Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Этот тип сводчатых конструкций — один из наиболее распространенных в мировой строительной практике и служит для покрытия обширных прямоугольных пространств самого различного назначения (промышленных зданий, залов, ангаров и т.д.). Их поверхность может быть частью сферы, эллипсоида, эллиптического параболоида или другой стереометрической фигуры. Основным материалом, из которого они выполняются, является железобетон, хотя имеются примеры оболочек из стали в виде системы взаимно пересекающихся несущих ребер, клетки которых заполняются легкими панелями. Для меньших приемов применяют также оболочки из стеклопластиков и армированных пластмасс, которые называют материалами будущего. В НРБ сводчатая оболочка двоякой кривизны выполнена над главным корпусом ТЭЦ «Марица-исток 1», где она перекрывает пролеты до 40 м. Об экономичности покрытий этого рода говорит тот факт, что средняя толщина оболочки при таком пролете составляет всего 15 см.
Рис.27. Разнообразие токкостенных пространственных конструкций практически бесконечно. Не редки случаи и "плагиата" у природы
Но сводчатые оболочки двоякой кривизны — это лишь один из огромного множества видов пространственных конструкций. Для нынешнего этапа их развития характерно то, что специалисты уже давно не довольствуются элементарными видами поверхностей криволинейного профиля, а применяют самые сложные сочетания криволинейных поверхностей и плоскостей. В последние годы видов пространственных конструкций стало так много, что их классификация выходит за рамки даже самых полных математических курсов по теории поверхностей. В ряде случаев единственным методом описания поверхностей оболочек может быть только чертеж. Впрочем, некоторое представление о разнообразии их видов может дать рис. 27.
К наиболее распространенным видам пространственных конструкций покрытия можно отнести и купола. Гладкие толстостенные купола известны с древнейших времен; выполнялись и ребристые купола (кирпичные арки по меридианам и кирпичные пояса по параллелям), В связи с целым рядом статических, экономических и эстетических соображений этот род покрытия актуален и в наши дни. Область его применения — это такие огромные пространства, как манежи, цирки, спортивные залы, планетарии.
В геометрическом отношении купола представляют собой осесимметричные поверхности ротационного типа. Эти поверхности могут быть частью сферы, эллипсоида или другой фигуры. Главное то, что под действием эксплуатационных нагрузок достигается безмоментное напряженное состояние.
Рис. 28. У тонкостенных куполов пространственный режим работы является еще более благоприятным. Стремление оболочки к "кручению" определяет возникновение сжимающих усилий в направлении меридианов и параллелей. Изгибающие моменты,почти исключены
На рис. 28 представлена схема напряженного состояния сферического купола. Здесь при осесимметричной нагрузке усилия в направлении меридианов являются только растягивающими и постепенно нарастают книзу, так что мы снова можем воспользоваться аналогией системы из взаимно пересекающихся арок. Но конструкция все же пространственная: отдельные мысленно выделенные арки будут взаимодействовать через усилия, направленные по параллелям купола. Эти усилия тоже нормальные — сжимающие, которые у высоких оболочек в нижней их части могут переходить в растягивающие. У пологих оболочек над прямоугольным основанием, как мы уже видели, пространственность работы выражается, в отличие от куполов, главным образом в усилиях сдвига.
И здесь положительный эффект может достигаться только благодаря особому опиранию. Для куполов характерно значительное горизонтальное давление в нижней их части. Как мы уже видели, подобное давление существует и у арочных конструкций, где оно воспринимается стяжками или специальными фундаментами. Поэтому для куполов в связи с их осевой симметрией необходимо специальное опорное кольцо. Это кольцо симметрично нагружено по всему периметру изнутри наружу горизонтальным усилием от купола, вследствие чего оно работает на растяжение.
Разумеется, при несимметричной нагрузке в куполе возникнут сдвигающие усилия, а в области опорного кольца всегда имеются и местные изгибающие моменты. Но вообще этот тип конструкций работает преимущественно на сжатие, которое предполагает почти полное использование материала и, следовательно, более легкие и экономичные решения.
