Виды геодезических куполов. 2

Содержание:

Введение

Важным элементом перестройки  экономики нашей страны является широкое использование высокоэффективных  ресурсо- и энергосберегающих технологий. В связи с этим в области капитального строительства первоочередной задачей является применение эффективных видов строительных конструкций, уменьшение схода материалов и трудозатрат при возведении зданий и сооружений, снижение сметной стоимости и продолжительности строительства.

Наиболее перспективными и экономичными явля.тся тонкостенные пространственные строительные конструкции покрытий зданий и сооружений. Во многих случаях такие конструкции выполняют функции не только покрытий, но и стен, создавая единые пространственные формы и композиции. Следуя тенденции оптимизации, современные пространственные конструкции выполняются с использованием  разных видов материалов. Широко применяются компьютеризация расчетов, современные методы оптимизации и экспериментальных исследований, возможности строительно-монтажного обеспечения.

С позиций приоритета улучшения архитектуры наших городов за счет выразительности образов сооружений и целых ансамблей. Такие сооружения могли бы создавать запоминающиеся и эстетические архитектурные образы, гармонируя с окружающей экологической средой. При этом необходимо стремиться к снижению материалоемкости и трудоемкости строительства.

1. Определение пространственных систем регулярной структуры.

В течение столетий при  строительстве зданий и сооружений человек возводил массивные структурные  элементы, работающие на сжатие. Для  перекрытия зданий, как правило, общественного  назначения применялись своды или  купола также массивной конструкции  из камня, кирпича или бетона –  материалов, которые могут воспринимать в основном сжимающие усилия. С  появлением в начале ХХв. Железобетона, способного принимать любые формы и сопротивляться сжатию, растяжению и изгибу, стали создавать такие строительные конструкции, в которых использовались качества нового материала, на свойства которого можно оказывать влияния.  Такими конструкциями явились оболочки. В то время как сводчатые конструкции воспринимали в основном сжимающие напряжения, в оболочках под действием нагрузки возникало сложное напряженно-деформированное состояние.

Пространственные системы  регулярной структуры основаны на принципе многосвязности. Это определяет целый ряд их преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями, скомпонованными из стропильных и подстропильных ферм, прогонов.

Структурная конструкция  является многократно статически неопределимой  системой. При повреждении одного или нескольких элементов в ней  происходит перераспределение усилий, что обеспечивает большую надежность конструкции. Кроме того, структуры  обладают малой чувствительностью  к большим сосредоточенным нагрузкам, большей жесткостью по сравнению  с покрытиями из ферм, что позволяет  уменьший строительную высоту структурной плиты в два и более раза, а также уменьшить объем здания и эксплуатационные расходы.  [1]

Рис. 1 – Классификация пространственных конструкций

2. Своды

Свод (от «сводить» — соединять, смыкать) — в архитектуре тип  перекрытия или покрытия сооружений, конструкция, которая образуется выпуклой криволинейной поверхностью.

Конструктивная работа:  Своды, как правило, испытывают нагрузку от собственного веса, плюс от находящихся  выше конструктивных элементов здания (и погодных воздействий). Под нагрузкой  свод работает преимущественно на сжатие. Возникшее вертикальное усилие сжатия своды передают на свои опоры. Во многих типах сводов возникает дополнительное усилие — горизонтальное, т.е. они  начинают работать еще и на распор. Горизонтальный распор может быть минимальным, или же погашаться в теле кольцевой  затяжки или иной заложенной в  теле свода арматуры.

2.1 Эволюция сводчатых перекрытий:

      Конструкции сводов, т.е. арочно-купольная система перекрытий явилась следующим шагом в развитии архитектуры. Ей предшествовала стоечно-балочная система, в основе которой лежит использование древесных стволов в качестве главного строительного материала.

Рис. 2 – Стоечно-балочная система перекрытий (Греция): стойки — колонны, балки — архитравы.

