Плоские безраспорные конструкции- это балки и фермы.
Балки бывают двускатные, односкатные и горизонтальные.
Высота балки зависит от пролета, прочности материала, нагрузок и от допускаемых прогибов.
Деревянные балки бывают гвоздевые и клееные. Они могут иметь прямоугольное или двутавровое сечение. Высоту их принимают 1/10...1/12 пролета.
Железобетонные сборные балки бывают таврового (пролетом 6, 9 и 12 м) и двутаврового сечения (пролетом 12, 18 и 24 м). Балки пролетом 18 и 24 м могут выполняться составными, с облегченными стенками за счет отверстий и с предварительно напряженной арматурой нижнего пояса. Высоту железобетонных балок принимают от 1/10 до 1/12 пролета.
Металлические (стальные) балки имеют двутавровое сечение прокатного профиля или составного, выполненного на сварке.
Ферма – конструкция, состоящая из верхнего и нижнего поясов, которые соединяются вертикально и наклонно поставленными элементами — решеткой фермы. Вертикальные элементы решетки называют стойкими, наклонные — раскосами. Такая конструкция намного легче балки, а потому может перекрывать гораздо большие пролеты.
Фермы бывают односкатные, двускатные, с горизонтальным верхним поясом, сегментного очертания.
Деревянные фермы применяют пролетами 12-36 м.
Бывают из клееной и цельной древесины.
Железобетонные фермы изготовляют пролетами 18 и 24 м. Фермы могут быть составными из двух полуферм. Наибольшее применение нашли фермы с параллельными поясами и безраскосные фермы.
Стальные фермы и фермы из алюминиевых сплавов применяют при пролетах 30 м и более. Все элементы ферм делают из прокатных профилей, (обычно из уголков), соединяемых на сварке металлическими листами (косынками. По металлическим фермам выгодно укладывать легкое покрытие (например, стальной штампованный настил) с эффективным утеплителем (пенопласт и др.
2. Здания с плоскими распорными конструкциями
К распорным плоским конструкциям относятся арки и рамы.
Арка — это изогнутая балка с неподвижными опорами на концах.
В арке материал работает преимущественно на сжатие. Камень, основной строительный материал, хорошо работающий именно на сжимающие усилия, наиболее часто применяется для выполнения арок и сводов
Простая П-образная рама внешне похожа на стоечно-балочную систему
Современные арки и рамы выполняют из дерева, железобетона и металла. Они могут быть бесшарнирные, двухшарнирные (шарниры на опорах) и трехшарнирные (шарниры на опорах и середине пролета).
Рис. 1. Основные схемы ферм: а, в — полигональные с треугольной решеткой; б, г — двускатные с треугольной и перекрестной решеткой; d, e — сегментные безраскосные
а с раскосами; ж, з — с параллельными поясами с раскосами и безраскосная (балка Виранделя); и, к — треугольные с раскосами и безраскосная; л, м - треугольные с раскосной решеткой; к — шпренгельная с затяжкой; Ж-Б, М. Д, Д-М — индексы, обозначающие характерные схемы для железобетонных, металлических, деревянных и дерево-металлических ферм
Деревянные рамы и арки, подобно балкам, выполняют гвоздевыми и клееными пролетом до 24 м.
Железобетонные рамы и арки выполняют двутаврового сечения пролетом до 40 м и решетчатыми — для больших пролетов.
Рамы могут быть однопролетными (рис. 3) и многопролетными, монолитными и сборными. Соединения сборных элементов делают в местах минимальных изгибающих моментов.
Металлические рамы и арки применяют сплошного (для пролетов до 60 м) и решетчатого сечения (для больших пролетов).