По рассмотренным выше причинам основным материалом для куполов служит железобетон. Правда, возникают серьезные трудности с опалубкой криволинейных поверхностей, но они все же разрешимы. В Ленинграде, например, железобетонный купол покрывает круглый лабораторный зал диаметром 76 м. При стреле подъема купола 17 м (1:4,5 пролета) толщина оболочки равна 10 см. В Солуне выполнен купол диаметром 90 м и толщиной тоже 10 см, которая составляет 1/900 пролета. В случае применения плоской плиты соотношение толщины и пролета составило бы до 1/50, а в случае балок — значительно больше. О смелости купольных решений говорят самые различные показатели, перечислять которые вряд ли имеет смысл.
Купола могут состоять и из отдельных ребер (так называемые ребристые купола). Такая разновидность куполов весьма целесообразна для сборного строительства, поскольку их можно расчленять на отдельные элементы (чаще всего прямолинейные), что отвечает требованиям заводского изготовления, складирования, транспортировки и монтажа.
Среди ребристых куполов можно выделить три основных типа (которые появились на разных этапах развития этой конструктивной формы): комбинация из отдельных арок, работающих независимо одна от другой; комбинация из ребер, расположенных в направлении меридианов и параллелей; сложные стержневые системы с меридиональными, кольцевидными и диагональными ребрами или только с диагональными ребрами. Статические недостатки первого типа в значительной степени компенсируются технологическими выгодами (небольшое число сборных элементов, немногочисленность и простота соединений между элементами), тогда как рациональная пространственная работа третьего покупается ценой существенного усложнения строительства.
Ребристый купол первого типа построен в 1958 г. в Атланте (США) над зрительным залом, рассчитанным на 7000 мест. Диаметр купола — 82 м. Материал — сталь. В Литл-Роке (США) возведен ребристый купол второго типа диаметром 86 м. Куполов третьего типа известно много разновидностей. Наибольший диаметр в этом случае превышает 100 м.
Но обратимся к еще одному виду пространственных покрытий, который находит широкое применение в строительстве наших дней. Для них характерно отсутствие кривизны в одном направлении. Наиболее популярный тип таких конструкций — цилиндрические оболочки. Как в далеком прошлом, так и сейчас они широко применяются в качестве конструкций покрытия (в наши дни — для промышленных зданий, складов, ангаров и даже для зрелищных сооружений). Хотя по расходу материала цилиндрические оболочки менее экономичны, чем купола, у них есть одно неоспоримое преимущество — более высокая технологичность, обусловленная линейным характером поверхности в одном направлении. А это имеет большое значение для сборного строительства из стали, поскольку могут использоваться длинные линейные элементы (причем с малым числом соединений), а также в случае железобетона, поскольку значительно облегчается выполнение опалубочных работ.
Рис. 29. Длинная цилиндрическая оболочка. И здесь усилия действуют только в плоскости (а вернее, в поверхности) оболочки
На рис. 29 схематично показана работа цилиндрической оболочки. В областях, достаточно удаленных от краев, состояние конструкции является безмоментным — присутствуют только нормальные и тангенциальные усилия. В работе такой оболочки наблюдается определенная двойственность: в соответствующем направлении конструкция работает как балка — сжимающие напряжения в верхней части и растягивающие в нижней. В другом направлении имеет место эффект свода. Последний, разумеется, зависит от жесткости продольных балок, которые играют роль опор для множества мысленно вычленяемых арок. Чем мощнее эти балки, тем отчетливее проявляется эффект свода, тем большая часть нагрузки стекает в поперечном направлении на балки, которые уже передают ее на опорные колонны. Этот тип работы, однако, нельзя доводить до крайности, поскольку утрачивается пространственное действие, а балки становятся большими и тяжелыми. Но это не значит, что продольные балки следует делать как можно меньше — ведь они значительно ужесточают оболочку и увеличивают ее несущую способность. В продольных балках в основном концентрируются растягивающие напряжения от балочной работы оболочки.