     Несмотря на то, что блоки камня и кирпич вскоре заменили древесину, стоечно-балочная система (т.е. конструкция, элементы которой смыкаются под прямым углом) оставалась основным принципом строительства в Древнем мире — в архитектуре Древнего Египта и Древней Греции. Величина прочности камня на изгиб ограничивала в стоечно-балочной конструкции ширину пролёта примерно до 5 м. (Те своды, которые все-таки встречаются в архитектуре этих периодов, например, казематы акрополя Тиринфа и шахтовые гробницы носят название ложных сводов, т.к. в отличие от классических вариантов, не передавали усилий распора и напоминали их лишь внешне).

     Ситуация изменилась лишь с изобретением достаточно надёжных связующих — таких растворов, как цемент и бетон, а также с развитием науки, которая позволила рассчитывать более сложные криволинейные конструкции. Применение криволинейных сводов, где камень работает уже не на изгиб, а на сжатие, поэтому обнаруживает более высокую прочность, позволило значительно превысить указанный выше размер пролета от 5 метров балочно-стоечной системы.

     Хотя цилиндрические своды появились уже в 4—3 тыс. до н.э. в Египте и Месопотамии, массовое использование арочно-купольной системы перекрытий началось лишь в архитектуре Древнего Рима. К этому времени принято относить изобретение арки и купола, а также основных типов сводов, в основе которых лежат два этих конструктивных элемента. Со временем число этих типов увеличилось.

       Своды в древнеримском строительстве, а также в её наследниках — романской и византийской архитектуре были достаточно тяжёлыми, поэтому, для того чтобы выдерживать вес перекрытий, стены-опоры для этих сводов возводились очень толстыми и массивными. Нагрузка в таких конструкциях передавалась непосредственно на стены. Следующий этап в развитии сводов наступил в готической архитектуре, строители которой изобрели новый вариант распределения нагрузки.

Рис. 3 – Два варианта распределения нагрузок: романтика и готика.

     Массивная стена, служившая опорой для тяжелого свода, была заменена на систему контрфорсов и аркбутанов. Теперь усилие стало передаваться не непосредственно вертикально вниз, а распределяться и отводиться вбок по аркбутанам, уходя в контрфорсы. Это позволило намного утончить стены, заменив их на несколько надежных опорных контрфорсов. Кроме того, произошло изменение в кладке собственно сводов — если раньше они целиком выкладывались из массивных камней и были одинаковы по всей толщине, то теперь свод стал представлять собой жёсткие рёбра (нервюры), служащие для опоры и распределения нагрузки, а промежутки между нервюрами выкладывались лёгким кирпичом, выполнявшим теперь лишь заградительную, но не несущую функцию. Это открытие позволило архитекторам готики перекрывать конструктивно новыми типами сводов невиданно большие пространства соборов и создавать головокружительно высокие потолки.

     Наконец, следующая и на сегодняшний день завершающая веха в эволюции сводов наступила в XIX веке с изобретением железобетона. Если до этого инженерам приходилось рассчитывать своды, выложенные по опалубке из кирпича с помощью цемента, или из камня с помощью бетона (а они могли рассыпаться в случае неудачных расчетов или ошибок в кладке), то теперь бетон армируется железом и формуется в заливочных формах. Это придало ему необыкновенную прочность, а также дало максимальную свободу фантазии архитекторов. Со 2-й половины XIX в. своды нередко создавались из металлических конструкций. В ХХ в. появились различные типы монолитные и сборные железобетонные тонкостенные своды-оболочки сложной конструкции. Они применяются для покрытий большепролетных зданий и сооружений. С середины ХХ в. распространяются также деревянные клеёные сводчатые конструкции.

Своды подразделяют на:

• Повышенные — отношение стрелы свода или подъема к пролету свода более 1/2.
• Пониженные — отношение стрелы свода к пролету колеблется от 1/4 до 1/2.
• Плоские — отношение меньше 1/4.

     В России теорией равновесия сводов активно занимались знаменитые учёные, такие как академик Петербургской Академии наук С. Е. Гурьев.

      Своды позволяют перекрывать значительные пространства без дополнительных промежуточных опор, используются преимущественно в круглых, многоугольных или эллиптических в плане помещениях.

