Л10. Покрытия седловидными напряженными сетками. Конструктивные решения – 1 час.

Содержание:

1. Седловидные покрытия. Общее понятие.

2. Компоновка и работа несущих систем.

3. Конструкции покрытий седловидными сетками.

4. Примеры покрытий.

5. Расчет конструкций.

Литература

1. СЕДЛОВИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ.

рис. 1. Седловидные покрытия.

Покрытия напряженными седловидными сетками являются одной из наиболее распространенных форм висячих покрытий, применяемых как в капитальных сооружениях, так и во временных покрытиях – навесах. Основная несущая конструкция – седловидная сетка, состоящая из семейства несущих тросов, имеющих провес вниз, и перпендикулярного им семейства стабилизирующих тросов, имеющих выгиб вверх, является системой мгновенно – жесткой, так как поверхность сетки имеет отрицательную гауссову кривизну. Таким образом, сама несущая конструкция является внутренне стабилизированной, способной воспринимать нагрузки противоположных направлений, например собственный вес покрытия, вес снега и отрицательное давление ветра (отсос) и позволяет применять любую конструкцию кровли: от жестких утепленных щитов до тканевых или пленочных покрытий во временных сооружениях. Эта универсальность покрытий, а также возможное разнообразие плана покрытия, особенно для временных сооружений, привели к широкому распространению этой конструктивной формы покрытий. В зависимости от конструкции опорного контура можно создавать разнообразные по композиционному решению архитектурно-конструктивные формы седловидных покрытий и зданий в целом, благодаря чему седловидные сетки получили широкое распространение в практике строительства. Мембрана в форме гипара является системой чрезвычайно удобной для металлических мембран, так как позволяет принимать одинаковую толщину мембраны по всему покрытию без излишних запасов прочности. Но гипар – поверхность двоякой кривизны, и при действии на такую мембрану вертикальной нагрузки в ней появляются в одном направлении усилия растяжения, а в перпендикулярном направлении одновременно появляются усилия сжатия. Эти усилия сжатия, казалось бы, должны были вызывать потерю местной устойчивости тонкого листа мембраны. Однако, как показывают эксперименты, благодаря тому, что наряду со сжатием в ортогональном направлении лист растянут, а также благодаря наличию поперечной распределенной по поверхности нагрузки местная потеря устойчивости листа на подавляющей части поверхности не проявляется. Мелкое гофрирование в ряде случаев наблюдается только в угловых зонах, что практически не оказывает влияния на работу конструкции в целом. Работа седловидных сеток отличается также от работы двухпоясных систем тем, что каждому несущему тросу соответствует не один стабилизирующий, а совокупность всех стабилизирующих тросов, т. е. система в целом работает как пространственная. Эффективность седловидных систем в большой степени зависит от материалоемкости опорного контура. Снизить расход материалов на контур можно, проектируя его безизгибным в виде параболических наклонных арок и эллиптического или круглого пространственного кольца. Однако безизгибность контура имеет место только при постоянных равномерно распределенных по покрытию нагрузках. При одностороннем действии временной нагрузки в опорном контуре появляются изгибающие моменты, требующие увеличения мощности контура.

рис. 2. Сетчатое седловидное покрытие с опиранием на изогнутое кольцо.

2. КОМПОНОВКА И РАБОТА НЕСУЩИХ СИСТЕМ.

Компоновка покрытий для постоянных и временных сооружений различна. Для постоянных сооружений, имеющих значительную постоянную нагрузку, лучшей формой поверхности сетки является гипар (рис. 3) с ортогональным расположением тросов параллельно главным осям поверхности. Поверхность гипара есть поверхность переноса, т.е. она может быть образована скольжением образующей параболы по направляющей параболе, причем обе эти параболы должны быть разных направлений – выпуклой и вогнутой. Известно, что парабола есть форма провисания гибкой нити, на которую действует равномерно распределенная нагрузка. Поверхность гипара как бы состоит из отдельных одинаковых (имеющих равные отношения) параболических полосок, параллельных главным осям поверхности, и равномерно и равномерно распределенная по поверхности нагрузка, параллельная оси OZ, будет действовать на эти полоски как на отдельные нити, вызывая в них одинаковые усилия.

рис. 3. Гиперболический параболоид.

С точки зрения удобства монтажа предпочтительнее так называемая самообразующая поверхность, в которой тросы располагаются по геодезическим линиям на поверхности, то есть по линиям кратчайших расстояний между двумя соседними точками. В этом случае плоскости провеса тросов не вертикальны, не параллельны относительно одна другой и не параллельны главным осям поверхности. Однако для пологих сетей, какими являются сети постоянных покрытий, эта разница очень невелика и при рассмотрении работы и расчеты покрытий ею можно пренебречь. Тросы в сетке располагают на равных расстояниях один от другого и эти расстояния определяются конструкцией кровли или возможным сечением тросов (рис.4). Они колеблются от одного метра для тентовых и пленочных покрытий до 2 – 3 м для щитовых покрытий.

1 – несущие тросы; 2 – предварительно напряженные стабилизирующие тросы; 3 – оттяжки; 4 – опорные мачты; 5 – устойчивая стена; 6 – опорный узел; 7 – железобетонные балки-распорки; 8 – главные тросы, поддерживающие сетчатое покрытие.

рис. 4. Опирание седловидного покрытия.

