Пространственные покрытия

Лекция 10 Пространственные покрытия

  Технология возведения  зданий и сооружений  

План лекции

1 Общие данные  о пространственных покрытиях

2 Особенности данных  типов сооружений

3 Технология возведения  пространственных покрытий

4 Достоинства, недостатки  и возможные сложности при  возведении данных сооружений

5 Примеры. Зарубежный  опыт. Перспективы 

1 Общие данные  о пространственных покрытиях 

Перекрытие-оболочка — строительная конструкция перекрытий зданий и сооружений. В архитектурной  практике используются выпуклые, висячие, сетчатые и мембранные оболочки из железобетона, металлов, древесины, полимерных, тканых и композиционных материалов. Для расчёта таких конструкций  используется специально разработанная  теория оболочек. 

Сетчатые перекрытия-оболочки впервые внедрил в мировую  практику российский инженер и архитектор В. Г. Шухов в 1896 году. Тогда же он запатентовал эти конструкции и  разработал основы теории оболочек.[1] 

До середины XX века перекрытия-оболочки использовались редко  ввиду сложности расчёта, повышенных требований к качеству материалов и  соблюдению технологий монтажа. Яркий  пример — парусообразные двухслойные перекрытия-оболочки оперного театра в Сиднее, которые из-за недостаточной технической компетенции архитектора Йорна Утзона возводили более 10 лет. 

Перекрытия-оболочки использовали в своем творчестве знаменитые архитекторы Антонио  Гауди, Пьер Нерви, Эро Сааринен, Оскар Нимейер, Кензо Танге, Бакминстер Фуллер, Норман Фостер, Фрэнк Гери, Николас Гримшоу, Сантьяго Калатрава. Полное признание и широкое распространение в прогрессивной архитектуре перекрытия-оболочки получили в течениие последних двух десятилетий благодаря внедрению компьютеров в практику расчёта конструкций и появлению новых строительных материалов и технологий. 

В российском климате  безаварийно эксплуатируются стальные сетчатые и стальные висячие мембранные оболочки перекрытий зданий и сооружений. 

Доверие к железобетонным оболочкам в России было сильно подорвано  в последние годы, благодаря авариям, произошедшим из-за небрежности при  проектировании (Канчели: Трансвааль-парк) и эксплуатации зданий (Басманный 

  

При строительстве  промышленных и гражданских зданий часто возникает необходимость  перекрытия больших пролетов. В зависимости  от конструктивной схемы и статической  работы несущие конструкции покрытий таких зданий можно разделить  на плоскостные и пространственные.

К плоскостным несущим  конструкциям покрытий относятся балки, фермы, рамы, арки. Конструкции балок  и ферм были рассмотрены выше. В  ряде случаев в зданиях уникального  характера при повышенных нагрузках  и больших пролетах применяют  железобетонные и стальные рамы.

Для перекрытия пролетов свыше 40 м целесообразно использовать арочные конструкции. Арки являются эффективной конструкцией, поскольку  их очертания можно спроектировать таким образом, что работать они  будут, в основном, на сжатие. Этим можно  добиться оптимального использования  материала. Недостатком арок является то, что в их опорах помимо вертикальных реакций возникают и горизонтальные (распор). Его воспринимают специальными конструкциями (затяжками, наклонными стойками, контрфорсами).

Впервые пространственные покрытия появились в 20-х годах  прошлого века. Первые тонкостенные пространственные оболочки были построены над резервуаром  воды в Баку и для здания почтамта в Харькове. За свою историю пространственные покрытия не раз менялись и совершенствовались. И сегодня пространственные покрытия - одни из самых популярных покрытий промышленных зданий. Все чаще применяется  предварительное напряжение конструкций, армоцементные пространственные конструкции, легкий бетон.

Пространственные  покрытия представляют собой системы, состоящие из тонкостенных оболочек и контурных конструкций. Тонкие плиты и элементы конструкции  соединены между собой и работают как единое целое.

Пространственные  покрытия промышленных зданий обладают рядом преимуществ. Их использование  снижают расход материала и массу  покрытия, дает возможность перекрывать  большие площади без промежуточных  опор и снижает затраты на производство. Хотя при этом пространственные покрытия довольно сложные по конструкции  и трудоемкие в монтаже.

