Проектирование несущих конструкций зданий

В этой статье при рассмотрении силовых и не силовых воздействий на здания и сооружения отмечалось деление конструкции на несущие и ненесущие. Были также отмечены случаи совмещения несущих и ограждающих функций одной конструкцией, например, междуэтажным перекрытием. Но в целях последовательного усвоения специфики проектирования конструкций и их элементов начнем с раздельного рассмотрения несущих и ограждающих систем.

Основные типы несущих конструкций формируются на стержневых, плоскостных, висячих и объемно-пространственных элементов. Последние применяют как для перекрытий (своды, оболочки, купола), так и в качестве основных вертикальных несущих конструкций многоэтажных зданий в виде стволов жесткости или оболочковых (коробчатых) систем.

Для несущих конструкций применяют две группы материалов: жесткие и нежесткие. К жестким относят камень, бетон, железобетон, армоцемент, металлические стержни с сечениями различной конфигурации, дерево. Нежесткие материалы разделяют на две подгруппы: гибкие и мягкие. Гибкие материалы - металлические тросы и листы, мягкие - ткани и синтетические пленки.

Жесткие материалы чаше используют в конструкциях, работающих на сжатие и изгиб, нежесткие - в конструкциях, работающих на растяжение. Для обеспечения несущей способности и стабилизации геометрической формы конструкции из нежестких материалов выполняют с предварительным натяжением.

По характеру статической работы все несущие конструкции подразделяют на плоскостные и пространственные. В плоскостных - все элементы работают под нагрузкой автономно, как правило, в одном направлении и не участвуют в работе конструкций, к которым они примыкают. В пространственных - все или большинство элементов работают в двух направлениях и участвуют в работе сопрягаемых с ними конструкций. Благодаря этому повышаются жесткость и несущая способность сооружения и снижается расход материалов на его возведение.

Пространственные конструкции получили широкое развитие после изобретения стального проката и железобетона.

Выбор типа и материала несущих конструкций при проектировании определяется величинами перекрываемых пролетов и высот сооружений. При малых пролетах применяют простые плоскостные и стержневые конструкции, при больших более сложные пространственные, экономическая эффективность которых возрастает с увеличением пролетов и высот.

Стоечно-балочная конструкция

Стоечно-балочная конструкция (рис. 5.1) является наиболее простой и распространенной среди плоскостных. Она состоит из вертикальных и горизонтальных стержневых несущих элементов. Вертикальный элемент — стойка (колонна, столб) - представляет собой прямолинейный стержень, который воспринимает все вертикальные нагрузки от горизонтального элемента (балки), горизонтальные нагрузки, приходящиеся на стойку, и передает усилия от этих воздействий на фундамент. При этом стойка работает на внецентренное сжатие, продольный (редко и поперечный) изгиб. Горизонтальный элемент стоечно-балочной системы-балка (брус) - прямолинейный стержень, работающий на поперечный изгиб под действием вертикальной нагрузки. Он имеет сплошные (прямоугольное, тавровое, швеллерное, двутавровое или др.) сечение при пролетах до 12-18 м. При 50 больших пролетах экономически оправдан переход к применению балочных конструкций сквозного сечения - ферм.

Сопряжения вертикальных и горизонтальных элементов могут иметь различную жесткость, что отражается на характере их совместной работы. При шарнирном опирании балки обладают свободой горизонтальных перемещений и поворота на опоре. В связи с этим они передают на стойки только вертикальные усилия. При жестком сопряжении балки со стойкой обеспечиваются совместность их деформаций и перемещений и возможность передачи изгибающего момента от балки на стойку. Такой вариант стоечно-балочной системы носит название рамы или рамной конструкции, а жесткий узел сопряжения балки со стойкой - рамного узла. Стоечно-балочные конструкции выполняют с различным числом пролетов и ярусов (этажей). Система несущих конструкций в виде многопролетной многоэтажной стоечно-балочной конструкции называется каркасной конструктивной системой.

Каркас, состоящий из продольных и поперечных рам (рамный каркас), обладает пространственной жесткостью: его деформации под влиянием силовых воздействий минимальны и не нарушают эксплуатационных качеств здания.

