Введение
С момента открытия человеком бетона в качестве строительного материала прошло уже более пяти тысяч лет. Бетон является материалом, не утратившим востребованности и в наши дни. Но не так уж давно человек догадался добавлять в бетон арматуру. Таким образом был придуман железобетон, который вошел в историю как материал двадцатого века. Но полет человеческой фантазии безграничен, и постоянные поиски, эксперименты и попытки достичь совершенства – являются этому подтверждением. Конструкции и материалы постоянно совершенствуются, находят все новое применение, вне рамок ранее не преодолимых ограничений, избавляясь от недостатков и предлагая невиданные ранее возможности. Это дает дополнительные просторы для архитектурного творчества, что в свою очередь отражается на повышении качества жизни людей. Появление железобетона дало мощный толчок широкомасштабному применению в строительстве и архитектуре пространственных конструкций: скорлуп и оболочек.
Благодаря сочетанию повышенной прочности, экономичности и выразительности формы, оболочки облегчают взаимодействие зрителя с окружающим его пространством, преподнося ему наглядную информацию о возможных вариантах его движения, что характеризует оболочку как прекрасный архитектурный инструмент. Именно эта черта в сочетании с природной кривизной форм и с эстетической гармонией, ощущаемой зрителем, в какой бы точке композиции он не находился, приводит к все более широкому применению данного вида конструкции как в строительстве общественных зданий, так и в архитектуре в целом.
Описание
В современных источниках можно найти различное толкование термина «оболочка» или «скорлупа». Тем не менее термин «скорлупа» гораздо менее распространен.
Согласно описанию, которое представлено в архитектурном справочнике, оболочка — пространственная конструкция, ограниченная двумя криволинейными поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнению с остальными её размерами. Применяется в современном строительстве в качестве покрытия и перекрытия сооружений. Совмещение несущих и ограждающих функций, повышенная жёсткость и прочность оболочки позволяют перекрывать ими большие пролёты без промежуточных опор. Выполняемые из железобетона или армоцемента оболочки могут быть разнообразной формы (цилиндрической, волнисто-складчатой, гиперболоидной и др.), создавать тем самым новые тектонические системы, придавать зданиям эстетические качества, относящиеся не только к внешнему объёму, но и к интерьеру больших внутренних пространств (залы различного назначения, стадионы, вокзалы и др.).[1]
Архитектурные сайты дают нам похожее толкование: Структурные сетчатые оболочки представляют собой тонкостенные жесткие пространственные конструкции с криволинейной поверхностью. Они позволяют перекрывать большие пространства без использования внутренних опор, а только за счет самонесущих свойств самой конструкции. Жесткость оболочек достигается не за счет увеличения массы металла, а только за счет изменения геометрии при инженерных расчетах. Именно с помощью пространственных оболочек и создаются необычные и сложные формы фасадов и кровель зданий. Такие конструкции получили широкое распространение в прогрессивной архитектуре XXI века. Используются сетчатые перекрытия-оболочки, башни-оболочки и сложные сетчатые аморфные конструкции.[2]
Рис. 1.Железобетонныйкаркассвода-оболочки (архитектор П. Нерви)
Исходя из этого, можно выделить несколько основных особенностей оболочек:
· Позволяют перекрывать большие пространства без дополнительных опор.
· Широко распространены в современном строительстве
· Позволяют создавать сложные криволинейные формы
· Имеют сравнительно небольшой вес
При этом оболочки бывают нескольких видов, в зависимости от формы и конструкции.
Рис. 2.Оболочка «биосферы» (архитектор Б. Фуллер)
Виды оболочек
В архитектурной практике используются выпуклые, висячие, сетчатые и мембранные оболочки из железобетона, металлов, древесины, полимерных, тканых и композиционных материалов. Для расчёта таких конструкций используется специально разработанная теория оболочек.
Таким образом по форме оболочки подразделяются на выпуклые и висячие, а по типу конструкции на сетчатые и мембранные. Далее мы рассмотрим каждый вид в отдельности.