В отличие от мембраны тросовые сетки предварительно напрягаются и тросы обеих систем воспринимают внешнюю нагрузку: несущие (рис. 5), имеющие выгиб вниз, работая на растяжение, стабилизирующие, имеющие выгиб вверх, работая на сжатие (в них уменьшаются усилия предварительного растяжения). Предварительное напряжение сети необходимо не только для обеспечения работы стабилизирующих тросов на сжатие (что облегчает работу несущих тросов), но и для уменьшения кинематических перемещений покрытий при их неравномерном нагружении.

рис. 5. Покрытия с радиально расположенными тросами.

Предварительное напряжение принимается прямо пропорциональным неравномерным нагрузками обратно пропорциональным допустимому пробегу покрытия. Работа сеток при нагружении схожа с работой двухпоясных систем с той разницей, что в двухпоясных системах каждому несущему поясу соответствует свой стабилизирующий пояс и система работает как плоская, а в сетке каждому несущему тросу соответствует вся совокупность стабилизирующих тросов и система работает как пространственная, не воспринимающая сдвигающих сил. Для сетки, имеющей форму поверхности гипара, все тросы каждой системы имеют постоянное отношение f/l² и при действии на сеть равномерно распределенной по покрытию нагрузки будут иметь одинаковые усилия в тросах каждой системы (несущих и стабилизирующих). Такая нагрузка для тросов является равновесной и, следовательно, она будет вызывать только упругие деформации тросов, что обеспечивает минимальные прогибы покрытия. Равенство усилий в тросах каждой системы создает предпосылки для выбора безизгибной опорной конструкции, очертания которой можно подобрать по кривой давления оттяжения тросов сети в готовом покрытии. Такими опорными конструкциями и являются параболические наклонные арки и эллиптическое или круглое пространственное кольцо. Однако при действии временной даже равномерно распределенной по покрытию нагрузки, это безизгибное состояние опорной конструкции будет нарушаться, так как усилие в несущих тросах будут расти, а в стабилизирующих – уменьшаться, и в опорной конструкции появятся изгибающие моменты. Моменты в опорной конструкции появляются и при неравномерном нагружении покрытия временной нагрузкой, и таким образом, создать полностью безизгибную опорную конструкцию не удается. Действительная работа сетки и опорной конструкции вследствие нелинейной работы сетки и деформации опорных конструкций будет несколько отличаться от описанной выше, причем наибольшие отступления вызывает деформация опорной конструкции. Так, при деформативном опорном кольце средние стабилизирующие тросы сети начинают работать как затяжки кольца и внешняя нагрузка вместо уменьшения усилий в них (вызванных предварительным напряжением сети) вызывает увеличение растягивающих усилий. Таким образом, деформация опорной конструкции оказывает существенное воздействие на работу сети, особенно в покрытиях с замкнутой кольцевой опорной конструкцией. Пользуясь тем, что гипар имеет прямолинейные образующие, не выходящие за пределы поверхности, опорную конструкцию иногда делают прямолинейной (рис. 6) и тросы направляют по диагоналям квадрата или ромба. В прямолинейной опорной конструкции тяжение тросов сети вызывает значительные изгибающие моменты, что неблагоприятно сказывается на экономике покрытия одиночной сеткой.

1 – несущие тросы ø 51 через 2, 4 м; 2 – стабилизирующие тросы ø 38 через 2, 4 м; 3 – пространственные фермы; 4 – пустотелая пространственная железобетонная рама.

рис. 6. Выставочный зал в г. Сиэтле

В многопролетном покрытии, состоящем из нескольких сопряженных сеток, разделенных прямолинейными элементами (рис.7), горизонтальные усилия тросов соседних сеток при их одинаковом нагружении будут давать составляющую, действующую вдоль прямолинейного опорного элемента, разделяющего эти сетки, и горизонтальных изгибающих моментов в нем не возникает. Таким образом, в подобных многопролетных покрытиях равномерно распределенная нагрузка не вызывает горизонтальных изгибающих моментов во всех средних опорных конструкциях, что приближает их работу к работе безмоментных арок и делает систему перспективной для применения в покрытиях многопролетных зданий.

рис. 7. Многопролетные сетки

Компоновка временных сооружений весьма разнообразна и многовариантна. Главное назначение этих покрытий – защита от дождя, а потому покрытие обычно состоит из водонепроницаемой ткани или пленки, поддерживаемой тросовой сеткой с довольно мелкими ячейками, что снижает опасность образования дождевых мешков. Малый собственный вес этих покрытий делает их весьма чувствительными к воздействию ветра. Невозможность выбора поверхности сетки, для которой ветровая нагрузка была бы равновесной из за изменчивости ветра, делает возможным применение весьма разнообразных поверхностей сеток, но для всех сеток сохраняется обязательное условие – они должны быть седловидны, т.е. иметь отрицательную гауссову кривизну. Седловидность поверхности необходима для того, чтобы тросы сетки воспринимали ветровую нагрузку противоположных направлений; она позволяет также предварительно напрягать сетку, чтобы уменьшить ее перемещения. Окаймляется сетка обычно тросами – подборами – мощными, пространственно изогнутыми тросами, закрепленными по концам в неподвижных опорах, воспринимающих тяжение сетки, работая на растяжение.

3. КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ СЕДЛОВИДНЫМИ СЕТКАМИ.