Современные конструкции каркаса выполняют из одного материала или из их сочетания, например колонна из железобетона, а ферма - из стали.

Наряду с древнейшими стержневыми плоскостными стоечно-балочными с середины XX века внедрены пространственные перекрестные стержневые системы.

Перекрестные стержневые системы образуются из линейных взаимно пересекающихся под углом 90° или 60° элементов формирующими прямоугольную, диагональную или треугольную сетку (рис. 5.2.) Совместная пространственная работа пересекающихся линейных элементов существенно повышает жесткость конструкции перекрытия: по сравнению с обычными перекрытиями из отдельных плоскостных элементов (ферм или балок). Конструктивная высота перекрытия при этом уменьшается более, чем вдвое. Применение перекрестно-стержневой системы наиболее целесообразно для перекрытия квадратных, круглых и многоугольных в плане помещений, с пропорциями в пределах 1:1 до 1:1,25. Пространственный фактор работы конструкции проявляется в этом случае наиболее эффективно. Для разгрузки основных пролетов целесообразно устройство консольных свесов перекрестного покрытия в 0,20-0,25 величины основного пролета.

Различают две разновидности перекрестных систем: перекрестно-ребристые и перекрестно-стержневые. Первые (рис. 5.2, А) выполняют из металла (из балок или ферм), железобетона (из сборных коробчатых элементов) и дерева (из дощатых элементов).

Перекрестно-стержневую конструкцию (структуру) выполняют главным образом из металла. Обычно она представляет собой систему из двух (четырех) плоских решетчатых дисков, раскрепленных в двух направлениях наклонными стержнями, которые образуют серию одинаковых пирамид с обращенными вниз вершинами, раскрепленными стержнями нижнего решетчатого диска (рис. 5.2, Б).

Плоскостные несущие конструкции званий - стены, различно размещенные в здании и жестко связанные между собой: в деревянном срубе - врубками, в каменном доме взаимной перевязкой кладочных камней, в панельном здании - сваркой и замоно-личиванием стыков панелей, в монолитном - арматурой и бетоном.

Необходимую жесткость системе зданий с плоскостными несущими конструкциями, превращающими ее в пространственную сотовую этажерку придают горизонтальные диафрагмы жесткости - междуэтажные перекрытия, которые в зданиях выше двух этажей выполняют из железобетона. Изобретение железобетона позволило в зданиях стеновой (бескаркасной) системы выполнять и перекрытия из плоскостных элементов -железобетонных плит. Хотя бескаркасная система является древнейшей (начиная с деревянных изб и глинобитных лачуг) подлинный расцвет в капитальном многоэтажном (30-35 этажей) строительстве она получила в конце XX - начале XXI вв. с применением железобетона в полносборных и сборно-монолитных конструкциях несущих стен и перекрытий (рис. 5.3). Технологическими и экономическими преимуществами бескаркасных конструкций являются совмещения их элементами несущих и ограждающих функций. Однако совмещение несущих и ограждающих функции в одном конструктивном элементе позволяет применять бескаркасную систему только в зданиях со стабильной планировочной структурой при ограниченных размерах помещений. Поэтому она применяется преимущественно в жилищном строительстве из кирпича, сборного и монолитного железобетона.

Арочные конструкции

Арка представляет собой брус криволинейного (циркульного, параболического или др.) очертания. Кривизна арки обеспечивается возможность ее статической работы преимущественно на осевые (сжимающие) усилия, но вызывает (в отличие от балочных конструкций) не только вертикальные, но и горизонтальные реакции опор, так называемый распор (рис. 5.4). Это обстоятельство требует соответствующего усиления опор или применения затяжки-связи, стягивающей пяты арки и работающей на растяжение. В последнем случае в опорах арки возникают только вертикальные реакции. Работа арок преимущественно на осевые усилия позволяет перекрывать ими значительно большие пролеты, чем балками.

При увеличении ширины арки в направлении, перпендикулярном ее пролету, образуется конструкция пространственной формы, называемая цилиндрическим сводом. В этой конструкции арочная кривая служит направляющей, а горизонтальная прямая - образующей поверхности свода. Поверхность цилиндрического свода относится к числу линейчатых поверхностей, т.е. поверхностей, образованных перемещением по направляющим одной или группы прямых линий. Линейчатые криволинейные поверхности наиболее широко применяются в строительстве, так как наличие прямолинейных образующих облегчает возведение конструкций, устройство опалубки и пр.

