Сортамент металлопроката на бумажном носителе «Линейка – S»

                                                                         Источник: Металл в архитектуре.

Читать предыдущую страницу 9                                                 Страница 10

Перекрестно-ребристые большепролетные покрытия образуются плоскими либо пространственными фермами с параллельными поясами, пересекающимися под прямым или другим углом. В перекрёстно-ребристых системах, как и в складках,, прикладываемые в узлах ферм нагрузки распределяются не в одном, а в двух направлениях. Благодаря совместной работе ферм создается большая жесткость всего покрытия, что позволяет снизить высоту входящих в перекрестную систему ферм до 1/20- 1/30 пролета (в зависимости от характера опирания), т. е. почти в 3 раза по сравнению с отдельными (балочными) фермами. Системы перекрестных ферм могут перекрывать значительные (50 м и более) пролеты. Межферменное пространство закрывается подвесным потолком или остается открытым. Решетчатый кессонированный потолок обеспечивает необходимую архитектурную выразительность интерьеров. Это обусловило применение перекрестно-ребристых систем в выставочных зданиях (павильон международной выставки в Ленинграде размером в плане 53X53 м), в театральных залах (дворец культуры «Украина» в Киеве с залом размером 56X56 м), в торговых зданиях (покрытие размером 72X54 м торгового центра в Целинограде). К крупнейшим металлическим перекрестно-ребристым системам относится покрытие станции технического обслуживания «Автосервис» в Москве. Покрытие станции имеет форму равнобедренного треугольника со сторонами 116,2 и 104 м и опирается на внутриконтурный опорный треугольник со сторонами 94 и 84 м.

Складчатые и перекрестно-ребристые системы применяются не только для плоских покрытий, но и для сводов, для чего в пространственную систему объединяются перекрещивающиеся или параллельные арки. Так, системой перекрестных арок был образован свод покрытия аудитории университета «Корпус-Кристи» в штате Техас (США) пролетом 68 м.

Перекрестно-ребристые покрытия могут применяться и над зданиями с круглым планом. В то же время над такими зданиями выполняется и несколько отличная от перекрестной система объединения плоских ферм: радиальные фермы, опирающиеся на внешний контур здания и внутреннее металлическое кольцо. Такое жесткое покрытие типа пространственной плиты, иногда неверно именуемое «висячим», осуществлено в ресторане гостиницы «Ленинград» в Ленинграде, во Дворце искусств в Ташкенте и других крупных общественных зданиях.

В складчатых и перекрестно-ребристых системах отдельные плоскостные конструкции (фермы, арки), хотя и работают совместно, еще сохраняют свою конструктивную форму. Совместная их работа и геометрическая неизменяемость образованного ими покрытия помимо непосредственного соединения их друг с другом должны обеспечиваться горизонтальными связями или жесткими торцовыми диафрагмами.

Следующий этап развития большепролетных металлических покрытий —  полное слияние отдельных конструкций в единую пространственную  систему,   в   которой  отсутствуют  традиционные  для балочной клетки главные балки (фермы, арки), прогоны, связи, а их функции выполняет более или менее однородная стержневая решетка. В таких системах, получивших название пространственных стержневых конструкций, сила, приложенная в произвольном направлении к любому узлу решетки, «вызывает усилие в первую очередь в примыкающих к узлу пространственно расположенных стержнях, т. е. пространственную реакцию, сходную с сопротивлением сплошной системы (плиты или оболочки).

Пространственные решетчатые конструкции состоят всего лишь из двух типов элементов — линейных (стержней) и узловых. В качестве линейных элементов применяются стальные и алюминиевые прокатные и гнутые профили, эффективны трубчатые круглые и квадратные стержни. Узловые элементы имеют различную конструкцию, обеспечивающую легкое и надежное соединение нескольких стержней, сходящихся под различными пространственными углами: завинчивание, зажатие, запрессовку и др.