В общем случае, оболочка имеет кривизну в двух направлениях, которая может быть положительной, отрицательной или нулевой. Знак кривизны зависит от расположения центров радиусов. Отсюда следует вывод, что выпуклые оболочки – это оболочки с положительной кривизной. Соответственно висячие – с отрицательной.
Рис.3.Поверхностиположительной (а) и отрицательной (б) кривизны
Рис.4.Примеры комбинированных тонкостенных оболочек
Несколько сложнее обстоят дела с сетчатыми и мембранными оболочками.
Сетчатая оболочка — несущая строительная конструкция, получившая широкое распространение в прогрессивной архитектуре XXI века. Используются сетчатые перекрытия-оболочки, башни-оболочки и сложные сетчатые аморфные конструкции. Несущие сетчатые оболочки выполняются из металлов, композиционных материалов и древесины. До середины XX века несущие сетчатые оболочки использовались редко ввиду сложности расчёта, повышенных требований к качеству материалов и соблюдению технологий монтажа.
Наиболее известным примером сетчатой оболочки является гиперболоидная оболочка Шухова. Помимо этого, значимый вклад во внедрение несущих сетчатых оболочек в мировую архитектуру внесли знаменитые архитекторы БакминстерФуллер, НорманФостер, Фрэнк Гери, Николас Гримшоу, Сантьяго Калатрава. [3]
Рис.5. Первая в мирегиперболоиднаяконструкция В. Г. Шухова
В свою очередь, мембранные покрытия представляют собой пространственную конструкцию, состоящую из тонкого металлического листа и жесткого опорного контура. Тонкий лист обладает пренебрежимо малой изгибной жесткостью, поэтому работает главным образом на растяжение, что позволяет наиболее полно использовать несущую способность металла и по сравнению с другими плоскостными и пространственными конструкциями получать минимальную массу покрытия. Отличительная особенность мембранных покрытий от других типов висячих конструкций—совмещение в одном материале несущих и ограждающих функций, за счет чего достигается дополнительное облегчение конструкции и снижение металлоемкости.[4]
Рис.6. Мембраннаяоболочканадконькобежнымцентром в г. Коломна
Используемые источники:
1. Справочник по архитектуре и проектированию Novosibdom.ru. URL: https://arx.novosibdom.ru/node/992
2. ООО «Несущие системы. URL: https://spacestructure.ru/ru/obolochki.html
3. Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сетчатая_оболочка_(архитектура)
4. Файбишенко В. К. «Металлические конструкции: Учебное пособие для вузов»Стройиздат, 1984
История возникновения
Сетчатые перекрытия-оболочки впервые внедрил в мировую практику российский инженер и архитектор В. Г. Шухов в 1896 году. Тогда же он запатентовал эти конструкции и разработал основы теории оболочек.
До середины XX века перекрытия-оболочки использовались редко ввиду сложности расчёта, повышенных требований к качеству материалов и соблюдению технологий монтажа. Яркий пример — парусообразные двухслойные перекрытия-оболочки оперного театра в Сиднее, которые из-за недостаточной технической компетенции архитектора ЙорнаУтзона возводили более 10 лет.
Рис.7. Парусообразные перекрытия-оболочки Сиднейского оперного театра, архитектор ЙорнУтзон, Австралия
Перекрытия-оболочки использовали в своем творчестве знаменитые архитекторы Антонио Гауди, Пьер Нерви, Эро Сааринен, Оскар Нимейер, КэндзоТангэ, БакминстерФуллер, НорманФостер, Фрэнк Гери, Николас Гримшоу, Сантьяго Калатрава. Полное признание и широкое распространение в прогрессивной архитектуре перекрытия-оболочки получили в течение последних двух десятилетий благодаря внедрению компьютеров в практику расчёта конструкций и появлению новых строительных материалов и технологий.
В российском климате безаварийно эксплуатируются стальные сетчатые и стальные висячие мембранные оболочки перекрытий зданий и сооружений.
Доверие к железобетонным оболочкам в России было сильно подорвано в 2000-е годы из-за ряда аварий (Трансвааль-парк и Басманный рынок), произошедших из-за недостатков проектирования и эксплуатации зданий.[1]
Отдельного внимания заслуживают знаменитые башни Шухова.
