Пространственные конструкции из дерева и пластмасс

 

Важными свойствами пластмасс являются: относительно высокая прочность, водонепроницаемость, светопропускаемость, химическая стойкость, легкость формования и универсальность применения. В настоящее время пласт­массы применяют главным образом для ненесущих конструктивных эле­ментов.

В дальнейшем следует ожидать расширения области применения пластмасс и для несущих конструкций. Возможно создание как цельнопластмассовых несущих конструкций, так и конст­рукций из других материалов в сочетании с пластмассами.

Применение пластмасс может оказаться наиболее эффективным именно в пространственных конструкциях. Работы в этом направ­лении, ведущиеся во многих странах, не вышли еще из стадии экспери­ментов, тем не менее стало очевидным, что развитие высокоиндустриаль­ных методов производства конструкций из пластмасс безусловно обеспе­чивает широкую перспективу их применения

Жесткие конструкционные пластмассы.Эти материалы используют­ся главным образом для тонкостенных конструкций типа оболочек, а также для внешних слоев (обшивок) трехслойных конструкций. Наибо­лее широко применяются в конструкциях стеклопластики,главным обра­зом на основе полиэфирных, эпоксидных и фенольных смол. Их механи­ческие свойства в значительной степени определяются видом армирую­щегостекловолокнистого наполнителя и смолы (связующего).

Существенный недостаток стеклопластиков — относительно низкий модуль упругости, меняющийся для различных видов материала в до­вольно широких пределах. Следствием этого являются значительные деформации, которые необходимо учитывать, в частности, и в растянутых элементах конструкций. При постоянной нагрузке в мате­риале развиваются деформации ползучести. С течением времени под нагрузкой снижается и прочность материала, что следует учитывать при назначении допускаемых напряжений для стеклопластиков.

Жесткие пенопласты (полиуретановые, полистирольные, фенольные и др.) применяют главным образом для среднего слоя (заполнителя) трехслойных конструкций, а также для однослойных конструкций типа оболочек. Механические свойства этих материалов меняются в очень широких пределах; поэтому во всех случаях рекомендуются предвари­тельные испытания материала. Прочность и модуль упругости пенопла­стов весьма невелики. Вобщем более высокую прочность и жесткость имеют поливинилхлоридные, полиуретановые и эпоксидные пенопласты, а также поли­стирольные, вспениваемые в виде блоков, более низкую — фенольные пе­нопласты и полистирольные пенопласты, вспениваемые в полости кон­струкций.

 

Схемы деревянных несущих конструкций покрытия

(клееная балка, ферма, металлодеревянная ферма)

В некоторых случаях технико-экономический анализ подтверждает высокую эффективность применения деревянных конструкций.

В ряде производств с агрессивными средами, в покрытиях складов, гаражей, мастерских и др. использование клееных деревянных и клеефанерных конструкций, защищенных современными средствами от гниения и возгорания, позволяет снизить стоимость строительства и обеспечить высокую долговечность здания.

Разработаны несущие и ограждающие конструкции из клееной древесины для покрытий производственных зданий: клееные дощатые и клеефанерные балки, клееные сегментные металлодеревянные фермы, трехшарнирные арки, панели покрытий, а также оболочки и складки.

В металлодеревянных фермах элементы, работающие на сжатие, делают деревянными, а на растяжение – металлическими.

Широкое использование пространственных покрытий из дерева не совсем целесообразно по экономическим соображениям даже в богатых лесом странах.

 

Схема каркаса из гнутых (деревянных) рам

1- рама, 2 – клеефанерные плиты, 3 – связи

 

4 Пространственные составные конструкции

 

В мировой строительной практике применяются составные тонкостенные оболочки. Они образуются комбинированием отдельных фрагментов геометрических поверхностей, пересекающихся между собой. Каждый из элементов поверхности является составляющей оболочкой составного покрытия. Такими конструкциями перекрывают здания больших пролетов (24…150 м) с различной формой плана (рис. 4.1, 4.2).

Конструктивные решения составляющих оболочек аналогичны конструкциям отдельно стоящих оболочек при соблюдении определенных условий.

Отдельно стоящая оболочка очерчена по единой исходной геометрической поверхности без линий сопряжения и промежуточных опор. Такая оболочка может иметь произвольную форму плана, чаще всего прямоугольную, треугольную или трапециевидную. Отдельно стоящие оболочки используют при формообразовании составного покрытия. Конфигурация плана оболочек, составляющих покрытие, зависит от общей компоновки пространственной формы сооружения.