Металлические пространственные стержневые конструкции могут быть однослойными (однопоясными), двухслойными (двухпояс-ными) и многослойными. Однослойные (однопоясные) системы представляют собой стержневую решетку, образующую поверхность одинарной или двоякой кривизны  —  сетчатую оболочку. Именно трехмерность общей формы поверхности обеспечивает устойчивость и пространственность работы всей системы. Неизменяемость этой формы создается жестким соединением стержней в узлах. Двухслойные (двухпоясные) и многослойные системы состоят из двух и более решетчатых поверхностей, расположенных на некотором расстоянии одна от другой и соединенных между собой раскосами или раскосами и стойками. Благодаря собственной объемности, которая отсутствует в однослойных системах, двухслойные системы могут образовывать не только криволинейные, но и плоские покрытия, а соединение стержней в узлах выполняется, как правило, шарнирным.

В зависимости от формы поверхности сетчатых оболочек различают цилиндрические (сетчатые своды), сферические (сетчатые купола), конические оболочки и оболочки переноса, причем последние два типа оболочек применяются относительно редко. Цилиндрические сетчатые оболочки могут быть образованы изгибанием плоской решетки вдоль ее продольной оси. Сетчатые купола не преобразуются в плоскую поверхность. Это несколько усложняет геометрию элементов конструкции и кровельного покрытия;' Но по статической работе поверхность двоякой кривизны более эффективна. Поэтому преимущественное распространение в архитектурной практике получили именно сетчатые купола.

Унификация стержней наиболее просто решается в куполах с поверхностью в виде так называемой геодезической сети, которая создается проецированием на сферу по радиусу вписанного в нее правильного многогранника. В сферу можно вписать только пять типов правильных многогранников, среди которых наибольшее число граней (двадцать) имеет икосаэдр. При проецировании икосаэдра на сферу сеть купола образует 20 правильных сферических треугольников, каждый из которых может быть расчленен на более мелкие треугольники. Стороны получаемых таким образом треугольников соединяют их вершины по кратчайшим линиям  —  дугам большого круга, или геодезическим линиям. Отсюда и название геодезические купола. Членение сферической поверхности обычно ведется до тех пор, пока сторона треугольника обеспечит длину стержневых элементов, оптимальную по условиям их прочности, экономичности, трудоемкости изготовления, транспортировки и сборки, после чего криволинейные проекции ребер заменяются прямыми стержнями. При больших пролетах применяются многослойные купола. Вершины треугольников сети таких куполов лежат на двух или даже трех концентрических сферах, радиусы которых отличаются на небольшую величину (до 1 м). Это повышает общую устойчивость купола и вместе с тем вносит в поверхность определенную пластику.

Развитие сетчатых оболочек двоякой кривизны, особенно геодезических куполов, связано с именем американского инженера Б. Фуллера. В СССР система стержневых куполов была разработана проф. М. С. Туполевым, который положил в основу их геометрического построения принципы кристаллографии. Наиболее крупные из осуществленных сетчатых куполов: покрытие ремонтного завода в Луизиане (США) диаметром 114,5 м (по проекту Б. Фуллера); выставочный зал в Брно (ЧССР) диаметром 93,5 м (автор Ф. Ледерер); выставочный зал в Токио (архит. М. Мурата, инж. И. Цубои). Примером двухслойного геодезического купола может служить павильон США на Всемирной выставке 1967 г. в Монреале. Купол диаметром 75 м и  высотой 61 м, сооруженный по проекту Б. Фуллера, имел форму усеченного снизу шара. Каркас был выполнен из стальных труб. Наружная сетка создавалась треугольными, а внутренняя шестиугольными ячейками. Каркас покрывался прозрачными акриловыми листами1.

Универсальная конструкция алюминиевого сетчатого купола для пролетов 30—150 м разработана в ЦНИИПроектстальконструкции. Стержни каркаса, образующего сетчатую поверхность с треугольными ячейками, изготовляются из прессованного алюминиевого профиля замкнутого коробчатого сечения, а узловая деталь  —  из профиля в виде звезды с шестью лучами. Соединяют элементы высокопрочными болтами. Поверх стержней каркаса укладываются плоские треугольные алюминиевые листы кровельного покрытия толщиной 1 мм.