Рис. Плоские распорные конструкции:
а—в — рамы бесшарнирные, двух- и трехшарнирные; г—е — арки бесшарнирные, двух- и трехшарнирные; ж. 3 — рама и арка с разгружающими консолями; и — арка с затяжкой; L — пролет; h — высота рамы; f — стрела подъема арки; R- — радиусы кривизны верхней и нижней грани арки
Рис. Железобетонные рамы для однопролетных зданий:
а — разрез здания; б — полурамы для зданий пролетом 18 и 21 м; У — полурама, 2 — плита покрытия; 3 — полосовая сталь; 4 —болт; 5 — шарнир; в —стеновая панель; 7 — столбчатый фундамент; S — фундаментная балка
3. Здания с перекрестными системами покрытий.
Перекрестные покрытия представляют системы балок или ферм с параллельными поясами, перекрещивающихся в двух или трех направлениях. По своей работе такое покрытие приближается к работе сплошной плиты.
Конструкции, в которых применены балки, называют перекрестно-ребристыми, а при использовании ферм — перекрестно-стержневыми.
Совместная работа ферм позволяет уменьшить высоту их до 1/16-1/24 пролета.
Перекрестные конструкции, используя пространственный характер работы, позволяют снизить строительную высоту покрытия и сократить расход материалов, возводить разнообразные по габаритам здания из однотипных сборных элементов заводского изготовления.
Рис. Перекрестно- ребристая железобетонная конструкция:
а — общий вид; б — разрез; в — деталь покрытия, собираемого
из плоскостных элементов; г — то же, из армоцементных кессонов; 1 —
напрягаемая арматура; 2 —бетон замоноличивания
Металлические перекрестные системы используют фермы из трубчатых сечений (реже из прокатных профилей). Соединения производят на сварке или с помощью готовых узлов с отверстиями, куда вставляют и закрепляют отдельные стержни ферм. Возможности металлических перекрестно-стержневых систем в покрытии больших площадей без промежуточных опор огромны.
Металлические перекрестные системы используют фермы из трубчатых сечений (реже из прокатных профилей). Соединения производят на сварке или с помощью готовых узлов с отверстиями, куда вставляют и закрепляют отдельные стержни ферм. Возможности металлических перекрестно-стержневых систем в покрытии больших площадей без промежуточных опор огромны.
4. Здания с тонкостенными пространственнымиконструкциями.
К тонкостенным пространственным конструкциям относятся своды, купола, оболочки, складки и шатры. Они значительно экономичнее по расходу материалов плоскостных конструкций (до 30% по расходу бетона и до 20% по расходу металла).
Рис. Формы традиционных сводов и куполов:
а — цилиндрический свод; 0 — то же, с распалубками; в — крестовый свод; г — то же, вспарушенный со стрельчатым очертанием арок (готический свод); д — сомкнутый свод; е — то же, с распалубками; ж — зеркальный свод; з — сферический купол; и — то же, с распалубками разных видов; к—парусный свод; л — то же, с распалубками
Современные пространственные конструкции из жесткого материала с криволинейным очертанием получили название оболочек или скорлуп. Условной границей между традиционными сводами и куполами и современными оболочками считают отношение толщины свода к радиусу конструкции, которое должно быть равно или меньше 1/20.
По внешним формам можно классифицировать оболочки на пять групп:
цилиндрические и их разновидности;
двоякой положительной кривизны;
коноиды;
гиперболические параболоиды;
комбинированные.
Цилиндрические оболочки по своему внешнему виду напоминают традиционный каменный свод, но работа материала в этих конструкциях совершенно иная. Чтобы яснее представить это различие, можно воспользоваться бумажной моделью оболочки.
Рис. Бумажная модель цилиндрической оболочки:
а — ровный лист бумаги прогибается и не держит сам себя; б — свернутый в трубку, он становится жестким; в — складки вдоль рулона придают бумаге форму цилиндрических оболочек и большую несущую способность; г — при увеличении нагрузки цилиндрические складки сплющиваются и теряют свою несущую способность; д — накленные по торцам диафрагмы придают складкам жесткость (неизменяемость) и повышают их несущую способность; е — бумажная модель складчатой конструкции.