    2.2 Сетчатые своды.

    Как и все пространственные системы, сетчатые своды являются очень экономичными по расходу металла благодаря применению тонкостенных штампованных профилей.

        Конструкция сетчатых сводов известна давно – это пространственная стержневая конструкция, узлы сопряжения стержней которой находятся на поверхности оболочки, очерченной какой-либо кривой линией. В зависимости от вида криволинейной направляющей различают круговые, параболические, эллиптические и другие типы цилиндрических оболочек.

Наиболее простой конструктивной формой является сетчатый свод, очерченный по круговому цилиндру. Такая поверхность  представляет собой поверхность  одинарной кривизны или нулевой  гауссовой кривизны.

Основным достоинством такого свода является возможность сборки его из равновеликих по длине стержней и однотипных узловых элементов.

        В зависимости от величины пролета сетчатые цилиндрические своды могут быть однопоясными или двухпоясными. При этом двухпоясные сетчатые своды обладают значительно большей жесткостью и несущей способностью, чем однопоясные, поэтому целесообразность их применения становится очевидной при пролетах более 40-50м. [2].

        Наряду с однопоясными и двухпоясными сетчатыми сводами могут иметь место однопоясные сетчатые своды подкрепленные дополнительными поперечными стержнями, количество которых определяется требованиями обеспечения общей устойчивости конструкции [3].

         В отличие от однопоясных и однопоясных подкрепленных сетчатых сводов, требующих обязательной постановки по торцам жестких диафрагм в виде сплошных стен, сегментных форм или других конструкций, в двухпоясных сводах такие диафрагмы могут отсутствовать, что обеспечивает регулярность покрытия неограниченной длины.

         В двухсетчатых сводах также как и в односетчатых применяются различные системы сеток - ромбическая, треугольная, раскосная или комбинированная. Наиболее удачная с точки зрения трудоемкости изготовления и монтажа является складчатая форма, в которой основную рабочую функцию выполняют поперечные решетчатые арки, передающие на фундамент основные усилия.

        Продольные элементы сетчатого свода способствуют перераспределению усилий между поперечными элементами свода, при этом существенно увеличивая жесткость двухсетчатого свода.

        Несмотря на очевидные достоинства двухпоясных сетчатых сводов их применение в практике строительства не получило должного развития.

Узловые решения:

   Узлoвые сoединения элeмeнтов ceтчaтых кoнстрyкций имeют свoи осoбенности, зависящиe oт фoрмы пoверхности и рисункa сeтчатых кoнструкций, oт  применяeмых для этиx кoнструкций мaтериалов, oт yсловий мoнтажа – сбoрки и эксплуaтации пoкрытия.

   B качeстве узлoвых сoединений примeняются сбoлчивание, склeпка, свaрка, зaмоноличивание и склeйка.

    Узлoвые сoединения мeталлических сeтчатых oткрытий кoнструируются с учeтом несмeщаемости yзлов. В бoлтовых сoединениях для этoй цeли дeлаются спeциальные кoнцевые насaдки-мyфты, пoзволяющие нeсколько измeнять длину стержня.

      Примeняемые на прaктике узлoвые сoединения сeтчатых ж/б кoнструкций сoбираются при пoмощи сварки выпусков армaтуры, мoнтажа и сварки заклaдных чaстей или путeм мoнтажной сбoрки с послeдующим замoноличиванием [8].

В виде примера, представляю  вам проект архитекторов John McAslan + Partners – «Сетчатые своды вокзала Кингс Кросс в Лондоне»

Реконструкция была приурочена к летней Олимпиаде в Лондоне  и обошлась в 550 млн. фунтов стерлингов.  Теперь жителей и гостей Лондона  встречает новый эффектный сетчатый свод терминала, кирпично-стеклянные холлы  и обновленные платформы.