В сетчатых сводах и куполах кровля выполняется над или под стержневой сеткой в виде натянутой легкой оболочки либо в виде жестких пластин, которые при необходимости изгибаются по форме покрытия. Расчленение поверхности линейными металлическими элементами, образующими решетчатую сетку, не лишает поверхность зрительной цельности. Однако рельеф листовых элементов, заполняющих эту сетку, тектоничен лишь до тех пор, пока он решает две основные задачи, а именно: придает листовому металлу жесткость и осуществляет переход от сферической поверхности ограждения к плоскому многограннику решетчатой структуры. Введение в заполнение какого-либо дополнительного линейного или рельефного рисунка, не связанного с этими задачами, разрушает тектонику поверхности и делает ее немасштабной. Поэтому, хотя разнообразие геометрии и фактуры кровельных элементов во многом определяет облик большепролетных зданий с криволинейными покрытиями, в этом разнообразии таится и опасность декоративизма, чуждого духу современной архитектуры.

Двухслойные системы пространственных стержневых конструкций, называемые также структурными конструкциями, или просто структурами, в плоских покрытиях работают как плиты. Структуры, строение которых одинаково по всей площади покрытия, называются регулярными. Нерегулярными называются структуры, имеющие различное строение в разных зонах покрытия (например, в центре и по углам).

Основные характеристики структур связаны с решением узловых элементов и принципами организации системы стержней. В системах «Триодетик» (Канада), «Меро» и «Октаплатте» (ФРГ), «Дю Шато» (Франция) и некоторых других унифицированы только узловые элементы. Узел «Меро» представляет собой резьбовое соединение, «Октаплатте» — сварное соединение через шаровую вставку. В системах «Юнистрат» (США), «Кипсер» (Венгрия) все стержневые элементы имеют одинаковую длину. Структуры «Спейс дек» (Великобритания) собираются не из отдельных стержней, а из пирамидок заводского изготовления. В Советском Союзе массовое применение получили разработанные в Московском архитектурном институте и серийно изготавливаемые с 1969 г. конструкции типа «МАрхИ» из трубчатых стержней с резьбовыми отверстиями (авторы А. Н. Попов, А. А. Попов, В. К. Файбишенко). Вторым распространенным в отечественной практике типом стержневых плит являются конструкции типа «Берлин» с узлами ИФИ, в которых сплющенные наконечники стержневых элементов обжимаются с помощью болта. В ЦНИИСКе разработаны стержневые плиты, в узлах которых элементы соединяют с помощью ванной сварки.

Пространственные стержневые плиты можно представить себе как систему перекрестных ферм с диагональными раскосами (именно эти раскосы отличают структуры от обычных систем плоских перекрестных ферм), как складки с поперечными горизонтальными связями или как соединенные между собой объемные решетчатые элементы  —  пирамиды, призмы и др. В отечественной практике распространены системы, собираемые из длинномерных стержней, а также плоских и пространственных ферм длиной до 12—15, а в некоторых случаях до 24 м. Структура из перекрестных больше-размерных ферм была принята для покрытия размером 72X54 м торгового центра в Целинограде. Для покрытия павильона «Юный техник» пионерлагеря им. Ю. А. Гагарина в Подмосковье была разработана структура типа «МАрхИ», собираемая из отдельных тетраэдров — равносторонних пирамид на треугольном  основании.

За рубежом применяются преимущественно системы постержневой сборки. Из отдельных трубчатых стержней было выполнено и покрытие над зданием лектория Московского Дворца пионеров. Структуры постержневой сборки освоены в СССР серийным производством.

Покрытия типа структур имеют высоту 1/25—1/30 пролета, что значительно меньше высоты балочных покрытий. Образуемая структурами поверхность не требует, как правило, прогонов, связей и других вспомогательных элементов, а также подвесного потолка. Кровельный настил может укладываться непосредственно по наружной поверхности структуры, а легкая и ажурная пространственная решетка образующих ее стержней обладает эстетическим своеобразием, активно влияющим на интерьер здания. Пространственные стержневые плиты могут опираться или подвешиваться по контуру и в отдельных точках, они хорошо работают как консольные конструкции. Обычная форма плана структур квадратная, но она может быть и прямоугольной, треугольной, шестиугольной, трапецеидальной и др., практически не имея никаких ограничений. Так, сочетание четырех пространственных стержневых плит, имеющих форму равносторонних треугольников со сторонами 10, 18, 24 и 30 м, образует в павильоне пионерлагеря им. Ю. А. Гагарина покрытие сложного, асимметричного в плане очертания. Наряду с конструкциями массового применения все чаще появляются уникальные структуры, как, скажем, плита Фестивальной площади Всемирной выставки в Осаке размером 291,6X108 м или алюминиевое покрытие в Сан-Пауло размером 260X260 м.