Цилиндрическая оболочка относится к оболочкам одинарной кривизны, т. е. ее поверхность образована движением прямой линии по круговой, параболической или какой-либо другой кривой. Но если продольную ось цилиндрической оболочки изогнуть вверх по кривой (чаще всего по окружности), то получится оболочка двоякой кривизны, которая называется сводом-оболочкой или бочарной оболочкой. Бочарная оболочка создает распор и в продольном и поперечном направлениях.
Рис. Разновидности цилиндрических оболочек:
а —длинная; б —короткая; в — сложной формы; г — конусная
Конусные оболочки (рис. г) также являются разновидностью цилиндрической оболочки. Их используют в различных зданиях (рынки, выставочные залы, гаражи), имеющих в плане круглое или веерообразное очертание.
Многообразные пересечения цилиндрических оболочек создают широкие возможности для формообразования объемов.
4.1. Оболочки двоякой положительной кривизны
Р азнообразны по своей форме. Наиболее часто применяемыми являются оболочки с поверхностью переноса и оболочки с поверхностью тора. Оболочки переноса образуются движением одной кривой по другой. При этом обе кривые выгнуты кверху инаходятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поверхность тора образуется при вращении дуги круга по круговой оси, т. е. она является частным случаем оболочки переноса. К этой же группе оболочек относятся и купола-оболочки, имеющие разнообразные очертания и конструктивные решения
Рис. Купола-оболочки:
а —ребристая купольная оболочка на наклонных опорах; б — сетчатый купол по системе инж. Фуллера; в —купол из треугольных плит по системе инж. Туполева; г — сотовый купол из плоских шести- и пятиугольников
Коноиды выделены в отдельную группу из-за особенностей своей формы. Коноидальные поверхности получаются при перемещении прямой, один конец которой движется по прямой линии, а другой — по кривой
Рис. Коноиды:
а — образование коноида; б — козырек перед входом в здание ЮНЕСКО в Париже
Гиперболический параболоид (гипар) получается, когда к двум выпуклым кверху параболам подвешен ряд одинаковых парабол, выпуклых книзу.
Полученная седловидная поверхность представляет собой поверхность двоякой кривизны с противоположными знаками. Вертикальные сечения гипара дают параболические очертания, а горизонтальные сечения образуют гиперболы. Гипары применяют часто и как целую архитектурную форму, и как отдельные элементы — вырезки и комбинации этих вырезок.
Рис. Гиперболические параболоиды (гипары):
а — ряд одинаковых парабол, подвешенных между двумя вертикальными параболами, образуют седловидную поверхность гипара; 6 — вырезка из поверхности гипара, ограниченная четырьмя прямыми линиями; в — вырезка из середины седловидной части гипара, примененная как покрытие отдельного здания; г—е — комбинации из секций гипара, имеющие в плане квадратное очертание; ж — комбинация из 8 вырезок гипара
Комбинированные оболочки состоят из разнообразных криволинейных поверхностей. Примером умелого применения комбинированных форм оболочек может служить здание аэропорта в Нью-Йорке (архит. Сааринен), в котором органично сочетается тектоника оболочек с их архитектурной выразительностью.
Рис. Комбинированные оболочки:
а — здание аэропорта в Нью-Йорке; б — здание театра в Сиднее
Складчатые конструкции, как и цилиндрические оболочки, можно проиллюстрировать на бумажной модели (рис. 6, а). Лист бумаги, согнутый в виде «гармошки», не только несет сам себя, но и выдерживает определенную нагрузку, а укрепленный по торцам диафрагмами жесткости,
значительно повышает свою несущую способность.
Рис. Типы складок:
а — параллельные; О — веерообразные; в — встречные; г, д — рамные конструкции из складок: е — шатер
Шатры (рис. е) представляют собой пространственную конструкцию покрытия, образованную плоскими, взаимно пересекающимися элементами. Шатровыми конструкциями перекрывают прямоугольное в плане пространство смыкающимися наверху со всех четырех сторон плоскостями. Складками перекрывают пролеты до 60 м, шатрами — до 24 м.