19 марта 2012 в Лондоне  после реконструкции открылся  знаменитый вокзал Кингс-Кросс. Новый Западный зал перекрыт полукуполом, который поддерживают 16 стальных опор. При высоте в 20 м и длине в 150 м это крупнейшее вокзальное пространство Европы с единым пролетом (его площадь 7 500 м2)

Рис 5-6 – План реконструкции  вокзала Кингс-Кросс в Лондоне

Рис. 6-7 – Вокзал Кингс-Кросс в Лондоне после реконструкции (2012 год)

Рис. 8 – двойная сетчатая оболочка нового Пекинского оперного театра от Поля Андре

3. Оболочки

      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.[7]

     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.

Рис. 9 – Оперный театр в Сиднее (Австралия)

      Перекрытия-оболочки использовали в своем творчестве знаменитые архитекторы Антонио Гауди, Пьер Нерви, Эро Сааринен, Оскар Нимейер, Кэндзо Тангэ, 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 2000-е годы из-за ряда аварий (Трансвааль-парк и Басманный рынок), произошедших из-за недостатков проектирования и эксплуатации зданий.

Рис. 10 – Трансвааль-Парк в Москве (проект и последствия)

В Лондоне перекрыт самый  большой двор в Европе - Большой  Двор Королевы Елизаветы Британского  музея. Проект реконструкции принадлежит  перу Нормана Фостера, который в очередной раз не изменил себе и предложил применить ультрасовременную светопрозрачную конструкцию в комбинации со скрупулезной реставрацией исторического здания (см. реставрацию берлинского Бундестага).

Рис. 13 – Вид из двора  на круглый объем Читального зала. Ажурная оболочка не только не разрушает  композиции середины XIX века, но и, кажется, ее завершает.

      Здание  Британского музея было построено  в первой четверти XIX века по  проекту архитектора Роберта  Смайка (Robert Smirke). Изначально оно представляло собой четыре крыла с внутренними галереями, которые располагались по периметру большого прямоугольного двора размерами 92x73 м. К середине XIX века возникла необходимость в дополнительных площадях и хранилищах. Тогда в 1854-1857 гг. в центре Большого двора было построено круглое в плане (42,7 м в диаметре) здание Читального зала и несколько книгохранилищ, присоединенных к нему.

Рис. 14 - Интерьер отреставрированного  Читального зала.

       Примечательно,  что все эти здания проектировал  брат Роберта Смайка - Сидней. Для середины XIX века здание Читального зала имело довольно прогрессивную конструкцию - в ее основе лежал рамный каркас из 20 стальных ребер, которые были связаны снаружи кирпичным барабаном. Кроме оригинального конструктивного применения кирпичная кладка одновременно выполняла и ограждающую функцию. По существу она являлась внешней стеной с прорезанными в ней арочными окнами. На высоте 19 м от уровня пола двора располагалась так называемая "Снежная галерея" - плоская кровля шириной 2 м, которая окружала покрытый медными листами купол. В центре полусферического купола на высоте 32,3 м над уровнем пола располагался световой фонарь диаметром 12,2 м. За почти полуторавековую историю Читального зала исторические конструкции изрядно поизносились, да и справиться с новыми нагрузками от покрытия двора им было явно не под силу.

Рис. 15 – Вид сверху на здание Британского музея, перекрытое стеклянно-металлической оболочкой.

        В  1998 году на проект реконструкции  Британского музея был объявлен  конкурс. Победил вариант, предложенный  тандемом двух коллективов, - Norman Foster and Partners (архитектурное решение) и Buro Happold (комплексный инженерный проект). По предложенному ими проекту реконструкции книгохранилища были разобраны (Британская библиотека была перемещена в новое здание), а здание Читального зала в центре было отреставрировано и оставлено в виде, близком к историческому. Прямоугольный Большой двор было предложено перекрыть изогнутой сетчатой конструкцией со стеклянным заполнением. При этом внешним своим краем светопрозрачная оболочка должна была опираться на внутренний периметр четырех крыльев музея, а в центре - на круглое здание Читального зала. В результате перед архитекторами и инженерами возникли две довольно нетривиальные задачи - геометрическая и конструктивная. Геометрическая сложность заключалась в том, одновременно с криволинейным, "выпуклым" очертанием самой оболочки, нужно было обеспечить плавный переход от прямоугольного внешнего периметра к круглому опиранию в центре. Эта проблема была решена с помощью применения специальной компьютерной программы, которая позволила сгенерировать необходимую форму оболочки.