Конструкция цилиндрического свода при пространственной геометрической форме в статическом отношении является плоскостной. Если конструкцию свода мысленно рассечь на ряд параллельных друг другу арок, то все они (при равномерно распределенной нагрузке) будут иметь идентичное напряженное состояние и не окажут существенного воздействия на смежные арки.

В соответствии с функциональными и эстетическими задачами цилиндрический свод получил в архитектуре много модификаций. На базе пересечения двух цилиндрических сводов с одинаковой стрелой подъема построен крестовый свод, состоящий из четырех фрагментов цилиндрической поверхности - распалубок и опертый на четыре точки; при компоновке конструкции из четырех других фрагментов пересекающихся сводов - лотков образуется сомкнутый свод, опертый по контуру; при срезе вершины сомкнутого свода горизонтальной плоскостью образуется зеркальный свод и т.п. Все перечисленные модификации в отличие от цилиндрического свода являются пространственными конструкциями не только по геометрической форме, но и по статической работе.

Конструкции сводов совмещают несущие и ограждающие функции. Применение арочных несущих конструкций требует дополнения их специальными ограждениями.
Разнообразные модификации цилиндрических арок и сводов были разработаны и широко применялись в эпоху Древнего Рима (I в. до н.э. - IV в. н.э.). Возводились эти конструкции из кирпича, тесаного камня и бетона. Дальнейшее развитие каменные сводчатые конструкции получили в эпоху романики и готики (XI — XV вв.) на базе цилиндрических, а затем более сложных по форме стрельчатых сводов (рис. 5.5), возникших в зодчестве Арабского халифата (VII - IX вв. н.э.) и занесенных в Европу в эпоху крестовых походов,

В современной строительной практике сводчатые конструкции выполняются преимущественно из железобетона, а арочные - из дерева, стали или железобетона.

Оболочки

Оболочки представляют собой тонкостенные жесткие конструкции с криволинейной поверхностью. Толщина оболочек весьма мала по сравнению с другими ее размерами. Тонкостенность конструкции исключает возможность работы оболочки на поперечный изгиб и обеспечивает ее работу на осевые усилия. Геометрические и статические свойства оболочек зависят от их кривизны и ее непрерывности. Геометрию поверхности оболочек характеризует их кривизна относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, пересекающих оболочку по нормали к ней. В общем случае поверхности оболочек имеют кривизну в двух направлениях. Такие конструкции называют оболочками двоякой кривизны. Полной характеристикой кривизны поверхностей является гауссовая кривизна К - величина, обратная произведению радиусов кривых, образуемых пересечением оболочки двумя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через нормаль к ее поверхности:

K = 1 / R₁ · R₂.

Знак кривизны зависит от расположения центров радиусов кривизны по отношению к поверхности. При расположении центров по одну ее сторону К имеет положительное значение, по обе стороны - отрицательное (рис. 5.6). К поверхностям положительной гауссовой кривизны относятся все купольные оболочки (сфероид или эллипсоид вращения и т.п.), оболочки переноса, бочарные своды и т.п. характерным примером поверхности отрицательной кривизны является гиперболический параболоид, формируемый перемещением параболы с ветвями вверх по параболе с ветвями вниз (рис. 5.7).

Если поверхность оболочки в одном из направлений имеет конечную величину кривизны, а в перпендикулярном ему - нулевую, то ее называют поверхностью нулевой кривизны (цилиндрическая и коническая поверхности). Такие поверхности относятся к линейчатым, имеющим прямолинейную образующую.

Оболочки являются пространственными конструкциями как по форме, так и по существу статической работы. Их большая по сравнению с плоскостными конструкциями несущая способность определяется не дополнительным расходом материалов, а только изменением формы конструкции, способствующей повышению ее жесткости.

Это становится очевидным при сопоставлении конструкций плоской плиты с пространственной конструкцией длинного цилиндрического свода - оболочки нулевой кривизны, примененных в условиях равенства пролетов и нагрузок (рис. 5.8). Стабильность формы цилиндрической оболочки обеспечивается торцовыми диафрагмами жесткости. Статическая работа, геометрическая форма и размещение в пространстве цилиндрического свода-оболочки существенно отличаются от работы свода.