Покрытие седловидной оболочки на овальном плане состоит из металлической седловидной мембранной оболочки, элементов опорного контура и нижележащих конструкций - затяжек и фундаментов. Оно может проектироваться в виде отдельно стоящей седловидной оболочки (рис.8). В этом случае контурные наклонные арка должны иметь вертикальные опоры, поддерживающие контур по длине.

рис. 8. Одиночные конструктивные схемы седловидных покрытий.

Для снижения деформативности покрытия его рекомендуется проектировать составным, состоящим из двух и более седловидных оболочек (рис. 9). При этом опорные контуры краев оболочек рекомендуется соединять между собой решетчатыми связями (рис. 10).

рис. 9. Сочлененные конструктивные схемы седловидных покрытий.

рис. 10. соединение решетчатыми связями.

Геометрия поверхности седловидных оболочек может задаваться в виде поверхности переноса, у которой направляющая и образующая кривые представляют собой квадратные параболы. Рекомендуется стрелу провиса мембраны в вогнутом направлении принимать 1/15 - 1/20 от пролета покрытия в этом направлении; стрела подъема в выпуклом направлении принимается в большинстве случаев такой же. В состав мембранной оболочки, как правило, включается ортогональная сетка (постель). Элементы постели, расположенные в вогнутом направлении (направляющие), рекомендуется выполнять из стальных полос, а элементы, расположенные в выпуклом направлении, обеспечивающие пространственную жесткость, принимаются из стальных гнутых профилей или предварительно растянутых тросов. Для обеспечения необходимой жесткости монтажной постели рекомендуется ее предварительно напрягать за счет натяжения болтами концов направляющих элементов. Контроль усилия натяжения в этом случае можно осуществлять по удлинению концов полос. Начальные напряжения в элементах постели не должны превышать 20 МПа (200 кг/см). Седловидные мембранные оболочки образуются взаимным соединением тонколистовых сварных полотнищ, ширина которых определяется геометрией поверхности покрытия из условия ограничений на зазоры между стыкуемыми полотнищами.

1 – несущие тросы; 2 – предварительно напряженные стабилизирующие тросы; 3 – жесткий опорный контур; 4 – оттяжки; 5 – стойки-оттяжки; 6 – опорные мачты; 7 – трос-подбор; 8 – опорные арки; 9 – опорный объем; 10 – тент; 11 – устойчивая стена; 12 – опорный узел; 13 – железобетонные балки-распорки; 14 – главные тросы, поддерживающие сетчатое покрытие

рис. 11. Типы опирания седловидных покрытий.

Опорный контур седловидных мембранных оболочек может выполняться в виде плоских арок или пространственных замкнутых колец (рис.12). Опорный контур, работающий на сжатие с изгибом, рекомендуется выполнять железобетонным, в том числе с применением стальной опалубки, включаемой в расчет. При необходимости резкого снижения массы покрытия (слабые грунты, сжатые сроки пуска здания в эксплуатацию, транспортировка в труднодоступные районы и т.п.) контур следует выполнять металлическим.

1 – мембрана; 2 – «постель»; 3 – опорный контур; 4 – колонны; 5 – сцена с помостом; 6 - трибуны: 7 – комнаты отдыха спортсменов; 8 – разминочный зал; 9 – пресс-центр; 10 – спортивная арена; 11 – спортивные залы

рис. 12. Универсальный спортивный зал в Измайлове (Москва).

Зал имеет прямоугольную форму в плане с размерами 66x72 м и перекрыт мембраной из четырех цилиндрических секторов, пересекающихся по диагоналям прямоугольника таким образом, что форма покрытия представляет собой опрокинутый пологий крестовый свод. Система мембранных секторов, толщиной 2 мм, подкреплена диагональными постелями направляющими из стальных полос переменной ширины (1, 2-5, 5 м) и толщиной 25 мм. Концы направляющих закреплены в опорном железобетонном контуре, имеющем форму пространственного прямоугольника, опертого на колонны. При выборе очертания наклонных контурных арок, рекомендуется ось арок принимать близкой к кривой давления, при полной расчетной нагрузке на мембранную оболочку. При этом следует заводские отправочные контурные элементы предусматривать прямолинейными с максимальной их унификацией. Эти условия могут быть достигнуты при проектировании очертания арок по дугам сопряженных окружностей. Для повышения общей жесткости покрытия пяты наклонных контурных арок рекомендуется жестко заделывать в массивы фундаментов. Фундаменты арок воспринимают вертикальные реакции, изгибающие и крутящие опорные моменты и распор оболочки. При слабых грунтах распор покрытия рекомендуется полностью воспринимать затяжкой, соединяющей пяты контурных арок, или применять свайные фундаменты. При грунтах средней прочности используется комбинированное конструктивное решение - распор оболочки частично воспринимается трением подошвы фундаментов грунта, а частично - работой затяжки на растяжение. При весьма прочных (скальных) грунтах распор седловидной мембранной оболочки целесообразно передавать на грунт. Вертикальные опоры, поддерживающие наружный контур седловидной мембранной оболочки, во избежание неравномерных деформаций покрытия рекомендуется размешать равномерно по периметру. В постоянных покрытиях сетками наибольший интерес представляет узел примыкания сети к опорной конструкции (рис.13).

1 – металлическая арка; 2 – тросы сетки; 3 – ребра жесткости арки.

рис. 13. Примыкание тросов к арке.

Здесь сеть примыкает к металлической коробчатой опорной конструкции и удачно решено шарнирное примыкание тросов, подходящих под разными углами к стальной коробке с помощью стандартных элементов.