Пространственные конструкции типа структур успешно применяются не только как покрытия, но и как междуэтажные перекрытия, перегородки, стены. Здание крытого рынка в г. Тольятти запроектировано в форме пирамиды с основанием 54X54 м и высотой 27,4 м, грани которой представляют собой двухпоясную решетчатую систему типа структуры с треугольными ячейками. Ограждением служит стальной профилированный настил. Двухслойные и создаваемые на их основе многослойные стержневые структуры могут использоваться как пространственный каркас зданий.

В качестве кровельного или стенового ограждения пространственных решетчатых конструкций целесообразно использовать стальной или алюминиевый лист. Особенно эффективны ограждения мембранного типа. Примером такого сочетания структуры с алюминиевыми мембранами может служить разработанная в ЦНИИСКе под руководством В. И. Трофимова и примененная в покрытии Дворца спорта в Иркутске конструкция, в которой алюминиевая панель получает предварительное напряжение с помощью стоек, устанавливаемых по нижним узлам структуры и снабженных болтовыми соединениями. Купола системы «Кайзер» (США) образуются ромбическими элементами, состоящими из трубчатых стержней и натянутого на них металлического листа толщиной 2,5 мм. По проекту Б. Фуллера один из таких куполов диаметром 60,9 м и высотой 19,8 м был смонтирован в 1959 г. для американской выставки в Москве на территории парка «Сокольники». Поверхность купола была образована 1110 панелями 14 типоразмеров.

Относительно новой формой стержне-листовых пространственных покрытий являются двухслойные сферические оболочки из волнистой стали, совместная работа слоев которых обеспечивается расположенной между ними решеткой. В ЦНИИПроектстальконструкции разработано покрытие типа «чечевица», конструкция которого состоит из стального каркаса с натянутыми на нем верхней и нижней мембранами из тонких стальных листов, образующими жесткое покрытие в форме двояковыпуклого диска.

Высокая прочность металлического листа при работе на растяжение и возможность увеличения его изгибной жесткости за счет объемности формы позволяют в ряде случаев отказаться от стержневых несущих каркасов, передав все нагрузки на листовые поверхности ограждения.

Одной из наиболее массовых в настоящее время форм бескаркасных пространственных покрытий являются складчатые алюминиевые конструкции, которые просты в изготовлении, удовлетворяют требованиям серийного производства и образуют законченные пространственные формы зданий и сооружений. В основе таких конструкций лежат ромбические или лоткообразные элементы типа панелей. Примером складчатой бескаркасной пространственной конструкции может служить разработанное в Укрпроектстальконструкции сборно-разборное здание складского назначения. Здание образуется двумя Г-образными полурамами из листового алюминиевого сплава, профилированного в треугольные складки с высотой профиля 300 мм либо четырьмя прямолинейными отрезками складок. При общем пролете 12 м толщина листа складчатого покрытия составила 1,5 мм. При некотором видоизменении складок и небольшом утолщении листа конструкциями такого типа можно перекрывать пролеты 18—24 и более метров. Сборно-разборные многоцелевые здания из алюминиевых складчатых элементов уже широко внедряются в строительстве предприятий гражданской авиации, в складском и сельскохозяйственном строительстве.

В зарубежной практике в качестве ангаров, зданий ремонтных мастерских и складов используются сборные своды пролетом до 40 м из тонкого стального листа. Такие оболочки собирают на болтах из лотковых элементов с выштампованными поперечными гофрами, обеспечивающими местную устойчивость тонкостенного профиля. С внутренней стороны ограждающей поверхности, при необходимости, наклеивается эффективный утеплитель.

Несущая способность складчатых конструкций может быть увеличена за счет двухстенчатых элементов. Совместная работа двух листовых поверхностей достигается специальными соединительными вставками либо введением в межстенчатую полость вспенивающихся пенопластовых композиций. Образованная таким образом трехслойная складка одновременно обеспечивает теплоизоляцию ограждаемого пространства. В Венгрии разработаны сводчатые производственные и складские помещения пролетом 24 и 40 м с несущим пространственным ограждением из двух слоев гофрированного алюминия.