Плоские пространственные покрытия современных зданий металлических конструкций

Содержание

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

6 Список использованнной  литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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. 
 
 
  
 
 

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. 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.). 
В основу конструкции положены два элемента — пирамидальная (1500X1500 мм, высотой 900 мм) и ребристая плита. В промежутках между пирамидами прокладываются инженерные коммуникации (электропроводка, воздуховоды и т. д.). Из гипсолитовых плит, закладываемых между пирамидами, образуются каналы для раздачи и забора воздуха. Монтаж покрытий ведется укрупненными блоками размером до 12 ООО мм. Из этих элементов могут образовываться покрытия с произвольным планом пролетов до 24 ООО мм. 
Пространственные покрытия, представляющие собой цельносваренную структурную конструкцию, монтируют методом подъема в целом виде. Укрупнительную сборку и сварку покрытия выполняют на спциальных рельсовых и шпальных клетках высотой 1,2 м с домкратными устройствами, обеспечивающими возможность точной выверки положения элементов по вертикали. 
Для подъема покрытий на оголовок каждой из опорных колонн либо временных стальных мачт устанавливают гидравлические домкраты, штоки которых присоединены к специальным монтажным обоймам, прикрепленным к покрытию и охватывающим колонны, или применяют леточные гидравлические подъемники. Мачты, состоящие из четырех стоек, попарно охватывающих бортовые балки, устанавливают в местах крепления постоянных стальных колонн. Для пропуска двух монтажных стоек сквозь настил в последнем предусмотрены специальные отверстия. Перед подъемом покрытия к нижним полкам бортовых балок подвешивают шарнирно колонны, располагая их в наклонном положении наружу. 
По мере подъема покрытия подвешенные колонны выравнивают, пока они не займут вертикального положения. Подъем покрытия производят в три этапа. Сначала покрытие поднимают с опорных клеток на высоту 1 м и оставляют в этом положении в течение времени, необходимого для проверки надежности работы домкратов, прочности подвесок и для некоторой упругой осадки всей системы. Затем покрытие поднимают на полную высоту стальных колонн. После выверки вертикального положения всех колонн покрытие поднимают еще на 15 см, что позволяет закрепить опорные шарнирные части между оголовками стоек и нижней полкой бортовых балок 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Железобетонные  пространственные конструкции  покрытий и перекрытий зданий и сооружений ( опыт проектирования и строительства )

В послевоенные годы железобетонные пространственные конструкции получили значительное развитие, увеличился также объем  проектирования и строительства  с их применением. Особое внимание в эти годы уделялось сборным конструкциям из элементов заводского изготовления для массового использования в промышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданиях и сооружениях. Широкое экспериментальное строительство позволило проверить на практике различные конструктивные решения оболочек и складок покрытий, выявить их достоинства и недостатки. При шаге колонн 12 м и пролетах 18 - 36 м применяли типовые конструкции в виде длинных (рис. 1, а) и коротких цилиндрических оболочек (рис. 1, б), собираемых из ферм и панелей, аналогичных плоскостным ребристым конструкциям, а также оболочки в виде гиперболических параболоидов (рис. 1, д) и пологие оболочки положительной гауссовой кривизны (рис. 1, в), которые в дальнейшем стали использовать в качестве типовых для покрытий с шагом колонн 18 и 24 м. При квадратной сетке колонн размером от 18 до 36 м применяли пологие оболочки положительной гауссовой кривизны (рис. 1, г ) и оболочки в виде гиперболических параболоидов (рис. 1, е). На ряде объектов покрытия выполняли в виде волнистых и складчатых сводов с опиранием на подстропильные балки (рис. 1, з), а также с применением предварительно напряженных гиперболических панелей-оболочек 3x18 м и панелей-оболочек 3x12 м, 3x18 и 3x24 м "на пролет здания" (рис. 1, и). Для круглых в плане зданий использовали купола (рис. 1, ж) и висячие покрытия, а для большепролетных сооружений (до 100 м ) - составные оболочки, тонкостенные волнистые покрытия из армоцементных элементов заводского изготовления, сборные железобетонные оболочки положительной гауссовой кривизны с промежуточными ребрами жесткости и своды бочарного типа [1].

Из перечисленных  конструкций наибольшее применение получили длинные цилиндрические оболочки, панели-оболочки "на пролет здания", оболочки положительной гауссовой кривизны на квадратном и прямоугольном планах, а также висячие и составные оболочки.

Ниже представлены некоторые конструктивные формы  железобетонных пространственных конструкций.

Купола. Выдающимся для своего времени (1934 г.) является сооружение гладкого железобетонного купола театра в Новосибирске. Купол представляет собой сферическую оболочку радиусом 30 м, часть которой срезана сценической коробкой, диаметр основания купола 56 м, толщина 8 см [2].

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 [1].

Представляет  интерес здание цирка, выполненное в виде двух сборных железобетонных складчатых усеченных конических оболочек, соединенных между собой по большим основаниям распорным кольцом диаметром 72 м [1]. Проект разработан в ЗНИИЭП им. В.А. Мезенцева, а здания цирков построены в Бишкеке и Ашхабаде в зонах 9-балльной сейсмичности.

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 [3].

Еще большее  применение в строительстве получили предварительно напряженные панели-оболочки типа КЖС "на пролет здания" шириной 3, длиной 18, 24 и 30 м. Конструкция представляет собой криволинейные ребра-диафрагмы, соединенные полкой толщиной 30 мм [4]. Геометрическая форма конструкции обусловливает постоянство усилий в сжатой и растянутой зонах. Общая площадь покрытий гражданских и промышленных зданий, построенных из таких панелей-оболочек, составила около 3 млн. м².

Для покрытий зданий с шагом колонн 18 и 24 м и пролетами 24, 30 и 36 м широко использовали сборные  оболочки положительной гауссовой  кривизны, главным образом - типовые оболочки с шагом колонн 18 м (рис. 2), собираемые из безраскосных ферм-диафрагм и цилиндрических панелей 3x6 м (рис. 2, в). Конструктивной особенностью таких оболочек в многоволновом варианте явилось жесткое соединение соседних оболочек только в угловых зонах (рис.2, б, узел А), что обеспечило отсутствие между оболочками растягивающих напряжений. Монтаж оболочек вели без поддерживающих опор с помощью монтажных блоков 3x18 м, собираемых из трех плит 3x6 м с временными затяжками (рис. 2, г) [5].