Конструкции промежуточных опор должны проектироваться с учетом возможности их работы на знакопеременную нагрузку (сжатие-растяжение). Кроме того, их конструкция должна обеспечивать возможность горизонтальных перемещений наружных контуров. Указанное может достигаться применением для закрепления контура к опоре болтов, работающих на растяжение, и скользящих опор - на графитовой смазке между стальными опорными листами.

Покрытие велотрека (рис.14) в Крылатском (г. Москва). Здание имеет две внутренние арки, жестко защемленные в фундаментах, и соединены между собой фермами пролетом 3...26 м. Наружные арки занимают положение, близкое к горизонтальному, и опираются в пролете на колонны. Стальная мембрана покрытия толщиной 4 мм образует гиперболическую поверхность.

рис. 14. Велотрек в Крылатском.

4. ПРИМЕРЫ ПОКРЫТИЙ.

Первым крупным покрытием седловидной висячей сеткой из тросов было покрытие Ралей арены в США, возведенное в 1953 г. (рис.15). По двум наклонным железобетонным аркам параболического очертания натянута седловидная сетка из тросов с размером 92х97 м, на которую уложены щиты из профилированной стали с утеплителем и гидроизоляцией. Несущая седловидная сетка состоит из несущих тросов диаметром 32 мм, расположенных на расстоянии 1, 83 м один от другого, и имеющих стрелу провеса около 1/10 пролета, расположенных перпендикулярно им натягивающих сетку – стабилизирующих тросов диаметром 19 мм, также расположенных на расстоянии 1, 83 м, и имеющих стрелу выгиба вверх около 1/10 своего пролета.

1 – железобетонные арки; 2 – несущие тросы ø 32 через 1, 83 м; 3 – стабилизирующие тросы ø 19 через 1, 83 м.

рис. 15. Ралей арена.

Примером другого типа покрытия седловидными сетками может служить покрытие Дворца спорта в Милане (рис.16). Круглое в плане здание диаметром 137 м перекрыто седловидной сеткой из тросов, закрепленных концами в металлическом пространственном коробчатом, изогнутым в двух направлениях, кольце размером 6х2, 5 м, шарнирно опирающемся на наклонные железобетонные опоры, служащие одновременно основанием трибун. Сетка покрытия состоит из несущих тросов, имеющих стрелу провеса около 1/11 пролета и расположенных с шагом в 2 м и из перпендикулярных им натягивающих или стабилизирующих тросов, имеющих стрелу выгиба вверх около 1/20 пролета и расположенных также с шагом в 2 м. Сверху по тросам уложены металлические щиты с тепло- и гидроизоляцией, а снизу подвешен подвесной потолок из звукопоглощающих панелей.

1 – металлическое круглое опорное кольцо – 6х25; 2 – несущие тросы через 2 м; 3 – стабилизирующие тросы через 2 м; 4- железобетонные опоры трибун.

рис. 16. Дворец спорта в г. Милан

Подобное покрытие осуществлено в г. Варне (Болгария) и проектировалось для покрытия стадиона «Динамо» в Москве. Примером покрытий седловидными сетками зданий прямоугольного плана может служить покрытие выставочного павильона в г. Сиэтле в США (рис.17). Квадратное в плане здание со сторонами по 122 м перекрыто четырьмя седловидными сетками, закрепленными в окаймляющей здание железобетонной пустотелой раме и четырех стальных пространственных, трапецеидального сечения фермах, пересекающихся в виде шатровой крестовины в центре покрытия. Нижние концы ферм опираются на четыре железобетонные опоры – контрфорсы, в форме треноги, расположенные в середине каждой стороны здания. Каждая из четырех сеток покрытия имеет по 30 несущих тросов диаметром 51 мм, расположенных вдоль диагонали квадрата с шагом 2, 4 м и по 30 напрягающих. стабилизирующих тросов диаметром 38 мм, расположенных перпендикулярно несущим, также с шагом в 2, 4 м. По несущей сетке из тросов уложены трехслойные плиты из двух листов алюминиевого сплава с пенополистироловой прослойкой размером 1, 2х2, 4 м

рис.17. Выставочный зал в г. Сиэтле.

Примером временных покрытий тросовыми сетками могут служить покрытия над спортивными сооружениями в Мюнхене, служившие для защиты зрителей от дождя при проведении Олимпийских игр 1972 г. Эти покрытия были осуществлены над трибунами стадиона, над плавательным бассейном и некоторыми другими спортивными комплексами (рис.18). Сами покрытия представляют собой ортогональную сетку из тросов, окаймленную более мощными тросами – подборами, подвешенную к специальным мачтам и в некоторых местах оттяжками притянутую к земле. Они имеют форму растянутых поверхностей отрицательной гауссовой кривизны, допускающей предварительно натягивать сетки и воспринимать и положительное и отрицательное воздействие ветра без больших деформаций покрытия. Натяжение сетки, в свою очередь, еще больше уменьшает ее деформативность при действии ветра. К сетке сверху прикреплены листы светопрозрачного пластика, часть сеток покрыта пленкой.

рис. 18. Олимпийский спорткомплекс в Мюнхене.

Покрытия седловидными сетками неоднократно применялись в различных странах мира; они могут считаться весьма удобной конструктивной формой для несущей системы временных покрытий.

рис. 19. Вена. Большой зал с постоянными местами на 12000 человек.