 

 

Рис. 4.1 Схемы составных оболочек:

а – с круглым; б – треугольным; в, г – прямоугольным;

д – многоугольным планом; 1 – составляющая оболочка; 2 – оболочка, очерченная по единой поверхности; 3 – центральная оболочка положительной гауссовой кривизны; 4,5 – кольцо и арки центрально-радиального каркаса; 6 – боковые оболочки основные; 7 – то же, дополняющие; 8 – контурный элемент; 9 – затяжка; 10 – опора; 11 – сборная плита

 

 

 

Рис. 4.2 Составные покрытия с жесткими элементами и висячие оболочки:

I – составляющие оболочки; II – составные оболочки купольного типа; III – составные висячие оболочки; а, б – нулевой; в, г – положительной;

д, е – отрицательной гауссовой кривизны; ж – с центральным элементом в виде оболочки положительной кривизны; з – с элементами в виде каркаса, занимающего в покрытии центрально-радиальное положение; и – отрицательной; к – положительной кривизны

 

Исходя из архитектуры фасада, контурными элементами могут служить арки с опиранием на фундаменты, воспринимающие распор, или арки с затяжками. В составных оболочках, опертых на колонны, чаще всего применяют контур в виде криволинейного ригеля.

Целесообразность применения определенных типов оболочек в каждом случае устанавливается с учетом функциональных и градостроительных требований, условий экономической эффективности, технологичности изготовления конструкций и возведения сооружений.

Составные покрытия используются в общественных и производственных зданиях различного назначения. Применение таких конструкций, как правило, экономически обосновано в промзданиях без опорных кранов или с подвесным подъемно-транспортным оборудованием грузоподъемностью до 5 т.

Конструктивные схемы составных покрытий.

Эволюция составных оболочек от традиционных крестовых и сомкнутых сводов до оболочек сложной формы стала возможной благодаря совершенствованию архитектурных проектов, развитию методов расчета, конструирования и возведения сооружений.

Составные оболочки с квадратным планом часто конструируют из оболочек положительной и отрицательной кривизны (рис. 4.3).

 

Рис. 4.3 Конструктивные схемы составных оболочек с квадратным планом:

а – план; б – покрытие с центральной и боковыми оболочками положительной

кривизны; в – то же, с центральной оболочкой положительной и боковыми

оболочками отрицательной кривизны

 

Ряд интересных конструктивных форм для зданий с многоугольным планом создают полигональные оболочки (рис. 4.4). Они образуются совокупностью составляющих элементов – оболочек, проекции которых являются секторами окружностей, где лежат вершины многоугольника-плана. Крестовые и сомкнутые своды на квадратном плане являются ранней модификацией полигональных оболочек. Составляющие оболочки могут иметь поверхность положительной, отрицательной или нулевой гауссовой кривизны и план треугольной или трапециевидной формы. Наличие центрально-радиального каркаса в виде пересекающихся арок позволяет выполнить технологический монтаж, обеспечить устойчивость и малую деформативность покрытия при больших – до 120 м – пролетах.

 

Рис. 4.4 Схемы составных полигональных оболочек:

а, б – с многоугольным; в – квадратным; г – прямоугольным;

д – вытянутым многоугольным; е – пятиугольным планом

 

 

Рациональным типом составных покрытий являются купольно-складчатые оболочки. Это конструкции, в верхней части которых располагаются элементы жесткости в виде центральной оболочки положительной кривизны или кольца, образующего световой проем, а в нижней – боковые складчатые оболочки, опертые по периметру (многоугольник, окружность, овал) на фундаменты или контрфорсы (рис. 4.5). Такие покрытияможно использовать при пролетах до 150 м. В сборном варианте предпочтительны конструктивные схемы, в которых применяются железобетонные цилиндрические плиты 3х6 м.

 

Рис. 4.5 Примеры составных купольно-складчатых оболочек

 

Особый вид представляют составные висячие покрытия. Они образуются сочетанием оболочек с различной геометрией поверхности и достаточно сложной формой плана с включением в работу ребер жесткости, контурных элементов, затяжек и др. Конструктивные схемы висячих покрытий получаются из схем полигональных оболочек (рис. 4.6). Их работа приближается к традиционным висячим конструкциям.

Многообразие конструктивных форм покрытий дополняют вспарушенные и висячие складки, которые сочетают преимущества составных оболочек и складчатых конструкций (рис. 4.7). Такие системы позволяют перекрывать пролеты до 150 м.

С целью увеличения несущей способности и пространственной жесткости создают покрытия, представляющие собой комбинации оболочек и составных складок (рис. 4.8). Комбинированные складчатые покрытия могут быть вспарушенного и висячего типа. Комбинированное покрытие в виде складки с криволинейными гранями – боковыми и торцевыми оболочками – может использоваться при пролетах 120…150 м.