Рис.8. Гиперболоидная башня инженера Шухова
Знаменитые проекты Шухова
Как уже говорилось ранее, Владимир Шухов первым в мире создал гиперболоидные конструкции — сетчатые металлические структуры, в основе которых лежит незамкнутая поверхность, образуемая вращением гиперболы вокруг ее оси. К прочим заслугам инженера относится проект первых российских нефтепроводов и нефтеперерабатывающего завода, аппарат для непрерывной дробной перегонки нефти, трубчатый паровой котел и множество других изобретений.
1. Первая в мире конструкция-гиперболоид в Полибино. Впервые мир познакомился с творением Владимира Шухова летом 1896 года на Всероссийской промышленной и художественной выставке — крупнейшей в дореволюционной России, которая проходила в Нижнем Новгороде. Для этого мероприятия архитектор построил целых восемь павильонов с сетчатыми перекрытиями и гиперболоидную башню, ставшую его визитной карточкой. Изящную водонапорную конструкцию венчал бак с водой, вмещавший шесть с половиной тысяч ведер. К баку вела спиральная лестница, по которой любой желающий мог подняться на смотровую площадку. Что и говорить — необычная ажурная стальная башня стала «гвоздем» программы и моментально привлекла внимание не только горожан, но и мецената и стекольного короля Юрия Нечаева-Мальцева. Успешный предприниматель приобрел ее по окончании выставки и отвез к себе в имение в Полибино, что в Липецкой области. Там 25-метровая конструкция стоит и по сей день.
2. ГУМ. На нижегородской выставке Владимир Шухов представил новаторский подход в использовании сетчатых конструкций для перекрытий и крыш зданий. Он был применен в Главном универсальном магазине (бывшие Верхние торговые ряды), построенном напротив Кремля. Стеклянная крыша ГУМа — дело рук великого мастера. В ее основе — стальной каркас, изготовленный из металлических стержней. На его строительство ушло более 800 000 кг металла. Но, несмотря на столь внушительные цифры, полукруглая ажурная крыша кажется легкой и утонченной.
Рис.8.Металло-стеклянные перекрытия ГУМа конструкции Шухова, Москва.
3. ГМИИ имени А.С. Пушкина. Это, пожалуй, самое известное здание, в строительстве которого принимал участие Владимир Шухов. Перед ним стояло ответственное задание — создать прочные перекрытия кровли, через которые может поступать солнечный свет. Сто лет назад, когда музей открыл свои двери, в его проекте не было предусмотрено электрическое освещение экспозиции, поэтому залы должны были освещаться естественным образом. На удачу Шухова, одним из спонсоров строительства стал Юрий Нечаев-Мальцев, который ранее приобрел первую работу архитектора. Так что отличные рекомендации были у Шухова «в кармане». Созданную им трёхъярусную металло-стеклянную крышу называют памятником инженерному гению.
Рис.9. ГМИИ имени А.С. Пушкина. Стеклянная арка. Архитектор В. Шухов.
4. Киевский вокзал в Москве. Строительство дебаркадера бывшего Брянского вокзала велось несколько лет, с 1914 по 1918 год, в условиях дефицита металла и рабочей силы. Когда работа была завершена, застекленное пространство над платформами длиной 230 метра стало крупнейшим в Европе. Эффектный козырек Киевского вокзала представлял собой металло-стеклянное перекрытие, которое опиралось на стальные арки. Находясь на перроне, сложно поверить, что над тобой возвышается конструкция, которая весит около 1300 тонн!
Рис.10. Киевский вокзал (1914–1918) Архитектор В.Шухов.Москва.