рис. 20. Людвигсгафен. Городской спортивный зал с трибунами на 2500 мест

рис. 21. Рэлей, США. Крытая спортивная арена с трибунами на 5500 мест.

рис. 22. Нью – Хавен, США. Крытая спортивная арена с трибунами на 2900 мест.

5. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ.

Первоначально определяют усилия в тросах системы от заданного предварительного напряжения и контактную нагрузку. Для сетки, имеющей форму гипара, по уравнению для всей поверхности они находятся в соотношении:

Расчет сетки на внешнюю нагрузку обычно ведут на полное загружение всего покрытия постоянной и временной нагрузкой для выявления максимальных усилий в системе и на постоянную нагрузку и частичное загружение покрытия временной нагрузкой для выявления возможных прогибов системы и изгибающих моментов в опорной конструкции. Приближенный расчет напряженной сетки, имеющей форму гипара, на действие равномерно распределенной по покрытию нагрузки можно вести аналогично двухпоясным системам, исходя из пропорциального распределения нагрузки между несущими и стабилизирующими тросами по всему покрытию. Коэффициент пропорциальности для сети.

где m = L/l= 1+8/3(f/l)² - отношение длины к пролету главных несущего и стабилизирующего тросов сети; l и f – пролет и стрела провеса главного тросов; F – площадь сечения тросов на единичную ширину сети (при равном расстоянии между ними в несущей и стабилизирующей системе).

Внешняя нагрузка распределится между системами тросов:

Прогиб середины покрытия:

Более точный нелинейный расчет сети в форме гипара с учетом деформации овальной опорной конструкции (рис. 23) на действие равномерно распределенной нагрузки и двух возможных неравномерных загружений покрытия приводит В. Р. Кульбах

рис. 23. Расчетные схемы овального покрытия.

Литература:

1. Е.И Беленя, Н.Н. Стрелецкий «Металлические конструкции. Специальный курс» М., 1982 г., стр. 471.

2. Байков В.Н., Э. Хампе, Э. Рауэ «Проектирование железобетонных тонкостенных пространственных конструкций» М.: Стройиздат 1990г., стр. 767.

3. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования.-М.: Стройиздат.1990г. стр. 93.

4. Металлические конструкции. В 3-х т. Т.2. «Стальные конструкции зданий и сооружений». Справочник проектировщика. Под общей редакцией В.В. Кузнецова – М.: Издательство АСВ, 1998. стр. 512.

Л11. Металлические конструкции многоэтажных зданий. Объемно-планировочные и архитектурно-художественные решения –1 час.

Содержание:

1. Предпосылки строительства и область применения многоэтажных зданий.

2. Примеры многоэтажных зданий.

3. Объемно – планировочное решение.

4. Арихтектурно – художественное решение.

5. Конструктивное решение.

Литература

1. ПРЕДПОСЫЛКИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ.

Для развития современных городов характерно повышение средней этажности зданий. Это объясняется продолжающимся ростом городского населения и необходимостью улучшения условий его быта и деятельности, а с другой стороны, стремлением к более рациональному использованию земли, сохранению природных зон вокруг городов, относительному сокращению затрат на строительство и эксплуатацию инженерных коммуникаций, транспортных и других систем городского обслуживания. Основная область применения многоэтажных зданий (рис. 1) – жилые дома (рис. 1, а) и общественные здания (рис. 1, б) различного назначения: для учреждений управления, коммунального хозяйства, просвещения, науки, проектирования, связи и др.

а) Жилые дома

б) Общественные здания

рис. 1. Область применения многоэтажных зданий.

В крупных городах многоэтажные здания составляют по строительному объему около 30 – 50% всех зданий, а через 15 – 20 лет их удельный вес возрастет до 80 – 90%. В многоэтажных зданиях высотой до 100 м, характерных для массового жилищного строительства, применяются в основном бетонные и железобетонные несущие конструкции. В зданиях с числом этажей 40 и более, чаще применяются стальные конструкции. С увеличением высоты растут воздействия природных сил, усложняются технические решения здания и всех его систем, увеличиваются капитальные и эксплуатационные затраты, изменяются психофизиологические реакции людей (боязнь высоты, обостренное восприятие различных шумов, ускорений лифтов, колебаний здания под действием ветра и др.). Поэтому не следует без достаточного обоснования чрезмерно увеличивать высоту зданий.

2. ПРИМЕРЫ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ.

Первые многоэтажные здания со стальным каркасом (вместо несущих кирпичных стен) появились в США в последней четверти XIX в. Облегчение стен и фундаментов, ускорение строительства благодаря сборности, возрастание доли полезной площадки в нижних этажах и возможность увеличения этажности при высоких ценах на земельные участки способствовали дальнейшему развитию высотного строительства. В 1931 г. было построено 102-этажное здание «Эмпайр Стейт» (рис.2), а в 70-х гг. были возведены четыре более высоких здания, в том числе 109-этажное здание «Сирс Тауэр» высотой 442 м. Высотное строительство в других зарубежных странах стало развиваться после второй мировой войны.

План 30 и 32, 40 и 43 этажей

План 66 и 67 этажей

рис. 2. Эмпайр Стейт Билдинг.

В послевоенные годы началось строительство уникального здания Дворца Советов, увенчанного статуей В. И. Ленина. Полная высота здания 415 м, строительный объем около 6, 5 млн. м³, расход стали около 300 тыс. т (46 кг/м³). Для каркаса центральной части с внутренним залом пролетом 140 м было разработано оригинальное решение в виде круглой в плане пространственной рамной башни, в которой концентрически расположенные колонны двух нижних барабанов (до отметки 115, 9 м) объединены связями и образуют жесткую двухслойную оболочку (рис. 3).