Цилиндрический свод-оболочка — безраспорная конструкция, работающая на поперечный изгиб как балка пространственной формы, свод - распорная конструкция, работающая преимущественно на осевые усилия. Для обеспечения последнего условия кривая свода принимается пологой, в то время как для повышения жесткости свода-оболочки целесообразна большая кривизна формы, наконец, продольная ось длинного цилиндрического свода-оболочки размещается параллельно перекрываемому пролету, а продольная ось свода - перпендикулярно ему.

Цилиндрические и коноидальные своды-оболочки используются по большей части в многоволновых одно- и многопролетных сочетаниях; применяют консольные и бесконсольные, параллельные и веерные оболочки, разнообразные формы жесткостных элементов (рис. 5.9).

Складки

Складки - пространственная конструкция, образуемая сочетанием под углом отдельных плоскостей (складок) и диафрагм жесткости. Эта конструкция, как и цилиндрические своды-оболочки, изобретена в XX в. и имеет аналогичную схему статической работы. Геометрические формы складчатых конструкций различны: отдельные складки могут иметь треугольное и трапециевидное сечение и иметь друг с другом параллельные, веерные или встречные сочетания (рис. 5.10).

Складки применяются в покрытиях пролетом до 40 м и в высоких стенах при необходимости повышения их жесткости. Получило распространение сочетание складчатых стен и покрытий с жесткими сопряжениями между ними в виде пространственной рамной конструкции. Складки используют в арочных и шатровых покрытиях для помещений с прямоугольным, трапециевидным, многоугольным или криволинейным планом.

Конструкции покрытий из многоволновых оболочек и складок осуществляются в монолитном или сборном железобетоне. В последнем случае сборные элементы покрытия представляют собой предварительно напряженный одноволновой (или односкладчатый) элемент. Значительно реже конструкции складок и оболочек выполняют из стержневых металлических или деревянных элементов.

Оболочки двоякой кривизны

Оболочки двоякой кривизны являются распорными конструкциями. В связи с разнообразием геометрических форм оболочек горизонтальная составляющая опорной реакции (распор) может иметь различную направленность: наружу - в куполах и волнистых сводах, внутрь - в гипарах и лотковых сводах. Тонкостенные конструкции оболочек нулевой и двоякой кривизны в целом являются изобретением XX в. (инж. Дишингер и Бауэрсфельд). Исключение составляют лишь конструкции куполов, имеющие древнейшее происхождение. Однако в связи с тем, что до XX в. купола возводились только из камня, современные купольные конструкции из железобетона, армоцемента, металлических стержней существенно отличаются от каменных. Технические возможности применения камня в купольных сооружениях были исчерпаны в I тысячелетии н.э. при перекрытии здания Пантеона в Риме куполом диаметром 43,2 м., опертым на кольцевую стену, толщина которой для погашения распор достигала 8 м (рис. 5.11.) и храма св. Софии в Константинополе куполом диаметром 31,5 м, опертым через систему из четырех сферических парусов только на 4 опоры (рис. 5.12.). В отличие от массивности опорных конструкций Пантеона в храме св. Софии распор купола передан на арочные усты и полукупола смежных пролетов.

В XX в. при возведении куполов из железобетона и металла наступил новый этап развития купольных конструкций. Изменились геометрические параметры куполов: толщина оболочки, пролет, стрела подъема. Устойчивость каменной конструкции купола требовала стрелы подъема около половины его диаметра. Железобетон позволил уменьшить стрелу подъема купола до 1/5-1/6D и одновременно достичь такой тонкостенности его конструкции, которая превосходит тонкостенность биологических структур (табл. 5.1.)

Тонкостенные железобетонные купольные оболочки проектируют гладкими, а также волнистыми или складчатыми. Стальные купола проектируют ребристыми, ребристо-кольцевыми или сетчатыми (рис. 5.13).

