Плоские пространственные покрытия современных зданий металлических конструкций

Всего построено  типовых оболочек свыше 1 млн. м². Такой же способ монтажа, но монтажными блоками 3x24 м применен при строительстве в Москве автобусного парка с покрытием из оболочек 24x36 м на площади 35 тыс. м².

Многочисленные  оболочки размером 42x42 м с применением цилиндрических панелей 3x6 м для покрытий спортзалов и рынков построены в Москве и других городах.

В большепролетных  железобетонных оболочках положительной гауссовой кривизны с пролетами 100 м и более для обеспечения прочности и устойчивости требуется введение дополнительных ребер жесткости. В оболочках покрытий рынков размером в плане 103x103 м (рис.3, а), построенных в Челябинске и Минске [1], устойчивость оболочки обеспечена системой предварительно напряженных балок-ребер жесткости, образующих сетку 12x12 м, связанных с плитами сваркой закладных деталей и замоноличиванием швов (рис. 3, б). В период монтажа балки-ребра жесткости опирались на монтажные стойки и служили для опирания предварительно напряженных цилиндрических ребристых плит 3x12 м (см. рис. 3, а). Опорный контур оболочки выполнен в виде преднапряженного железобетонного пояса, армированного стальными канатами.

Пространственные  составные конструкции. Комбинируя отдельные фрагменты поверхностей оболочек, очерченные по единой геометрической поверхности, получают составные пространственные конструкции покрытий зданий с различной конфигурацией плана, обладающие высокими прочностными и архитектурными качествами [6]. Типичными представителями таких конструкций являются конструкции, примененные в покрытиях универсального спортивного зала "Дружба" и Даниловского крытого рынка (рис. 4), которые построены в Москве в конце 70-х и начале 80-х годов.  
 

Форма покрытия спортивного зала "Дружба" (рис. 4, а) в плане овальная с пролетом по диагонали около 96 м, наибольшая высота здания - 23 м. Конструктивная система здания состоит из центральной пологой сферической оболочки пролетом 48 м, которая опирается по периметру на 28 боковых складчатых оболочек, между нижними ярусами которых расположены витражи, имеющие на фасаде треугольную форму. Пологая оболочка собрана из 312 цилиндрических железобетонных ребристых плит. Все боковые складчатые оболочки сборные, имеют ромбический план с диагоналями 7,5 и 26 м. Центральную пологую оболочку монтировали укрупненными монтажными блоками, боковые складчатые - целиком после сборки на специальном стенде.

Покрытие Даниловского рынка в виде складчатой оболочки на круглом в плане здании диаметром 72 м (рис. 4, б) собирали из боковых складчатых оболочек, опирающихся на фундамент  и центральное монолитное железобетонное кольцо. В верхней половине складки примыкают друг к другу, а в нижней - к треугольным консольным элементам, заполняющим расстояния между ними. Все складчатые элементы собирали из плит максимальным размером 3x6 м с включением монолитных зон в местах сопряжения отдельных поверхностей оболочек.

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

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

На рис. 5, а  приведена вантовая сеть оригинальной полигонально-вантовой системы, обеспечивающей передачу усилий с помощью диагональных вант в углы контура и его сжатие по всему периметру. На рис. 5, б показана висячая железобетонная оболочка, образованная укладкой железобетонных плит по вантовой сети. Наиболее целесообразно применение такой системы при пролетах более 60 м [4].

Висячая оболочка цилиндрического очертания на прямоугольном  в плане здании построена в  Красноярске. Ее размер 78x84 м. Опорные  конструкции представляют собой жесткие железобетонные рамы, расположенные с шагом 12 м и объединяющие в себе стойку и оттяжку. От выдергивания из земли оттяжку удерживают с помощью анкеров, заложенных в грунт. Ванты крепили к контурным балкам с шагом 1,5 м, а по ним укладывали железобетонные плиты 1,5x1,5 м. Для уменьшения деформации висячей конструкции ее подвергали предварительному натяжению пригрузом, который снимали после достижения бетоном замоноличивания швов проектной прочности [1].

Конструктивное  решение покрытия упрощается при круглом плане сооружения, при этом оболочка может быть выпуклой при опирании по контуру и на центральную опору (шатровые оболочки), а также вогнутой. Пролеты шатровых оболочек достигали 160 м. Характерным примером висячей вогнутой оболочки является покрытие диаметром 80 м Бауманского рынка в Москве. Покрытие имеет 80 радиальных вант, закрепленных в наружном и внутреннем кольцах. На ванты были уложены керамзитобетонные плиты, после чего проводили натяжение вант при последовательном замоноличивании кольцевых и радиальных швов между плитами [1].

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 [7].

Одной из последних  разработок покрытий зданий размером в плане от 24x24 до 48x48 м явились  многогранные сталежелезобетонные оболочки с большими световыми проемами (рис. 6). 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 (рис. 6, а). Пространственный каркас таких оболочек собирается из линейных пустотелых элементов из высокопрочного бетона класса В60-В80 (рис. 6, б). Бортовые диафрагмы выполнены в виде арок с распоркой в середине пролета [8].

