Трансформируемые покрытия

В последние десятилетия широкое распространение во всем мире получают трансформируемые покрытия, т. е. покры­тия, легко поддающиеся сборке, разборке, перевозке на новое место и даже полной смене конструкции и замене ее, новым архитектурно-конструктивным решением. Причины усиленного развития такого направления в архитектуре современных общественных зданий многообразны. К ним относятся: быстрое моральное старение з функциональном отношении капитальных сооружений, появление в строительной индустрии легких и в то же время проч­ных строительных материалов, ранее не доступных проектировщикам; стремление к облегчению несущих конструкций и к дешевизне построек; появившиеся тен­денции к сближению людей вписыванию строящихся сооружений в ландшафт; нако­нец, к растущему числу зданий времен­ного назначения или нерегулярного пре­бывания в них людей.

рис. 31. Схема поперечной рамы Дворца спортивных игр «Зенит» в Ленинграде:

/ — железобетонные колонны-подкосы; 2 — железобетонные колонны-оттяжки; 3 — балочный пояс фермы; 4 — кровельный настил; 5 — вантовый пояс шпренгельной фермы

Для того чтобы создать легкие сборно-разборные конструкции, потребовалось прежде всего отказаться от ограждающих конструкций из железобетона, ар мо це­мента, стали, дерева и перейти на легкие тканевые и пленочные покрыт и я, позволя­ющие предохранять помещения от погод­ных факторов (дождя и снега, солнца и ветра), но почти не решающих комфортно-психологических задач: надежности защиты от непогоды, долговечности, теплоизоля­ционных функций и др.

В ряде случаев это оказалось оправ­дано не только дешевизной предложенных решений по сравнению с капитальными сооружениями, но и временным характе­ром работы сооружений, возможностями устройства в архитектурно-планировочных решениях произвольного плана, требова­ниями быстроты возведения конструкций.

Несущие функции в трансформируе­мых конструкциях выполняются различными приемами. В соответствии с этим их можно подразделить на три основные группы: тентовые покрытия, пневматиче­ские конструкции и трансформируемые жесткие системы (Рис. ).

Тентовые и пневматические конструк­ции — это, по сути дела, мембранные по­крытия. Но в последнем случае тканевые и пленочные материалы выполняют, преи­мущественно, ограждающие функции, в то время как несущие функции дополняются системами из тросов и мачт или конструк­циями жестких каркасов. В пневматических конструкциях несущая функция отводится воздуху или другому легкому газу.

В трансформируемых жестких системах ограждающие конструкции могут быть произвольными, а несущие конструкции позволяют многократно собирать и раз­бирать покрытие, Покрытие в этом случае представляет собой единый компактный блок, легко перевозимый на транспортных средствах и разворачивающийся на месте строительства в пространственную систему, обладающую жесткостью е шарнирных уз­лах за счет постановки дополнительны х связевых или других элементов, исключаю­щих изменяемость конструкции.

ТЕНТОВЫЕ ПОКРЫТИЯ

Тентовые покрытия чрезвычайно раз­нообразны по своей форме и конфигура­ции в плане. Практически им можно при­давать любую форму в плане и любой профиль, варьируя расстановку опор, точки подвеса тросов и раскрой самих тен­тов (Рис. 31, 32).

Несущие конструкции тентов состоят из опорных элементов (металлические пи­лоны, мачты, колонны, а также фермы, арки, структурные элементы) и несущих гибких конструкций (тросы, сетки из тро­сов, оттяжки). Ограждающими конструкци­ями могут быть различные специальные сорта тканей, пленок, листовых материа­лов и т. п.

Рис. 32. Конструктивные решения узлов присоединения оболочки к точечным опора

Рис. 33. Конструктивные решения узлов присоединения оболочки к линейному контуру:

а — жесткому прямолинейному; б — жесткому криволинейному; в — гибкому (тросу-подбору)

Если собственная масса железобетон­ного или металлического покрытия с капи­тальными конструкциями ограждения ко­леблется в пределах 60—300 кг кв.м, то при применении тентовых покрытии масса конструкций составляет всего 3—10 кг кв. м Наличие долговечных, достаточно прочных, светопропускающих тканей или пленок от­крывает перед архитекторами и проек­тировщиками широкую перспективу приме­нения тентовыхконструкций для покрытии временных павильонов, навесов, покрытий спортивных площадок, трибун на стадио­нах, летних театров и кино и т. д,

Широко ведутся исследова­ния и проектирование тентовых сооруже­ний в КиевЗНИИЭПе, Казанском и Москов­ском инженерно-строительных институтах, но и они сдерживаются отсутствием доста­точно долговечных, прочных и архитек­турно-выразительных тканевых покрытий. Тем не менее нельзя не отметить такие сооружения, как тентовое покрытие ресто­рана гостиницы «Тарасова гора», постро­енного в Киеве в 1961 году. Конструкция состояла из верхнего наружного кольца диаметром 15 м и внутреннего нижнего опорного кольца диаметром 2 м, подве­шенного к центральной стойке, которая установлена на железобетонной опоре и выполнена в форме чаши бассейна. Между кольцами натянуто покрытие из особе сшитых полотнищ высокопрочной паруси­новой ткани.