Рассматриваемые покрытия могут быть выполнены монолитными  или же собираться из отдельных (гладких  или ребристых, криволинейных или  плоских) элементов. Бортовые элементы обычно выполняют в виде ребристых

плит (лотков), диафрагмы  — в виде цельных или составных  железобетонных ферм, арок или рам.

Парусообразные перекрытия-оболочки Сиднейского оперного театра, архитектор Йорн Утзон, Австралия  

 

 Пекинский оперный  театр, 2007 

 

 Сетчатая оболочка  Британского музея, архитектор  Норман Фостер, 2000 

 

2 Особенности данных  типов сооружений 

Пространственные  покрытия — это системы, состоящие  из тонкостенных оболочек (тонких плит) и контурных конструкций (бортовых элементов, опорных колец, диафрагм в виде балок, арок и т. п.). Все  эти элементы связаны между собой  и работают как единое целое. Это  снижает расход материала и массу  покрытия, делает его более экономичным  и позволяет перекрывать большие  площади без промежуточных опор. Кроме того, пространственные покрытия отличаются особой архитектурной выразительностью.

Тонкостенные пространственные покрытия применяют в первую очередь  для ангаров, спортивных залов, крытых рынков, выставочных павильонов,

вокзалов, зрелищных  предприятии, производственных здании и других подобных сооружений, в которых нежелательны или недопустимы промежуточные колонны.

Оболочкам придают  очертания криволинейных поверхностей или многогранников. Основными типами пространственных покрытий являются своды, купола, цилиндрические оболочки, складчатые конструкции, оболочки двоякой кривизны, покрытия с составными оболочками и  подвесные покрытия.

В строительной практике находят применение и другие разновидности  тонкостенных пространственных покрытий, выбор типа которых зависит от назначения сооружения, его архитектурной  компоновки, размеров, способов возведения.

Пространственные  покрытия состоят из следующих составляющих:

- прямолинейные элементы  четырехстороннего пространственного  опорного контура;

- гибкие нити, ориентированные  параллельно одной из диагоналей  опорного контура и прикрепленные  к нему своими концами с  возможностью натяжения;

прямоугольные прогоны-распорки, ориентированные в плане параллельно  двум из противолежащих элементов контура  и прикрепленные своими концами  к двум основным элементам;

- тонколистовой и  кровельный настил.

Типы пространственных покрытий: своды, купола, цилиндрические оболочки, складчатые конструкции, оболочки двоякой кривизны, покрытия с составными оболочками и подвесные покрытия. Выбор типа пространственных покрытий зависит от назначения здания, его  размеров, способов строительства и  ряда других факторов.

Купола. Купол представляет собой сферическую оболочку радиусом 30 м, часть которой срезана сценической  коробкой, диаметр основания купола 56 м, толщина 8 см.

Наиболее часто  встречающаяся разрезка купола на сборные  элементы принята в проекте ребристо-кольцевого купола пролетом 43,8 м, предназначенного для покрытий зданий типового цирка. Поверхность купола, состоящая из двух ярусов, образована 96 криволинейными ребристыми железобетонными панелями. В центре купола имеется верхнее  опорное кольцо диаметром 13 м из железобетона. Распор купола воспринимается нижним опорным кольцом и панелями покрытия окружающих купол пристроек.

Оболочки нулевой  и положительной гауссовой кривизны. В 70-х годах при строительстве  покрытий зданий с шагом колонн 12 м и пролетами 18 и 24 м широко использовали сборные предварительно напряженные  цилиндрические оболочки двух типов, различающиеся  по способу членения на сборные элементы. Один тип оболочек собирали из криволинейных  ребристых панелей 3x12 м и преднапряженных бортовых балок, другой - из криволинейных ребристых панелей длиной на половину волны оболочки с примыкающими к ним частями бортовых балок. Последующее напряжение бортовых балок производили на месте строительства. Всего построено свыше 400 таких оболочек.

Висячие оболочки. Исследования показали, что превращение вантовой системы в более жесткие висячие  оболочки путем укладки железобетонных плит по вантам с их последующим  замоноличиванисм - наиболее эффективный способ обеспечения стабильности формы покрытия, что позволяет возводить оболочки без подмостей, устранять или существенно снижать изгиб контура при несимметричном загружении.

