 2 – затяжка; 3 – фронтонная арка; 4 – основные косяки; 5 – центр узла

Рис. 106. Тонкостенный купол-оболочка:

а – схема купола; б – конструкция купола; в – примыкание к опорному кольцу; г – примыкание к кружальному кольцу; 1 – арка; 2, 3 – кольцевой настил; 4 – кружальное кольцо;

5 – косой настил

К ружально-сетчатые купола многогранной формы в виде сомкнутых сводов (рис. 107) нашли широкое применение в зарубежной практике строительства.

Рис. 107. Схематический план и разрез сетчатого купола

(сомкнутого свода) со стандартными косяками:

1 – гурты; 2 – косяки; 3 – настил