рис. 3. Схема каркаса центральной части Дворца Советов.

Разработке проекта предшествовал тщательный анализ конструктивных решений, методов изготовления и монтажа конструкций, фундаментальное исследование устойчивости сложной пространственной системы. Для несущих конструкций была предложена и освоена производством низколегированная сталь повышенной прочности марки ДС. Частично собранный каркас Дворца Советов бел демонтирован в первые месяцы Великой Отечественной войны.

В 1949 – 1954 гг. в Москве построены первые высотные здания: гостиницы «Ленинград» и «Украина», жилые дома на Котельнической набережной и на площади Восстания, административные здания у Красных Ворот и на Смоленской площади, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (рис.4).

рис. 4. Схема каркаса главного корпуса МГУ (поперечный разрез).

Их общий строительный объем около 5 млн. м³. Главный корпус МГУ (рис.4) имеет высоту 240 м и превышает на 30 м самое высокое здание в Западной Европе, построенное на 20 лет позднее. Эти здания стали высотными центрами архитектурных ансамблей, их расположение хорошо сочетается с исторически возникшей планировкой и рельефом Москвы, а ступенчато – ярусное построение объединяет возвышающиеся центральные объемы с ближайшими домами и создает выразительный силуэт. Преобладающее вертикальное членение подчеркивает высотную устремленность зданий, но по внешнему облику они близки к зданиям с кирпичными несущими стенами, их каркасная конструкция не выявлена. При строительстве первых высотных зданий в Москве многие инженерные и производственные задачи были решены по – новому. Для передачи нагрузок на относительно слабые грунты и обеспечения равномерных осадок были разработаны жесткие коробчатые фундаменты их монолитного железобетона без осадочных швов. При производстве земляных работ широко применялись эффективные способы водопонижения, замораживание грунта. Несущие каркасы большинства зданий выполнены в железобетоне с жесткой арматурой, что позволило сэкономить до 30% стали, обеспечив при этом восприятие всех монтажных нагрузок стальными конструкциями. Разработаны новые способы обеспечения жесткости зданий с помощью железобетонных пространственных стволов и плоских диафрагм (здания на Котельнической набережной и пл. Восстания (рис. 5).

рис. 5. Жилой дом на Котельнической набережной. Разрез. План.

В главном корпусе МГУ (рис.6) впервые применены стальные колонны крестового сечения с унифицированным примыканием ригелей различного направления. Сборные перекрытия – из крупных железобетонных панелей, а монолитные – в подвесной опалубке (рис.7) многократного использования. Для монтажа каркасов вместо вантовых кранов, характерных для американской практики, созданы принципиально новые самоподъемные башенные краны, эксплуатация которых и передвижка по высоте значительно проще, что обеспечило высокий темп крановой сборки.

рис. 6. Металлоконструкция центральной части главного корпуса МГУ.

рис. 7. Установка арматурного каркаса верхней плиты коробчатого фундамента главного корпуса МГУ с прикрепленным снизу инвентарным щитом опалубки.

В 60 – 70-х гг. в Москве и в других городах созданы новые крупные ансамбли с многоэтажными и высотными зданиями различного назначения. В Генеральном плане развития Москвы (рис.8), принятом в 1971 г., высотным зданиям придается очень большое значение в создании архитектурного ансамбля Москвы как полицентрического города: в каждой из семи основных планировочных зон, расположенных за пределами Садового кольца, намечается построить высотные центры из 40 – 60-этажных зданий и несколько локальных центров из 25 – 30-этажных зданий.

рис. 8. Генеральный план г. Москвы, 1971 г.

3. ОБЪЕМНО – ПЛАНИРОВОЧНОЕ РЕШЕНИЕ.

Объемно-планировочное решение здания должно удовлетворять функциональным и санитарно-гигиеническим требованиям, для чего необходимо определить состав, размеры и взаимное расположение основных, обслуживающих, коммуникационных и технических помещений. Помещения, близкие по назначению и размерам, размещают в типовых этажах здания; входные узлы, большие залы - в нетиповых. Инженерное оборудование устанавливают в специально предусматриваемых технических этажах. Обычно на 8...12 типовых этажей приходится один технический. Инженерные коммуникации прокладывают в вертикальных шахтах и горизонтальных каналах, под которые используют свободное пространство в пределах габаритов колонн и межбалочное пространство перекрытий. Применяемые планировочные решения должны вписываться в модульную сетку разбивочных осей и высоты этажей. Для общественных зданий рекомендуются следующие сетки колонн: 6 × 6; 6 × 9; 6 × 12; 9 × 9; 12 × 12 м, допускаются размеры 3, 0, 4, 5 и 7, 5 м. Высоту этажей принимают равной 3, 3; 3, 6; 4, 2 м и более с модулем 0, 6 м. Форма плана, общая пространственная композиция и высота здания взаимосвязаны, они зависят от градостроительных факторов, природно-климатических условий, а также технологических, экономических и эксплуатационных возможностей применяемых конструкций. Возможные планы многоэтажных зданий приведены на рис. 9.

рис. 9. Формы планов многоэтажных зданий.