Конструктивное решение  покрытия упрощается при круглом  плане сооружения, при этом оболочка может быть выпуклой при опираний по контуру и на центральную опору (шатровые оболочки), а также вогнутой. Пролеты шатровых оболочек достигали 160 м.

Сталежелезобетонные оболочки покрытий. Характерным примером таких конструкций являются шатровые сталежелезобетонные оболочки размером в плане до 36x36 м.

В процессе строительства  на металлической сетчатой конструкции  шатровой оболочки закрепляют с помощью  сварки плоские железобетонные пластины толщиной 4-5 см, размером до 3x6 м. Металлическая  конструкция шатра собирается с  применением монтажных блоков заводского изготовления из стальных облегченных  профилей. Совместная работа тонких железобетонных плит со стальным каркасом обеспечивает высокую несущую способность  таких оболочек.

Одной из последних  разработок покрытий зданий размером в плане от 24x24 до 48x48 м явились  многогранные сталежелезобетонные  оболочки с большими световыми проемами. В угловых зонах уложены плоские  треугольные плиты толщиной 40 - 50 мм, а свободные от плит ячейки, являющиеся световыми проемами общей площадью не меньше 50 % от площади поверхности  всей оболочки, заполнены самоуравновешенными  напрягаемыми металлическими системами, придающими жесткость и неизменяемость всей конструкции оболочки. Пространственный каркас таких оболочек собирается из линейных пустотелых элементов из высокопрочного бетона класса В60-В80. Бортовые диафрагмы  выполнены в виде арок с распоркой  в середине пролета.

Пространственные  конструкции междуэтажных перекрытий. Применение пространственных конструкций  имеет целью увеличить размер сетки колонн и полезных нагрузок на перекрытие, что весьма важно  для некоторых типов промышленных и общественных зданий.

В решении этой проблемы определены два перспективных направления. Одно из них - применение вспарушенных или ступенчато-вспарушенных панелей; в сборном варианте такие конструкции могут иметь пролеты до 9 м. Второе направление - использование складчатых оболочек шатрового типа и рамно-шатровых конструкций с пролетами до 18 м.

Шатровые перекрытия. Предварительно напряженные контурные  балки, содержащие основную растянутую арматуру конструкции, воспринимают усилие распора шатровой оболочки, а также  являются ригелями пространственной рамы каркаса здания. Тонкостенная часть  шатровой конструкции представляет собой пятигранную складку в  форме усеченной пирамиды и выполнена  из сборных плит, опирающихся по периметру ячейки на нижние полки  контурных балок. Пространство над  наклонными гранями оболочек перекрыто  горизонтальными плитами.

3 Технология возведения  пространственных покрытий 
 

Весьма эффективные  решения пространственнных покрытий могут быть получены при использовании особой разновидности железобетона — армоцемента. Армоцементные конструкции являются весьма тонкостенными — толщина стенок составляет 20—30 мм. Их изготовляют из обычного мелкозернистого бетона (с крупностью зерен до 5 мм) и арматуры в виде частых тонких тканых или сварных проволочных сеток, равномерно распределенных по сечению элемента. Диаметр проволоки таких сеток составляет 0,5—1,2 мм, шаг стержней в сетке 6—12,5 мм.

Наиболее распространенная область применения армоцемента в покрытиях — тонкостенные и складчатые своды пролетами 12 ООО—42 ООО мм, изготовляемые методом послойного формирования. Этот метод обеспечивает совмещение операций армирования и бетонирования в единый механизированный процесс, а также высокую плотность бетона и точность изготовления изделия. На рис. 9.18, а показан армоцементный волнистый свод над бассейном. В волнах свода, закрытых сверху плитой, устроена приточная раздача воздуха.

Очень интересны  как в архитектурном, так и  в конструктивном отношении покрытия в виде плит регулярной структуры  из армоцементных элементов, разработанные  ЛенЗНИИПом. Эта конструкция (рис. 9.18, б) широко применяется в покрытиях зальных помещений (актовых и спортивных залов, наземных павильонов станций метро, ресторанов, учебных аудиторий, магазинов и т. п.).