5. Башня на Шаболовке. Всеми признанный шедевр Шухова был возведен в 1919—1922 годах. Первоначальный проект предполагал, что башня возвысится на 350 метров и станет «конкуренткой» Эйфелевой башни (324 м). Несмотря на то что на реализацию задуманного требовалось втрое меньше металла, чем на французскую соперницу, ее пришлось уменьшить до 160 м (с учетом траверз и флагштока). Виной тому была гражданская война и, как следствие, отсутствие нужного количества стали. Когда амбициозный проект был завершен, башня заработала по назначению — в 1922 году началась трансляция радиопередач, а в 1938 году состоялась первая телетрансляция. Воздушная невесомая конструкция вдохновила писателя Алексея Толстого на написание фантастического романа «Гиперболоид инженера Гарина», ставшего бестселлером того времени.
6. Шуховская башня на Оке. В 1929 году, спустя 33 года после своего громкого дебюта в Нижнем Новгороде, Владимир Шухов вернулся в принесший ему признание город. На низком берегу Оки между Богородском и Дзержинском по его проекту были установлены единственные в мире многосекционные гиперболоидные башни-опоры ЛЭП. Из трех пар конструкций, которые поддерживали провода, до наших дней сохранилась только одна.
Рис.11.Шуховская башня на Оке (1927–1929)
Творения Шухова оценили во всем мире еще при жизни инженера, но и сегодня его идеи активно заимствуются известными архитекторами. Образцы гиперболоидных башен встречаются в Японии, Италии, Бразилии, Великобритании. Его наработками пользуются Кен Шаттлворт (AspireTower) и НорманФостер (перекрытие двора Британского музея, небоскрёб Сент-Мэри Экс 30). Но самым известным примером использования патента Шухова считается 610-метровая телебашня в китайском городе Гуанчжоу — самая высокая в мире сетчатая гиперболоидная конструкция. Ее возвели к Азиатским играм 2010 года для трансляции этого важного спортивного события.[2]
Рис.12.Телебашня, основана на конструкции, патент на которую был выдан ещё в конце XIX века— инженеру В.Г. Шухову.
Используемые источники:
1. Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сетчатая_оболочка_(архитектура)
2. National Geographic Россия. URL: https://www.nat-geo.ru/travel/45327-6-velikikh-konstruktsiy-shukhova/#full
Принципы работы
К оболочкам-скорлупам предъявляются особые требования. Прежде всего они должны быть из жесткого материала, форму иметь пространственно-изогнутую, толщину незначительную по отношению к пролетам и сечение по всей поверхности одинаковое; лишь в краевых элементах в местах передачи усилий на фундаменты или другие опоры они могут утолщаться. В связи с этим и усилия в них распределяются особым образом: в сечении оболочек, например, совершенно исключаются изгибающие и крутящие моменты в связи с их небольшой толщиной, а усилия направляются по касательной к их поверхностям, равномерно в продольном и поперечном направлениях. Малейшие изменения толщины в сжатой части могут вызвать появление изгибающих моментов. Рабочее состояние оболочек — это состояние напряженной мембраны. При симметричной нагрузке в них отсутствуют также и сдвигающие силы.
Ребристые криволинейные системы также могут содержать в себе элементы оболочек, поэтому рассматриваемый нами принцип работы оболочек можно отнести как к сооружению в целом, так и к его элементам.
Принцип механической работы оболочек прямо противоположен работе традиционного массивного каменного или кирпичного свода, в котором за увеличением пролета следует увеличение сечения свода.
В конструктивных оболочках существует в противовес традиционным принципам обратно пропорциональная зависимость массы и сечения сводов и куполов от перекрываемых ими пролетов, хотя при этом не отрицается зависимость этих параметров и от принятой системы конструирования. При больших пролетах, применяемых в современной архитектуре, часто невозможно идти по традиционному пути, так как сечения сводов возросли бы до таких размеров, что, пожалуй, не смогли бы выдержать своей собственной массы. Кроме того, сооружение таких сводов было бы связано с большой затратой материалов. Следовательно, для выполнения тех задач, которые стоят перед современной архитектурой в области большепролетного строительства, разумно пользоваться оболочками.
Но при этом все же в оболочках-скорлупах особое значение имеет принцип "работы по форме", как назвали его известные инженеры Э.Торроха и П.Л.Нерви. Для достижения необходимых технических качеств оболочки этот принцип без преувеличения является одним из решающих. Тонкостенные структуры типа оболочек создают условия для "лепки" различных архитектурных пластических форм.