Здания с компактными планами (рис.9) обычно нуждаются лишь в опорах вдоль наружных стен и центральном ядре жесткости. Протяженные узкие здания имеют, как правило, ряд колонн у наружных стен и один или два дополнительных ряда внутри здания (рис.9). Объемно – планировочное решение должно отвечать требованиям унификации и модульным размерам сетки разбивочных осей и высоты этажей. Для повышения универсальности и гибкости в использовании помещений применяют более свободную планировку с увеличенным шагом колонн. Общая пространственная композиция, форма плана и высота здания взаимосвязаны и зависят от градостроительных факторов, природно–климатических условий, характера деятельности и движения людей в здании, технических возможностей применяемых конструктивных систем. Некоторые примеры планов многоэтажных зданий приведены на рис. 10.

рис. 10. планы многоэтажных зданий.

Нормы естественной освещенности ограничивают возможную глубину основных помещений 7 – 8м. В соответствии с этим в зданиях с протяженным или расчлененным например, трехлучевом, крестообразным планом предельная ширина здания составляет 18 – 20 м, в зданиях с компактным планом и центрально расположенным лифтовым узлом с окружающим его коридором предельная ширина здания достигает 30 -36 м, а при значительных размерах лифтового узла и допустимости искусственного освещения части площади основных помещений – 50 – 60 м (рис.11). По условиям жесткости и устойчивости конструктивной системы компактный план предпочтителен для зданий большой высоты; он позволяет, кроме того, уменьшить относительную площадь и стоимость внешних ограждений и коммуникационных помещений, а также снизить эксплуатационные затраты.

рис. 11. Примеры планировочных решений типового этажа в зданиях с различной формой плана.

Чтобы повысить экономичность планировочного решения и удобства эксплуатации, более целесообразно групповое расположение лифтов с лифтовым холлом. Для сокращения занимаемой лифтовым узлом площади, достигающей в высотных зданиях 20 – 30% полезной площади, и повышения эффективности вертикального транспорта применяют лифты большой вместимости, с двухэтажными кабинами, скоростные (до 7 – 8 м/с), в сочетании с вертикальным зонированием здания. Лифтовой узел целесообразно объединять с вертикальными шахтами инженерных коммуникаций, лестницами и обслуживающими помещениями, не требующими естественного освещения, совмещая ограждения узла с основными элементами жесткости конструктивной системы (диафрагмами, стволами).

4. АРХИТЕКТУРНО – ХУДОЖЕСТВЕННОЕ РЕШЕНИЕ.

Многоэтажные, особенно высотные, здания – объекты большой общественной и градостроительной значимости. Их расположение, высота, композиция и внешний облик должны быть согласованы с общим архитектурным планированием города и окружающей застройкой. Отношение к строительству высотного здания только как к выгодному и престижному предприятию может привести, что уже не раз отмечалось в зарубежном строительстве, к бессистемной застройке и крайне неблагоприятным условиям обитания людей (скученное расположение зданий, чрезмерно высокая плотность населения, загрязнение воздуха, недостаток света). Архитектурный образ здания должен удовлетворять композиционным принципам и органично сочетаться с его функциональной и конструктивной схемой, материалом, инженерным оборудованием. Из практики последних трех десятилетий модно выделить следующие типичные примеры решения фасадов высотных зданий:

1) с равномерным по мощности вертикальным и горизонтальным членением, которое соответствует ячеистой структуре каркаса, но образует невыразительную монотонную решетку (рис.12);

рис. 12. Решение фасадов с равномерными горизонтальными и вертикальными членениями.

2) с преобладающим горизонтальным членением, подчеркивающим многоярусность несущей конструкции и монументальность здания, и относительно легким вертикальным членением стойками (рис.13);

рис. 13. Жилой дом на углу улицы Пестеля и набережной Фонтанки.

3) с преобладающим вертикальным членением в местах расположения основных колонн (иногда с дополнительным ритмом выступающих на фасаде импостов остекления) и ослабленным горизонтальным членением торцами перекрытий или подоконными вставками (рис.14, 15);

рис. 14. Схема фасада с преобладающим вертикальным членением.

рис. 15. Киев, экспериментальный дом.

рис. 16. Мадрид, общий вид и план дома «Белые Башни».

"

4) Сплошная стеклянная стена – витраж. Огромные, и особенно нерасчлененные, плоскости стеклянных стен не соответствуют функции и конструктивной схеме многоэтажного здания, а поддержание нормальных санитарно – гигиенических затрат и удорожает эксплуатацию.

рис. 17. Остекленное решение фасада.

5. КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ.

Конструктивное решение многоэтажного здания непосредственно связано с планировочными решениями и решением систем инженерного обслуживания здания и должно удовлетворять требованиям прочности, устойчивости и жесткости, что обеспечивает долговечность сооружения. Значимость рационального конструктивного решения здания возрастает с увеличением его высоты. Любое каркасное здание состоит из отдельных элементов, выполняющих в общей системе определенные функции. В систему высотного каркаса к этим элементам относят вертикальные элементы (колонны, рамы, диафрагмы и стволы жесткости) и горизонтальные элементы (плиты и балки перекрытий, горизонтальные связи). Вертикальные элементы выполняют в системе главные несущие функции, воспринимая все действующие на здание нагрузки с передачей их на фундамент. Горизонтальные элементы обеспечивают неизменяемость системы в плане, передают прилагаемые к ним нагрузки на вертикальные элементы, обеспечивают пространственную работу всей системы, выступая в качестве распределительных горизонтальных дисков. Некоторые из наиболее распространенных конструктивных схем каркасов представлены на рис. 18.