В XX в. получило распространение применение сферических или эллиптических оболочек не только в виде отдельного сегмента сфероида или эллипсоида (купола), но и в виде так называемых парусных оболочек, образованных сечением сферического (эллипсоидного, торового) сегмента вертикальными плоскостями. Это позволило применять парусные оболочки для покрытия помещений с треугольным, квадратным или многоугольным планом. Контур среза оболочки вертикальными плоскостями усиливают диафрагмами или криволинейными балками. Для перекрытия круглых в плане помещений наряду с гладкими применяют ребристые, складчатые или волнистые своды и купола (рис. 5.14).

Волнистые своды и купола представляют собой варианты оболочек, гладкая поверхность которых заменена волнистой. Применение волнистой поверхности может быть вызвано статическими (повышение жесткости), функциональными (устройство светопрозрачных включений по боковой поверхности волн или в их торцах) или композиционными требованиями. Чаше всего волнистые купола и своды применяются в покрытиях большепролетных общественных зданий — крытых рынков, цирков, выставочных павильонов и т.п.

Из оболочек отрицательной кривизны наибольшее применение получили гипары благодаря выразительности и вариантности формы, а также относительной простоте возведения. В строительстве и проектировании используют одиночные гипары и их разнообразные сочетания - шатры и купола из нескольких гипаров (рис. 5.15).

Комбинированные оболочки

Начиная с последней трети XX в. получили широкое применение для покрытий большепролетных зданий конструкции, скомбинированные из фрагментов оболочек с одинаковыми или разными знаками кривизны. Такие комбинации позволяют не только добиться выгодных технических параметров (уменьшение конструктивной высоты покрытия и пр.), но получить индивидуальную выразительную форму для покрытий залов с различной формой плана. Комбинированные оболочки выполняют сборными или монолитными. Наряду с покрытиями залов тонкостенные оболочки эффективны в применении для инженерных сооружениях - башен, резервуаров и пр. (рис. 5.16).

Висячие конструкции

Висячие конструкции изобретены выдающимся ученым и инженером В. Г. Шуховым в 1896 г., но стали широко использоваться только с середины XX в. Основными несущими элементами висячих конструкций являются гибкие тросы, ванты, цепи или кабели. Они работают только на растяжение и несут подвешенные к ним ограждающие горизонтальные, а иногда и вертикальные конструкции. Висячие конструкции проектируют плоскостными или пространственными. В плоскостных системах опорные реакции параллельных рабочих тросов передают на опорные пилоны, способные воспринять вертикальные реакции и распор, иногда последний передают на перекрытия обстраивающих зал помещений, либо на оттяжки, заанкерованные в фундаментах (рис. 5.17).

В пространственных системах обязательным конструктивным элементом помимо рабочих тросов является жесткий плоский или пространственный опорный контур (железобетонный или стальной), воспринимающий распор от системы тросов, которые образуют криволинейную поверхность для укладки покрытия. Вертикальные реакции покрытия передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или другие вертикальные конструкции (рис. 5.18).

Работа основных элементов висячей системы только на осевое растяжение позволяет наиболее полноценно использовать несущие свойства материалов, применять самые эффективные из них (например, высокопрочную сталь) и обеспечивать минимальную массу конструкции. Однако такая легкая конструкция обладает повышенной деформативностью при переменных кратковременных нагрузках (порыва ветра и т.п.). Для обеспечения геометрической неизменяемости висячей системы применяют различные способы ее стабилизации. В плоскостных системах для этого чаще всего прибегают к предварительному натяжению тросов путем укладки по ним сборных железобетонных плит с пригрузкой и замоноличиванием швов между плитами. После удаления пригруза тросы, стремясь сократиться до первоначальной длины, обжимают замоноличенное железобетонное покрытие, превращая его в висячую опрокинутую жесткую оболочку.

Для стабилизации пространственных висячих конструкций часто применяют две системы тросов — рабочих и стабилизирующих (двухпоясная конструкция). Тросы обеих систем располагаются попарно в плоскостях, перпендикулярных поверхности покрытия, и соединяются друг с другом жесткими распорками, создающими предварительное натяжение тросов. В статической работе такой системы конструкция покрытия не участвует и может быть устроена по несущим (провисающим) или стабилизирующим (выпуклым) тросам.

Наиболее легкими и экономичными типами висячих конструкций являются мембранные и тентовые покрытия, совмещающие ограждающие и несущие функции.