Что значит "работа по форме"? Лучше всего это пояснить на простом примере.
Если взять лист обычной бумаги и положить его узкими краями на две опоры, то лист не удержится на них и соскользнет. Но если сделать из этого листа бумаги корытце и поставить его на две опоры, то корытце не только не соскользнет с опор под действием собственной массы, но даже сможет нести дополнительный груз.
Что же случилось с листом бумаги, почему он приобрел новые механические свойства? Бумага осталась та же, ее масса сохранилась, но изменилась форма, которая перераспределила внутренние усилия. Точнее, претерпели, изменения внешние очертания формы, ее конфигурация, соразмерность или, если можно так выразиться, пластика формы.
Именно это подразумевается под связью формы конструкции с ее механическими способностями. За счет изменения пластики оболочковых форм можно получать лучшие соотношения механических способностей и массы конструкций, т.е. экономить строительный, материал.
По мнению П.Л.Нерви, прочность по форме — наиболее существенная из всех других средств и наиболее распространенная в природе. Нерви пишет, что такую способность конструкции, '"сопротивляющейся по форме".... мы часто находим в окружающей нас природе: в чашечках цветов, тростнике, скорлупе яйца, панцирях насекомых, раковинах и др."[1]
Используемые источники:
1. Ю.С. Лебедев. «Архитектурная бионика»М: Стойиздат. 1990 г.
Работа элементов
Оболочка (оболочечный элемент) – это трехмерное тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, один из размеров которого (толщина) мал по сравнению с остальными размерами (рис.13,а). Геометрическое место точек, равноудаленных от поверхностей оболочки, называется срединной поверхностью. Оболочки могут быть нулевой, одиночной или двоякой (рис. 13, б – г) кривизны, при этом множество возможных форм оболочек практически безгранично. За счет своей пространственной формы оболочка эффективно работает при различных видах нагрузок, позволяя создавать экономичные конструкции, обладающие большой архитектурной выразительностью. В поперечных сечениях оболочек возникают усилия растяжения или сжатия в одном или двух направлениях. При несимметричных загружениях в элементах.
Рис.13.Базовый элемент – безмоментная оболочка и конструкции на ее основе:а – безмоментная оболочка; б – цилиндрический свод (оболочка нулевой гауссовой кривизны); в – сферическая оболочка (оболочка двоякой положительной гауссовой кривизны); г – гипар (оболочка двоякой отрицательной гауссовой кривизны)
Оболочек могут возникать сдвиговые силы. Изгибающие моменты обычно возникают лишь в отдельных областях оболочек, например в приопорных зонах. На рис.14 показаны упрощенные схемы распределения усилий в оболочках.[1]
Мембрана – это гибкая пластина или гибкая оболочка в виде полотнища. Гибкая пластина образует мембранный элемент одинарной кривизны. Гибкая оболочка может образовывать мембрану двойной кривизны (рис.14). Мембраны, как и нити, работают только на растяжение. Под действием поперечной нагрузки они принимают очертание, соответствующее виду нагрузки. Мембранные элементы изготавливаются из материалов, эффективно работающих на растяжение, например из стали или пластиков. В мембранах силовой поток распределен по всей поверхности, вызывая равномерные и сравнительно невысокие нормальные напряжения материала.
Массивный элемент – это трехмерное тело, все три основных размера которого имеют один и тот же порядок. К массивным элементам можно отнести фундаментные блоки, опоры мостов и т.п.[2]
Рис.14Базовый элемент – мембрана и конструкции на ее основе:а – мембрана (действуют только растягивающие усилия); б – тентовая конструкция (для формообразования используется предварительное натяжение); в – воздухоопорная оболочка (элемент такой оболочки работает как мембрана – на растяжение)
Используемые источники:
1.Studme.org. Архитектурно-строительныеURL: https://studme.org/54860/tovarovedenie/osnovnye_nesuschie_elementy_klassifikatsiya
2. С.Н кривошапко, В.В Галишникова «Архитектурно строительные конструкции» М: Юрайт 2016г