В зависимости от их вида конструктивной схемы многоэтажные здания подразделяют на:

рис. 18. Конструктивные схемы высотных зданий.

Стальные несущие конструкции рационально применять в каркасных и смешанных системах. Такие системы являются наиболее перспективными, так как обеспечивают свободу для архитектурной планировки и возможность ее изменения при эксплуатации здания. Каркасные и смешанные системы в зависимости от распределения функций между элементами каркаса для обеспечения пространственной жесткости и устойчивости подразделяют на рамные (рис. 19), связевые и рамно-связевые.

1 - колонна; 2 - ригель; 3 - плоскость одного из перекрытий.

рис. 19. Схемы основных рамных систем

Рамные системы. Рамные каркасы обычно состоят из прямоугольной сетки горизонтальных балок и вертикальных колонн, соединенных между собой жесткими узлами. В обычной рамной системе (рис. 19) колонны регулярно расположены по всему плану здания с шагом 6, 9 м. Жесткие рамы при горизонтальных нагрузках работают за счет изгиба колонн и балок. Горизонтальный прогиб рамного каркаса определяется двумя факторами: прогибом от изгиба каркаса как консоли (рис. 20, б), при этом удлинение и укорочение колонн приводит к горизонтальным перемещениям, составляющим около 20 % общего прогиба; прогибом за счет работы балок и колонн на изгиб (рис. 20, в).

рис. 20. Схемы деформирования каркаса с рамными узлами при действии горизонтальной нагрузки.

Системы с внешней пространственной рамой (рис. 19) обладают повышенной изгибной жесткостью, так как при расположении колонн по контуру увеличивается момент инерции горизонтального сечения каркаса. Система отличается высокой жесткостью на кручение. Кроме того, при частом расположении колонн конструктивные элементы внешней рамы выполняют функции фахверка наружной стены, и для ее устройства не требуется дополнительных элементов. При большой ширине здания система может быть дополнена внутренними колоннами, воспринимающими только вертикальные нагрузки от шарнирно примыкающих ригелей перекрытий. Дальнейшим развитием рамных систем является рамно-секционная система. Благодаря дополнительной жесткости внутренних рам и более равномерному включению граней внешней рамы в работу на изгиб, общая жесткость этой системы по сравнению с предыдущей, повышается. Рамно-секционная система позволяет завершать различные секции на разной высоте без существенного усложнения конструкций, придавая зданию ступенчатый объем. Ригели перекрытий в пределах отдельных секций обычно опирают на колонны шарнирно.

1 - диафрагмы; 2 - колонны; 3 - ригели; 4 - внутренний железобетонный ствол; 5 - внешний ствол; 6 - наружные диафрагмы

рис. 21. Схемы основных связевых систем.

Связевые системы. В связевых системах (рис.21) горизонтальная жесткость обеспечивается за счет работы диагональных элементов и колонн при шарнирном примыкании ригелей. Связевая система работает на горизонтальные нагрузки как консоль, защемленная в фундаменте, нагрузки на которую передаются посредством жестких дисков перекрытий. Связевая конструкция может быть решена в виде плоских диафрагм или в виде пространственных стволов жесткости, которые могут располагаться как внутри здания, так и снаружи, образуя внешний ствол. Внутренний ствол жесткости может быть решен в виде стальной пространственной решетчатой системы или в виде замкнутой железобетонной конструкции. Такой ствол целесообразно совмещать с лифтовыми или коммуникационными шахтами.

Связевая система отвечает принципу концентрации материала и позволяет проектировать большинство элементов каркаса и их сопряжения более легкими, простой конструктивной формы и в максимальной степени типизировать. По расходу стали связевые системы более эффективны, чем рамные, так как большая часть колонн освобождена от внутренних усилий изгиба.

Рамно-связевые системы (рис.22) имеют вертикальные связи, воспринимающие горизонтальные нагрузки совместно с рамами, расположенными в одной или разных плоскостях со связями. Обратите внимание на несколько иное определение рамно-связевых систем по сравнению с одноэтажными зданиями, что обычно не вносит путаницы и понятно из контекста. Функции обеспечения жесткости распределены в системе между связевой и рамной частями не одинаково, в большинстве случаев связевая часть воспринимает 70...90 % горизонтальных нагрузок. В качестве примера на рис. 23 показан каркас 16-этажного жилого дома, выполненного по рамно-связевой схеме. В продольном направлении жесткость обеспечивается за счет рамных узлов примыкания ригелей к колоннам, а в поперечном - за счет связевых диафрагм по торцам здания. Ветровые нагрузки в поперечном направлении передаются через горизонтальные диски перекрытий на торцовые диафрагмы. Жесткость перекрытии в горизонтальной плоскости увеличена постановкой крестовых связей.

рис. 22. Схемы рамно-связевых систем.

рис. 23. Рамно-связевой каркас жилого 16-этажного здания.

Литература:

6. Е.И Беленя, Н.Н. Стрелецкий «Металлические конструкции. Специальный курс» М., 1982 г., стр. 471

7. В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов, Г.И. Белый, В.Н. Валь,
Л.В. Енджиевский, И.И. Крылов, Я.И. Ольков, В.Ф. Сабуров «Металлические конструкции. Том 2: Конструкции зданий», М., 2002 г., стр. 528