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 12x12 м (рис. 7) появились в 30-х годах, но впервые были применены в 1982 г. при строительстве многоэтажного торгового центра в Омске и затем двух промзданий в Санкт-Петербурге [9]. 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.

На основе проведенных  исследований разработана облегченная  модификация шатровой оболочки, получившая название рамно-шатровой конструкции. Типовая ячейка здания 12x12 м состоит из 4 контурных плит и 3 плит центрального диска. Контурные плиты имеют диагональные ребра переменного сечения, передающие сжатие в угловую зону контурных балок, в которых расположена предварительно напряженная арматура. В последнее время появились решения, в которых напрягаемая арматура находится в, швах между контурными ребрами плит на всю длину и ширину здания, обжимая диски перекрытий с колоннами натяжением арматуры на бетон в построечных условиях [10] (рис. 8). Указанный прием позволяет создать каркасные системы нового поколения с уширенным шагом колонн (до 18x18 м) при использовании современных эффективных видов бетона и арматуры.

Итак, результаты многолетних исследований в области железобетонных пространственных конструкций, проведенных научными учреждениями в содружестве с ведущими проектными и строительными организациями, а также опыт практического применения таких конструкций во всех областях строительства России убедительно показали их высокую эффективность и необходимость дальнейшего развития этого направления.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4 Достоинства, недостатки  и возможные сложности  при возведении  данных сооружений

 
В основном применяются тонкостенные пространственные покрытия промышленных зданий, в которых промежуточные опоры невозможны или нежелательны. В отличие от плоскостных тонкостенные пространственные покрытия промышленных зданий более экономичные по расходу материала. Так бетона требуется в среднем на 30% меньше, металла - на 20%. 
Большое разнообразие пространственных конструкций покрытий, их возможность и целесообразность применения в промышленном строительстве являются вопросом, требующим специального рассмотрения. 
Недостатками висячих конструкций следует считать сложность уст¬ройства опорных конструкций для восприятия распора (особенно при прямо¬угольной форме плана), а также сложность обеспечения общей пространственной жесткости системы. 
Материал оболочек должен быть воздухе- и влагонепроницаемым, эластичным, прочным, легким и долговечным. В большей мере этим требованиям удовлетворяют синтетические пленки (армированные) и технические ткани. 
Геометрическая форма волнистого свода способствует естественной организации наружного водоотвода. Однако при сборной конструкции свода опорный элемент может создавать преграду водостоку. Во избежание застоя воды и протечек по стыку свода с опорным элементом устраивают забутовку между волнами. 
 
 
 
 
 
 
 
 

5 Примеры. Зарубежный  опыт. Перспективы

 
Тонкостенные пространственные конструкции  очерчиваются в общем случае по кривым поверхностям. 
Такие конструкции появились в строительстве около 50 лет назад (кроме куполов, появившихся значительно раньше). 
В СССР первыми были построены монолитные цилиндрические оболочки над резервуаром для воды в Баку (1925 г.), затем в зданиях Харьковского почтамта (1928 г.), Московской автобазы (1929 г.), Ростовского завода сельскохозяйственных машин (1931 г.), а впоследствии на многих других объектах. 
Первый железобетонный купол был сооружен над Московским планетарием (1929 г.), позже купола были сооружены над Новосибирским оперным театром (1934 г.), Московским театром сатиры (1939 г.) и т. д. 
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. 
Форма покрытия спортивного зала "Дружба" (рис. 4, а) в плане овальная с пролетом по диагонали около 96 м, наибольшая высота здания - 23 м. Конструктивная система здания состоит из центральной пологой сферической оболочки пролетом 48 м, которая опирается по периметру на 28 боковых складчатых оболочек, между нижними ярусами которых расположены витражи, имеющие на фасаде треугольную форму. Пологая оболочка собрана из 312 цилиндрических железобетонных ребристых плит. Все боковые складчатые оболочки сборные, имеют ромбический план с диагоналями 7,5 и 26 м. Центральную пологую оболочку монтировали укрупненными монтажными блоками, боковые складчатые - целиком после сборки на специальном стенде. 
В настоящее время пространственные конструкции находят применение для покрытий больших пролетов ангаров, стадионов, гаражей, сборочных цехов, рынков, концертных и спортивных залов, вокзальных и выставочных помещений и т. п. 
 
 

Список  использованной литературы

Литература 

1. Каталог пространственных конструкций, рекомендованных для общественных зданий с большими пролетами. - Л.: Стройиздат, 1977.
2. Современные пространственные конструкции (железобетон, металл, дерево, пластмассы) / Под ред.Ю.А. Дыховичного и Э.З. Жуковского. - М.: Высшая школа, 1991.
3. Руководство по проектированию железобетонных пространственных конструкций покрытий и перекрытий НИИЖБ Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1979.
4. Дыховичный Ю.А., Жуковский Э.З. Составные пространственные конструкции. - М.: Высшая школа,1989.
5. Шугаев В.В., Соколов B.C., Подзоров С.А. Сборные железобетонные пространственные перекрытия с натяжением арматуры на стройплощадке // Материалы междунар. научно-практической конференции "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии". - Ростов-на-Дону: изд. РГСУ, 2000.