Летняя танцевальная площадка с тен­товым покрытием открыта в парке Победы в Киеве. Она рассчитана на 900 одновре­менно танцующих пар и ограждена де­коративным бассейном, а со стороны эстрады — стенкой из волнистых асбестоцементных листов. Тентовое покрытие в виде складки перекрывает полосой ши­риной 6,5 м по периметру площадку диа­метром 50 м. На зимний период полот­нище демонтируется. Опорный контур тента создан рядом трубчатых стоек с оттяж­ками, которые образуют пространственную систему на монолитном железобетонном. фундаменте, служащем одновременно ча­шей бассейна. Анало^гичная танцевальная площадка возведена Чернигове. В последние годы на Украине возве­ден еще ряд тентовых покрытий.

Для областной ярмарки в Черкассах по проекту КиевЗНИИЭПа был сооружен тентовый сборно-разборный вы­ставочный павильон размером 25 х 42 м. Он представлял собой тканевую предва­рительно-напряженную растянутую обо­лочку, закрепленную на гибких криволи­нейных опорных металлических контурах, образованных двумя параллельными ря­дами трубчатых стоек. Парные треугольные стойки закреплялись парными оттяжками к анкерным железобетонным плитам.

К стойкам были подвешены верхние несущие и нижние напрягающие ванты, а также тросы подбора и оттяжки из ар­матурной стали. Ванты, тросы подбора и оттяжки снабжены фаркопфами для регу­лировки длины и создания предваритель­ного напряжения в тканевой оболочке. По­лотнища тентового покрытия двух типо­размеров выполнялись из высокопрочной светостойкой ткани водоупорной пропитки. Пришнуровывались полотнища к конструк­циям гибкого опорного контура капроно­вым канатом. Тентовое покрытие многократно ис­пользовалось: на зимний период демонти­ровались только полотнища покрытия, а конструкцию опорного контура оставляли в проектном положении.

Многолетний опыт эксплуатации тенто­вых покрытий в КиевЗНИИЭПе позволил разработать универсальное секционное тентовое покрытие с переменным или по­стоянным поперечным пролетом от 14 до 32 м, предназначенное для сооружений общественного назначения сезонного дей­ствия. В основу решения положена тенто­вая складчатая оболочка из высокопрочной ткани, которая закрепляется на гибком опорном контуре, образованном системой вант и оттяжек на металлических опорных стойках.

На основе универсального тентового покрытия разработаны конструкции для ти­повых проектов летних киноплощадок на 400, 600 и 800 мест.

Лекция 5

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Пневматическими конструкциями называются мягкие оболочки, предварительное напряжение которых, обеспечивающее их противодействие внешним нагрузкам, достигается благодаря нагнетаемому в них воздуху (Табл. 4).

Пневматические строительные конструкции, выполненные в натуре, появились в 1946 году. Создание прочных тканей и пленок, удерживающих воздух, открыло дорогу конструкциям, работающим на ином принципе, чем традиционные. Возведение пневматических конструкций сегодня хо­рошо освоено во многих странах. Пневма­тические конструкции классифицируются на воздухопорные, воздухонесомые и комбинированные. Воздухоопорные выдерживают нагрузку за счет избыточного давления воздуха в тысячные доли атмо­сферы, нагнетаемого под оболочку венти­ляторами. Эти системы бывают однослойными, многослойными, а также оболоч­ками с каркасом из отдельных тросов или сетей (рис. 34-39).

В воздухонесомых оболочках несущая способность создается за счет высокого избыточного давления воздуха, находяще­гося в пневмокаркасах .

Комбинированные пневмоконструкции объединяют в себе свойства воздухоопор­ных и воздухонесомых, а также могут со­четать в себе вантовые или другие си­стемы.

Пневматические конструкции весьма эффективны, Возведение их занимает счи­танные часы. Перевозка с одного места на другое не составляет труда и не тре­бует дорогостоящего транспорта. Соору­жения могут выполняться на любом про­извольном плане и могут иметь произ­вольные, заранее запроектированные очер­тания.

В разных странах, в том числе и в на­шей стране, возведены десятки пневмати­ческих сооружений различного назначения. В промышленности их применяют для раз­личного рода складских сооружений, в сельском хозяйстве возводят животно­водческие фермы, в гражданском строи­тельстве используют под временные поме­щения: выставочные залы, торговые и зрелищные сооружения, спортивные зда­ния и т. д.