Рис. 16 – Аксонометрия расчетной  схемы покрытия.

      Получившаяся  тороподобная форма с радиусом кривизны около 50 м соответствовала как архитектурным, так и конструктивным требованиям. Дополнительной сложностью для конструкторов было то, что помимо расчетов самого покрытия необходимо было провести усиление несущих конструкций Читального зала, на который в результате приходилась значительная доля нагрузки от новой прозрачной кровли. Каркас сетчатого покрытия решено было опереть на 20 колонн, окружающих Читальный зал. Существующие колонны были заменены на своего рода композитную конструкцию: внутрь 20 стальных труб, внешним диаметром 457 мм, была помещена арматура и в образовавшуюся таким образом несъемную опалубку залили бетон.

Рис. 17 – Вид из двора на новое покрытие.

      Следующей  конструкцией, претерпевшей кардинальное  усиление, стала кирпичная Снежная  галерея. Она, так же как  и старые колонны, была разрушена,  после чего была заменена на  железобетонную копию со скользяшим опиранием ее на колонны. Таким образом, образовалось жесткое железобетонное кольцо, которое позволяло использовать его как диафрагму жесткости для опирающейся на него сетчатой оболочки. Скользящее же опирание железобетонного кольца позволило убрать опасные для исторического каркаса горизонтальные нагрузки. Для сведения к минимуму горизонтальных усилий в местах опирания оболочки, опоры решено было сделать шарнирными.

Рис. 18 – Узел опирания оболочки покрытия двора на балку внешнего периметра.

     Для этого  по внешнему, прямоугольному периметру  за портиками были устроены  специальные площадки, на которые  шарнирно опирались конструкции  кровли. Тем самым практически  были исключены изгибающие силы  и моменты в существующих кирпичных  стенах - вся нагрузка от покрытия  приводилась к вертикальной.

   Правда, подвижность  опор означала, что для того, чтобы  кровля могла поддерживать свою  форму, внешние элементы конструкции  вблизи прямоугольного периметра  должны были работать под одновременным  воздействием изгибающих и сжимающих  усилий. Этот эффект должен был  распространяться через узлы  во всех направлениях. Такая схема  статической работы отразилась на сечении элементов. Они имеют наименьшее сечение около Читального зала, а наибольшее - вблизи фасадов внешнего периметра. Кроме того, во избежание возникновения мгновенной кинематической изменяемости всей системы в целом, в направлении каждого из четырех углов были добавлены жесткости в виде натянутых тросов.

Рис. 19 – Узел опирания оболочки на Снежную галерею Читального зала.

  Линии самой сетки  формировалась как радиальные  элементы, переброшенные между Читальным  залом и фасадами внешнего  периметра двора. Многократно  пересекаясь в двух направлениях, эти элементы и начинают работать, как сетчатая оболочка. Каждый  элемент в пределах одной ячейки  имел коробчатое сечение, изменяющееся  от элемента к элементу. Это  было необходимо для того, чтобы  плавно перейти от более тонкого  сечения элементов около Читального  зала к более толстому - у внешнего периметра. В результате, несмотря на то что вся конструкция симметрична, получилось 1826 элементов с абсолютно индивидуальными размерами. Все технологические сложности с лихвой компенсировались легкостью и изящностью получившейся конструкции. За счет эффективной формы и взаимодействия всех элементов оболочки, она стала работать аналогично куполу, испытывающему преимущественно арочное сжатие.

Рис. 20 – Типовой узел сочленения элементов сетчатой оболочки. Все прямоугольные профили привариваются  к стандартной стальной пластине. Причем каждый элемент, в зависимости  от местоположения узла, может иметь  индивидуальное сечение.

