Чтение онлайн

Все рассмотренные нами основные конструктивные формы имеют линейный характер. Их ширина и высота несравнимо меньше длины, а рабочие схемы, в сущности, представляют собой сочетание прямых и кривых линий. Двухмерного листа бумаги практически достаточно, чтобы отразить их напряженные и деформационные состояния. Такой искусственный и «природонесообразный» подход человека приводит к серьезным конструктивным и эстетическим ограничениям конечного продукта строительства.

Промежуточной формой перехода от линейных (одномерных) к пространственным (трехмерным) конструкциям можно считать плиту. Это плоскостной несущий элемент, описывать который излишне. Железобетонные плиты мы видим каждый день как над своей головой, так и под ногами. Что же касается большинства человеческих нужд, то эта плоскостная и наиболее функциональная конструктивная форма является одной из самых распространенных на земном шаре. В сочетании с балками и без них плиты широко применяются в конструкциях перекрытий и крыш, в качестве путевого полотна в мостостроении и т. д. Однако плиты имеют весьма ограниченные конструктивные возможности. Поэтому и значение их в общем конструктивном решении может быть только локальным.

О неэффективности плит при перекрытии больших пространств говорит рис. 25. Под действием вертикальных нагрузок возникает очень сложное напряженное состояние: изгибающие моменты в двух направлениях, крутящие моменты и поперечные силы — тоже в двух направлениях. Как и в случае балок, возникают нормальные напряжения изгиба и тангенциальные напряжения — от поперечных сил и от крутящего момента. Но, в отличие от балочных элементов, действие развивается не в одном направлении, а в плоскости плиты. Грубо можно представить ее работу как совместную работу большого числа перекрещивающихся в двух направлениях балок. Самым неприятным следует считать, конечно, наличие значительных изгибающих моментов, которые превалируют и в конечном счете определяют толщину плиты. А как мы помним, именно изгиб представляет собой наиболее острую форму невидимого конфликта между нагрузкой и конструкцией. Поэтому толщина плиты оказывается тем сечением, которое работает в самом неблагоприятном режиме.

Однако достаточно слегка искривить плиту (рис. 26), чтобы получилась совершенно иная картина. Такую плиту, естественно, нельзя использовать в качестве конструкции перекрытия, но зато она может быть прекрасной конструкцией для крыши. Итак, при стреле подъема, составляющей лишь 1/10 меньшего пролета, плита мгновенно превращается в тонкостенную пространственную конструкцию — оболочку. Изгибающий момент почти исчезает — по крайней мере в обширной средней части оболочки, где устанавливается столь ценное безмоментное напряженное состояние. Внешняя нагрузка вызывает только нормальные (сжатие и растяжение) и тангенциальные (сдвиг) усилия. Последние, как и поперечные силы, действуют в плоскости сечения, но, в отличие от них, «повернуты» на 90° и фактически находятся в плоскости оболочки. Чтобы представить их действие физически, сопоставим его с уже известным нам эффектом от поперечных сил. Поперечные силы стремятся расслоить материал, сместить отдельные мысленно выделяемые по высоте сечения слои; в оболочке тангенциальные силы стремятся сдвинуть один относительно другого отдельные криволинейные слои, из которых она состоит. По высоте сечения напряжения постоянны. Этим как раз и определяется эффективность данной конструктивной формы — материал используется равномерно и полностью.

Мысленно выделенные в двух направлениях криволинейные слои являются лишь весьма приблизительной моделью, которая помогает нам понять, как работают конструкции этого типа. Эти слои работают совместно, почему и возникают сдвигающие силы. Плюсы сводчатой оболочки двоякой кривизны (так называется эта конструктивная форма) обеспечиваются только при наличии определенных условий опирания. По четырем контурам оболочки необходимы несущие конструкции линейного типа (балки, фермы или арки), которые называются диафрагмами. Диафрагмы нагружены особым образом: вертикальные нагрузки оказываются не основными. Это звучит малоубедительно, но оболочка передает свою нагрузку на диафрагмы в основном посредством направленных под углом, сдвигающих усилий. Их вертикальная составляющая неминуемо вызывает в опорных элементах изгибающие моменты и поперечные силы, а горизонтальная — значительные растягивающие усилия. Для диафрагм характерно сложное, комбинированное силовое воздействие, обусловленное их функциями, так как они служат не просто балками, а опорами оболочки двоякой кривизны. О механизме нагрузки диафрагм (с физической точки зрения) можно судить по тому, что под действием нагрузки оболочка стремится расправиться, превратиться в плиту. Именно этому выпрямлению препятствуют диафрагмы, вследствие чего в них возникают растягивающие усилия.

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.

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.

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.