За рубежом широко применяются пневматические конструкции для общест­венных зданий самого различного назначе­ния. К сожалению, в нашей стране из-за отсутствия в достаточном количестве тка­невых и пленочных материалов, пригодных для возведения большепролетных пневма­тических сооружений, последние не полу­чили должного распространения. И хотя в ряде городов имеются возведенные пневматические конструкции легкоатлети­ческих манежей, бассейнов, хоккейных пло­щадок, большинство из них основаны на зарубежных конструкционных материалах. Следует сказать, что в ЦНИИСК им: В. А. Кучеренко разработан ряд проектов пневматических конструкций для общест­венных зданий различного назначения, но о массовом их внедрении в практику стро­ительства сегодня говорить преждевре­менно.

В США успешно применяются пневма­тические конструкции покрытий в виде од­нослойных воздухоопорных и двухслойных воздухонесомых оболочек, подкрепленных стальными канатами. Впервые такая конст­рукция размерами в плане 138 х 78 м была

Таблица. 4. Классификация пневматических конструкций

Воздухоопорные Воздухонесомые

Геометрическая форма Усиление канатами Панели

Линзы или сетями Стержни

Простые Составные Сложные Однопро- Многопро- Ортотро- Изотро-

летные летные пные пны

Рис. 34. Оболочка воздухоопорного здания:

/ — собственно оболочка; 2 — тент шлюза; 3 — переход­ник; 4 — вентиляционный клапан; 5 — силовой пояс; 6 — патрубок мягкого воздуховода; 7 — воздухоподающая установка; 8—монтажный шов; 9 — световая полоса; /0 — винтовой анкер; // — разгружающий канат; 12— рукав разгружающего канат

Рис. 35. Оболочки, усиленные канатами и сетками на планах: а — круговом; б — эллиптическом; в — многоугольном; г — прямоугольном

Рис. 36. Пологая воздухоопорная оболочка, усиленная перекрестно расположенными канатами:

/ — оболочка в эксплуатационном положении; 2 — оболочка в провисшем поло­жении; 3 — опорный контур; 4 — канаты; 5 — кольцевая балка; € — стальная рама, поддерживающая кольцевую балку; 7 — элементы анкеровки каната

Рис. 37. Схемы оболочек с внутренними оттяжками

1- оттяжки; 2 – главные канаты; 3 – второстепенные канаты; 4 - диафрагмы

Рис. 38. Двухслойные воздухоопорные оболочки и способы поддержа­ния внутренней оболочки:

а...в — основные; г...е — вариации основных

Рис. 39. Пневмолинзы (пневмоподушки):

I — на планах: а — квадрат­ном; б — круговом; II—на опорах, расположенных по контуру; III— внутри конту­ра; IV—по контуру и в цент­ре; 1 — контурная балка; 2— нижняя оболочка; 3 — верх­няя оболочка; 4—стальные канаты

осуществлена для павильона США на вы­ставке ЭКСПО-70 в Осаке.

Оболочка павильона была сделана из стекловолокнистой ткани, покрытой с двух сторон пленкой из поливинилхлорида. Толщина ткани 2,4 мм. Ткань прикреплена к стальным канатам диагонального направ­ления, которые удерживают ее в рабочем положении при сильном ветре. Это позволяет избежать концентрации больших рас­тягивающих напряжений по краям оболочки. Байтовая сетка с ячейкой ромби­ческого очертания заанкерена вместе с обо­лочкой в железобетонном опорном кольце. Оболочка поддерживалась в проект­ном положении избыточным давлением воздуха около 0,02 кгс кв. см, создавае­мого воздуходувками. Исследованиями американских ученых установлено, что оптимальным материалом для пневматических оболочек является светопрозрачная ткань на основе стекло­волокна диаметром 10 мкм с покрытием поливинилхлоридной или политетрафторэтиленовой пленкой «тефлон». Прочность ткани на разрыв колеблется в пределах or 180 до 900 кгс/ кв. см. Испытания на старение, соответствующие двадцатилет­нему сроку службы эксплуатации пока­зали снижение прочности ткани лишь в два раза. Испытания на огнестойкость позво­лили отнести эту ткань в ряд несгораемых.

Под оболочками поддерживается избыточное давление воз­духа около 215 мм вод. ст.

В последнее время двухслойные пневмоконструкции возводят не только в виде подушкообразных оболочек, но и в виде куполов.

За рубежом применяются также кон­струкции пневмокаркасного типа. Избыточ­ное давление воздуха в них гораздо больше, чем в воздухоопорных конструк­циях. При применяемых материалах это делает пневмокаркасы не очень надежными с точки зрения прочности. К тому же не­сущая способность элементов при этом все же сравнительно мала. Ограниченный предел пролетов пневмокаркасов (пролеты пневмоарок не более 20 м) и высокие за­траты на их изготовление также относятся к недостаткам таких конструкций.

