Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
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.
Эти балки работают по сложной схеме: на двойной изгиб, на растяжение и на кручение. Что же касается диафрагм, то в случае пологих оболочек на прямоугольном основании они подвергаются воздействию сдвигающих усилий и работают главным образом на растяжение и изгиб.
В зонах опирания, к сожалению, неизбежно возникают определенные изгибающие моменты. Причина этого кроется в самой системе опирания — балки и диафрагмы ограничивают свободные деформации оболочки, свободное выпрямление ее краев. Точно так же, как ограничение удлинения приводит к усилиям растяжения, а ограничение укорачивания — к усилиям сжатия, ограничение выпрямления приводит к появлению изгибающих моментов.
Рис. 30. Гиперболический параболоид. В определенных направлениях линии, образующие поверхности, не кривые, а прямые. Путем "разрезания" на отдельные части по этим линиям и соответствующего их комбинирования получается один из самых интересных видов пространственных покрытий
Одна из самых современных форм пространственных конструкций — гиперболо-параболическая. Несмотря на двоякую кривизну, у нее есть два направления, где линии всегда прямые. О технологических преимуществах, которые это дает, мы уже говорили. Именно благодаря технологическим достоинствам этот тип покрытия находит самое широкое применение. Различные гиперболо-параболические оболочки получаются путем «отрезания» части основной поверхности (рис. 30) и соответствующего соединения нескольких таких частей в единую конструкцию.
Для выполнения таких конструкций одинаково подходят и железобетон, и сталь, причем не исключается возможность сборных методов строительства. В СССР, например, разработаны типовые проекты покрытий для помещений с сеткой колонн от 12x12 до 42x42 м. Перекрытие таких пространств классическими плоскостными несущими системами связано с серьезными трудностями и в конечном счете может привести к значительному перерасходу материала.
Рис.31. Одна из возможных комбинаций четырех гиперболо-параболических частей
Статически (рис. 31) этот тип оболочки работает почти исключительно на сдвиг. В стальных конструкциях гиперболо-параболическая поверхность получается другим способом — с помощью растягиваемых канатов. При этом одна система канатов образует вогнутую параболическую поверхность, а другая — выпуклую. Таким образом, достигается предварительное напряжение несущей системы, обеспечивающее ее стабилизацию.
Вообще в случае использования стали растяжение более желательно, более выгодно. Хотя сталь обладает одинаковой прочностью на сжатие и растяжение, однако сравнительно тонкие стальные элементы при работе на сжатие всегда подвергаются опасности потери устойчивости. В связи с этим конструкторы в целях обеспечения устойчивости стараются сделать сжимающие напряжения в элементе во много раз меньшими, чем расчетное сопротивление сжатию. При растяжении такой опасности нет, и материал может работать в полную меру своих возможностей. Поэтому наиболее интересные пространственные конструкции из стали проектируются с ориентацией на растяжение.
Специально для нужд строительства из стали создан ряд вантовых (канатных) и мембранных (висячих тонкостенных) конструктивных форм. Принцип натягиваемых поверхностей (мембран) был впервые применен известным русским инженером В. Г. Шуховым, по проекту которого в 1896 г. было выполнено покрытие большого павильона Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде. Через 45 лет американец Сейс спроектировал висячее покрытие для одного из павильонов всемирной выставки в Нью-Йорке, а знаменитый Фрэнк Ллойд Райт разработал несколько висячих систем для покрытия спортивных залов. Однако два последних проекта остались неосуществленными. В сущности, первым примером большого сооружения с вантовым покрытием следут считать зал в Роли (Северная Каролина, США). Опыт последующих лет убедительно доказал прогрессивность этого рода систем, в которых наиболее полно используются возможности специальных высокопрочных сталей. В настоящее время они довольно широко применяются в СССР, США, ФРГ, Японии, Франции и других странах. В Ленинграде мембранное покрытие выполнено над универсальным спортивным залом (пролет 160 м). В Болгарии вантовое покрытие имеет спортивный зал в Варне.
Трудно рассказать подробно о множестве типов и видов висячих конструкций покрытия. В некоторых из них преобладает плоскостное действие, и они состоят из отдельных, независимых висячих систем (как в случае висячих мостов). Но большинство таких конструкций действует пространственно. Такой эффект достигается благодаря системе взаимно пересекающихся канатов или с помощью мембран — поверхностей из тонкой листовой стали. В отличие от оболочек висячие системы не обладают прочностью на изгиб, они сильно деформируются. Речь идет не о мелких упругих деформациях, которые связаны с работой материала, а о чисто геометрических и гораздо более сильных деформациях (точнее, смещениях), которые претерпевает система в стремлении обрести новое равновесие при изменении внешней нагрузки. Поэтому часто, как и в случае висячих мостов, проектируются специальные усиливающие (ужесточающие) конструкции в целях обеспечения большей динамической устойчивости.
Но вернемся к железобетону. Среди множества видов современных оболочковых конструкций есть один особый, который обладает практически неограниченными конструктивными и эстетическими возможностями, — волнистые оболочки. Бесконечное разнообразие их форм не сможет уместиться ни в какую классификацию. В виде волнистых оболочек могут быть выполнены все типы тонкостенных конструкций. При этом во много раз расширяются возможности распространенных криволинейных форм, так как значительные массы материала выносятся с основной, нейтральной поверхности и располагаются над и под ней, вследствие чего, как и в случае применения балок, достигается большая жесткость и прочность на изгиб. В этом отношении особенно замечательны так называемые призматические или складчатые оболочки. Как можно судить уже по названию этих конструкций, они состоят из призм, образованных отдельными плоскими элементами, что обеспечивает значительные технологические выгоды. В отличие от плит, которые работают из своей плоскости, плоскостные элементы призматических оболочек работают в плоскости своего сечения главным образом с нормальными и сдвигающими усилиями. О преимуществах такого действия говорить уже излишне. Здесь обнаруживается большая жесткость и несущая способность волнистых оболочек при более простой форме. Этот технологический плюс в ряде случаев счастливо сочетается с оригинальным эстетическим звучанием.
Несколько смущает то, что потребителем этих новых, смелых и эффективных конструктивных форм является только уникальное строительство. Самые интересные и яркие решения действительно встречаются при возведении таких уникальных сооружений, как зрительные залы, ангары и т. п. Однако в области промышленного строительства они могут применяться достаточно широко. Благодаря применению современных оболочек для зданий с сеткой колонн приблизительно 15x40 м можно добиться значительного сокращения расхода бетона и стали. При соответствующей типизации тонкостенных пространственных систем и индустриализации процесса строительства замена ими классических плоскостных несущих систем может дать большой технико-экономический эффект. Так, например, в СССР, в Ленинградском экономическом районе, только за три года было построено 200 000 м2 тонкостенных конструкций покрытия с сеткой колонн от 18x18 до 36x36 м. В Англии около 10% всех промышленных зданий, построенных за последнее время, выполнено с покрытиями тонкостенного типа.