Мембранные покрытия чаше всего имеют в качестве основного несущего элемента тонкий металлический лист, работающий на растяжение и закрепленный в опорном контуре. Конструкция мембраны может быть различной - плетенка из алюминиевых лент, сварная из отдельных стальных лепестков и т.п. Мембранные покрытия используют в большепролетных общественных и промышленных зданиях. Максимальный пролет (224x183) перекрыт металлическим мембранным покрытием, очерченным по эллипсоидной поверхности над Олимпийским дворцом спорта в Москве.

Материалом тентовых покрытий служат ткани или синтетические пленки, натянутые с помощью системы тросов-подборов или системы рабочих и стабилизирующих тросов. Основная область использования тентовых покрытий - временные сооружения больших пролетов - цирки шапито, выставочные залы или спортивные павильоны, склады.

Тентовые или висячие конструкции из мягких оболочек изобретены в середине XX века и получили применение наряду с временными сооружениями (склады, ангары, цирки шапито) в уникальных, но также ориентированных на недолгий срок эксплуатации объектах, например в Олимпийских спортивных сооружениях в Мюнхене (рис. 5.19) или выставочном павильоне «Миллениум» в Лондоне.

Пневматические конструкции

Пневматические конструкции изобретены в XX в. и применяются в строительстве с 40-х годов. Конструкция выполняется из воздухонепроницаемой прорезиненной ткани, синтетической пленки или другого мягкого материала. Конструкция занимает проектное положение благодаря избыточному давлению заполняющего ее воздуха. Различают два типа пневматических конструкций - воздухоопорные и пневмокаркасные (рис. 5.20). Воздухоопорные конструкции используются в виде оболочек, полностью перекрывающих запроектированное помещение. Проектное положение воздухоопорной пленки обеспечивается избыточным давлением крайне незначительной величины (0,002 -0,001 ат), которое не ощущается людьми, находящимися в помещении. Для сохранения постоянного уровня избыточного давления входы в помещения осуществляют через специальные шлюзы, оборудованные герметически закрывающимися дверьми, а в систему инженерного оборудования здания включены вентиляторы, подкачивающие воздух в эти помещения. Характерные величины пролетов воздухоопорных оболочек - 1824 м, но в уникальных сооружениях они могут быть значительно больше.

Пневматические каркасы выполняют из длинных узких баллонов, в которых поддерживают избыточное давление в 0,3-1,0 атм. Конструктивная форма такого каркаса -арочная. Арки устанавливают вплотную друг к другу (образуя сплошной свод или купол) либо на расстоянии. При устройстве сплошного купола или свода смежность баллонов обеспечивается устройством их из двух сплошных полотнищ, прошитых параллельными швами по ширине баллонов с образованием пневмопанели. При раздельной установке арок их устойчивость из плоскости обеспечивают растяжками, которые также служат промежуточными опорами для водо- и воздухонепроницаемости ткани покрытия, натягиваемой по аркам. Шаг арок принимают 3 - 4 м., пролеты - от 12 до 18 м. Пневматические конструкции применяют преимущественно для временных сооружений, требующих быстрого монтажа и демонтажа. Разнообразные пневматические конструкции активно используются в рекламных целях при возведении временных выставочных павильонов. Широко применяют пневматические конструкции в качестве опалубки при возведении монолитных железобетонных оболочек.

При проектировании зданий выбор типа несущих конструкций осуществляют с учетом назначения здания, его капитальности, величины перекрываемого пролета и технико-экономических показателей вариантов. При относительно малых величинах пролетов (до 9-12 м) преимущественное применение получают стоечно-балочные и стеновые конструкции. С ростом величины пролета (свыше 24 м) возрастает экономическая эффективность применения пространственных криволинейных, складчатых, висячих и других конструкций. В уникальных по назначению сооружениях при выборе несущих конструкций помимо технических большое значение приобретают художественные задачи - возможность использования в архитектурной композиции выразительности конструктивной формы. Из числа основных материалов несущих конструкций предпочтение отдается железобетону, позволяющему обеспечить сокращение расхода металла, а также долговечность и огнестойкость сооружения. Металлические конструкции применяют при особо значительных величинах пролетов, либо при больших динамических нагрузках.