Нельзя не сказать несколько слов и о железобетонных оболочках, возведенных с помощью пневмооболочек. Такие конст­рукции выполняются итальянской фирмой «Бини», Для возведения оболочек свежая бетонная смесь укладывается на арматур­ный каркас, разложенный на земле по пленке пневмооболочки. Бетон закрывается слоем пленки, а в пневмооболочку, разло­женную на землю, подается воздух и она вместе с бетоном поднимается в проектное положение, где бетон набирает прочность. Таким образом можно формировать ку­польные здания, пологие оболочки с плос­ким контуром и некоторые другие формы покрытий.

Работы по возведению железобетон­ных пространственных конструкций на пнев-моопалубке ведутся сегодня и в нашей стране.

ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ЖЕСТКИЕ СИСТЕМЫ

При проектировании общественных зданий иногда возникает необходимость предусмотреть раздвижку покрытия и за­крытие его в случае непогоды, Первым та­ким сооружением явился купол покрытия над стадионом в Питтсбурге (США). Створ­ки купола, скользя по направляющим, задвигались при помощи электродвигате­лей за две створки, жестко закрепленные в железобетонном кольце и консольно нависающие над стадионом с помощью специальной треугольной фермы.

Во Франции создана типовая конструкция крытого плавательного бассейна «Туронесоль» ( Подсолнух), принятого для строительства в городских районах с насе­лением от 5 до 15 тыс. жителей. Первые из сооруженных бассейнов этого типа быт бассейн в Банжи близ Парижа. Круглое в плане сооружение диаметром 34 м перекрыто раздвижным куполом со стре­лой подъема 6 м, имеющим форму эллип­соида вращения.

Покрытие состоит из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть ку­пола, соответствующая центральному углу 120° , представляет собой две раздвижные створки, перемещаемые по концентриче­ской поверхности над покрытием. В сол­нечное время дня створки раздвигаются в противоположные стороны, обеспечивая естественное освещение и инсоляцию бас­сейна. Несущими конструкциями покрытия служат стальные арочные ребра, сходящиеся на стальном замковом элементе. Каждое арочное ребро включает два кри­волинейных пояса и объединяющую их треугольную решетку. В уровне земли ребра опираются на кольцевой фундамент. Панели покрытия запроектированы в виде трехслойной конструкции толщиной 40 мм. Разработана программа строительства, по которой во Франции будет возведено около 100 бассейнов типа «Турнесоль».

В последние годы в связи с расширяющимся строительством в труднодоступ­ных районах, не имеющих ни заводов по производству конструкций, ни высококва­лифицированной рабочей силы для сборки покрытий большепролетных сооружений, ощущается насущная потребность в созда­нии конструкций, которые могли бы быть полностью изготовлены в заводских усло­виях и доставлялись на строительную пло­щадку в сложенном виде. На проектной отметке требуется лишь раздвинуть такое покрытие и закрепить в нужном положе­нии. В Московском архитектурном инсти­туте разработано несколько вариантов та­ких покрытий, в частности складное пере­крестное покрытие размером в плане 12х 12 м, высотой 0,6 м из стальных труб прямоугольного профиля.

Складная перекрестная конструкция состоит из взаимно перпендикулярных плоских решетчатых ферм. Фермы одного направления сквозные, жесткого типа, фермы другого направления состоят из звеньев, расположенных в промежутке между жесткими фермами.

Жесткие фермы сочленяются со звень­ями болтовыми шарнирами, работающими на срез и обеспечивающими складывание конструкции в пакет. Пространственная жесткость и неизменяемость развернутого пакета обеспечивается установкой гори­зонтальных связей-распорок или жест­костью обвязочной рамки элементов ограждения. Такая складная перекрестная конструкция дает значительную экономию трудозатрат.

Усилия ученых, проектировщиков и строителей должны быть направлены на создание таких конструкций, которые от­крывали бы широкие возможности для различной функциональной организации зданий наа совершенствование конструктив­ных решений не только с инженерной сто­роны, но и с точки зрения улучшения их архитектурно-художественных качеств.

Вся проблема должна решаться комп­лексно, начиная с изучения физико-меха­нических свойств новых материалов и кончая вопросами композиции интерьера.

Это позволит архитекторам и инжене­рам подойти к решению главной задачи — массовому строительству функционально и конструктивно оправданных, экономичных и архитектурно выразительных обществен­ных зданий и соружений самого различ­ного назначения, достойных современной эпохи.

Литература

1.Пространственные конструкции общественных зданий. А.П. Морозов, В. Васильченко.

Л., Стройиздат, 1977г., 168стр.

2.Современные пространственные конструкции. Справочник /Ю.А.Дыховичный.-М.: Высш. шк., 1991,-543с.