     Причин тому  было несколько - привычная высокая  прочность при относительно низкой  стоимости, легкость монтажа (сварка  и болтовые соединения), относительно  высокая коррозионная стойкость  после окраски. Большинство соединений  решено было сделать сварными. Для сведения к минимуму риска  брака сварных швов решено  было применить специальную сталь  сорта D. Стали такого класса  очистки обычно применяются в  кораблестроении или в производстве  нефтехимического оборудования. Масса  всех стальных конструкций составила  приблизительно 420 т, или 75 кг/м2. Уложенные сверху панели двойного остекления добавили еще 60 кг/м2, в результате чего вся конструкция стала весить около 760 т. Монтаж сетчатого покрытия производился по временному деревянному настилу, который был собран над всем Большим двором. Из-за отсутствия места для хранения все элементы оболочки на строительную площадку привозились мелкими партиями и сразу шли в работу. После возведения всех стальных несущих конструкций начался монтаж остекления. Только когда большая часть его была собрана, временный деревянный остов был демонтирован. В сентябре 2000 года Британский музей был открыт для посетителей. Новое покрытие двора по существу стало дополнительной достопримечательностью и без того популярного среди туристов места. Статистикам еще предстоит посчитать, какое дополнительное количество туристов привлекло новое "техническое чудо" от Нормана Фостера.

      Но есть  примеры проектов, где в роли  центрального ядра выступает  мощная сетчатая оболочка,  получается  одна пространственная оболочка  внутри другой.

Рис. 11 – 12 Комплекс планируют  построить в Киеве

4. Геодезический купол

4.1 Определение купола

Ку́пол (итал. cupola — купол, свод, от лат. cupula, уменьшительное от cupa  — бочка)— пространственная несущая конструкция покрытия, по форме близкая к полусфере или другой поверхности вращения кривой (эллипса, параболы и т. п.). Купольные конструкции перекрывают преимущественно круглые, многоугольные, эллиптические в плане помещения и позволяют перекрывать значительные пространства без дополнительных промежуточных опор. Образующими формами служат различные кривые, выпуклые вверх. От вертикальной нагрузки в купольных конструкциях возникают усилия сжатия, а также горизонтальный распор на опорах.

Рис. 13 – Разрез купола Пантеона

4.2  Историческая справка

История куполов началась ещё в доисторические времена, они  встречаются в доисторических памятниках Галлии, Сардинии (они представляют собой круглую каменную платформу, на которой стоит обыкновенно  конический столб с округлённой  вершиной, в котором находятся  несколько камер, расположенных  одна над другой; камеры эти перекрыты  каждая ложным сводом), в сокровищницах  первобытной Греции (например, сокровищница Атрея в Микенах),

Рис. 14 - Сокровищница Атрея (вид изнутри)

в этрусских погребальных склепах, в нубийской пирамиде Курна; но более всего они были в употреблении, по-видимому, у древних халдеев и персов, как о том свидетельствуют дошедшие до нас изображения их построек и археологические раскопки, произведённые в местах нахождения их давно исчезнувших городов. Древние купола были ложными. В них горизонтальные ряды каменной или кирпичной кладки нависали один над другим и не передавали стенам горизонтальных усилий. Зодчество классической Греции почти не прибегало к форме купола; тем не менее её представляет монолит, покрывающий собою небольшой хорагический памятник Лисикрата в Афинах.

Технологически сложные  и большие каменные купола правильной сводчатой конструкции стали  сооружать после изобретения  бетона во время Римской архитектурной  революции при строительстве  храмов и больших общественных сооружений. Римляне, разработав приёмы кладки купола, в период расцвета своего искусства  смело пользовались им для перекрытия без опор весьма обширных центрических пространств. Считается, что самый  древний купол из ныне существующих расположен в римском Пантеоне, возведённом примерно в 128 году нашей эры. Здесь полусферический купол, снабжённый вверху круглым отверстием для пропуска света, перекрывает круглое здание 43½ м в диаметре. У древних римлян купол украшался изнутри разделкой в виде выступающих вперёд вертикальных и горизонтальных рёбер, образующих кессоны.