 

 

 

Рис. 4.6 Схемы составных висячих покрытий:

а – оболочка с квадратным планом (1 – колонны; 2 – боковые оболочки отрицательной кривизны; 3 – ванты; 4 – центральные криволинейные ребра; 5 – центральная оболочка положительной кривизны; 6 – наружный контур покрытия; 7 – дополнительные тросы; 8 – распорки; 9 – плиты); б – оболочка центрической композиции (1 – радиальные несущие элементы – вантовые фермы; 2 – центральное кольцо; 3 – наружное полигональное кольцо; 4 – составляющая оболочка положительной кривизны); в, г, д, е – складчатые оболочки с радиальными вантами (1 – складчатая оболочка; 2 – опора; 3,4 – верхний и нижний пояса радиальных двухпоясных вант; 5.6 – внутренние и наружные кольцевые элементы; 7 – оболочки положительной кривизны)

 

Рис. 4.7 Схемы составных вспарушенных и висячих складчатых покрытий:

а – формообразование складчатых поверхностей из сборных цилиндрических

элементов; б, д – складчатые покрытия вспарушенного типа;

в, г, е, ж – соответственно, продольные и поперечные разрезы (варианты);

з – покрытие висячего типа с диагональными вантами

 

 

 

Рис. 4.8 Схемы комбинированных покрытий из оболочек и складок:

а – складчатое покрытие с центральным элементом купольного типа; б – покрытие висячего типа из складок и оболочек положительной и отрицательной

кривизны; в – то же, с линзообразными элементами; г – покрытие

с криволинейными гранями в виде боковых оболочек и варианты плана;

д – купольно-складчатое покрытие со складками висячего типа;

е,ж – покрытия висячего типа с трапециевидными и треугольными оболочками

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ МАТЕРИАЛА

 

  1. Какие существуют геометрические схемы ферм?
  2. Какие пролеты металлических, деревянных и железобетонных ферм целесообразны в покрытиях общественных зданий?
  3. Изобразите основные виды решетки стропильных ферм.
  4. Каковы очертания и конструктивные схемы арок?
  5. Какие конструкции покрытий называются тонкостенными пространственными; в чем их особенности?
  6. Назовите типы тонкостенных пространственных покрытий, применяемых в строительстве.
  7. Что представляют собой покрытия из волнистых (складчатых) сводов?
  8. Какие типы цилиндрических оболочек применяют в практике строительства?
  9. Каковы конструктивные особенности длинной цилиндрической оболочки?
  10. Какими признаками характеризуются короткие цилиндрические оболочки?
  11. Какие существуют типы складчатых покрытий?
  12. Как классифицируют купола?
  13. Приведите примеры архитектурно-конструктивных решений монолитных и сборных куполов.
  14. Как образуются оболочки положительной гауссовой кривизны на прямоугольном плане?
  15. Каковы способы образования оболочек отрицательной гауссовой кривизны (гипаров)?
  16. Какие типы составных пространственных конструкций могут применяться в практике строительства?

 

ЛИТЕРАТУРА

 

  1. СНиП 2.23.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции.
  2. СНиП II.23-81*. Стальные конструкции.
  3. СНиП II.25-80. Деревянные конструкции.
  4. Гельфонд А.Л. Архитектурное проектирование общественных зданий и сооружений: Учебник для вузов. Специальность «Архитектура»/ А.Л. Гельфонд. – М.: Издательство «Архитектура – С» , 2007. – с. 543., ил.
  5. Дятков С.В., Михеев А.П. Архитектура промышленных зданий. – 4-е изд., перераб. и доп. Учебник. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. – 560 с.
  6. Лебедева Н.В. Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции/Лебедева Н.В.: Учеб. пособие. – М.: «Архитектура-С», 2007. – 120с.
  7. Никонов Н.Н. Большепролетные покрытия. Анализ и оценка: Учебное пособие/ Н.Н. Никонов; Изд-во АСВ. – М.; 2000.- 400 стр., ил.
  8. Рюле Г. Пространственные покрытия (конструкции и методы возведения) Г. Рюле, Г. Аккеран, У. Бекман и др. Пер. с нем. – М., 1974. Т.2. Металл, пластмассы, керамика, дерево. – с. 200., ил.
  9. Демина А.В. Здания с большепролётными покрытиями. Учеб. Пособие. – Тамбов, 2003. – с.230., ил.
  10. Талапов В.В. Основы BIM: введение в информационное моделирование зданий. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 392 с., ил.
  11. Маклакова Т.Г., Нанасова С.М., Шарапенко В.Г., Балакина А.Е. Архитектура: Учебник. – М.: Издательство АСВ, 2004. – 464 с., ил.
  12. Трущев А.Г. Пространственные металлические конструкции: Учеб. пособие для вузов. – М.: Стройиздат, 1983. – с. 215., ил.
  13. Богданова Е.Н. Висячие конструкции покрытий. Зарубежный опыт. - Обзор/ВНИИИС. – М., 1980. – с. 145., ил.
  14. Файбишенко В.К. Большепролётные железобетонные конструкции. – М., 1981. –с.180., ил.
  15. Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции. – М., 1981.
  16. Трофимов В.И. Большепролетные пространственные покрытия из тонколистового алюминия. – М., 1975.
  17. Трущев А.Г Металлические конструкции одноэтажных зданий. Учебное пособие. Москва, МАРХИ, 1985. – 132 с., ил.

 

Учебное издание

 

Благиных Елена Анатольевна