Плескань Т. А.

Иркутский национальный исследовательский университет, Россия

Обзорный анализ конструкций строительных оболочек и их классификация

Введение

С точки зрения архитектуры, оболочки – это конструктивный элемент, позволяющий воплотить сложные и неординарные архитектурные формы. Оболочки используются для перекрытия больших площадей без промежуточных опор, что позволяет проектировать здания максимально рационально и экономично. С их помощью достигается надежность и изящество конструкции, гармоничность и выразительность формы.

В архитектурной практике используются выпуклые, висячие, сетчатые и мембранные оболочки из железобетона, металлов, древесины, полимерных, тканых и композиционных материалов. Оболочки представляют собой большой интерес для архитекторов и конструкторов.

Так, в процессе проектирования концепции реставрации художественного музея в г. Иркутске, возникла идея организации пространства внутреннего двора музейного комплекса с помощью навесов-оболочек. Встал вопрос об эксплуатировании оболочек, особенностях их проектирования, а также возможности оболочек осуществлять дополнительные функции. Планируются такие дополнительные функции, как освещение, организация экспозиционного уличного пространства, использование конструкции в качестве малых архитектурных форм.

Целью данного исследования является анализ рациональности использования оболочек в качестве пространственно-организующего элемента.

Развитие конструкции оболочек

С точки зрения строительной механики, оболочка – это тело, ограниченное двумя поверхностями, расстояние между которыми (толщина оболочки) мало по сравнению с другими его размерами.

Они позволяют перекрывать значительные пространства без использования внутренних опор, а только за счет самонесущих свойств самой конструкции. При этом жесткость оболочек достигается за счет геометрии конструкции при инженерных расчетах, без увеличения массы материала.

Существуют сетчатые перекрытия-оболочки, башни-оболочки и сложные сетчатые аморфные конструкции. А также, особо выделяют оболочки вращения – цилиндрические, сферические, конические, торообразные и т. д., которые вследствие ряда неоспоримых преимуществ наиболее часто используются в конструктивных решениях.

В 1896 году российский инженер-архитектор В. Г. Шухов изобрел и запатентовал три вида сетчатых несущих оболочек (висячие, выпуклые и башни-оболочки), а также разработал основы теории оболочек. Однако, из-за сложностей расчета, высоких требований к качеству материала и технологическому обеспечению, перекрытия-оболочки стали широко применяться только к концу ХХ века. В. Г. Шухов использовал стальные сетчатые гиперплоидные оболочки с ромбовидной несущей решеткой.

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.

Для Всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде В. Г. Шухов построил восемь гигантских павильонов с первыми в мире перекрытиями в виде сетчатых оболочек и первую в мире ажурную сетчатую башню-оболочку удивительной красоты. Она была куплена после выставки меценатом Ю.С.Нечаевым-Мальцовым и перенесена в его имение Полибино (Липецкая область), где сохранилась до настоящего времени. Главной особенностью оболочек Шухова является использование гиперболоидных форм, следствием чего является возможность собирать их из длинных прямолинейных элементов, не имеющих переломов.

Уникальным был отечественный опыт исследования, разработки и применения в строительстве длинных тонкостенных деревянных цилиндрических сводов-оболочек. Начиная с 1931 г, они применялись в одно- и много волновых покрытиях производственных зданий пролетом до 45 м, уступив с 1934г. место более технологичным ребристым сводам-оболочкам покрытий промышленных зданий пролетом до 100м.

Большой вклад во внедрение несущих сетчатых оболочек в мировую архитектуру внесли такие знаменитые архитекторы, как: Бакминстер Фуллер, Норман Фостер, Фрэнк Гери, Николас Гримшоу, Сантьяго Калатрава. Полное признание и широкое распространение в прогрессивной архитектуре сетчатые оболочки получили в течение последних двух десятилетий благодаря внедрению компьютеров в практику расчёта конструкций и появлению новых строительных материалов и технологий. В XXI веке сетчатые оболочки стали одним из главных средств формообразования авангардных зданий, включая небоскрёбы и шедевры стиля "хай-тек".

В строительной практике железобетонные несущие оболочки, несколько аварий, которых произошли в России в последние годы, постепенно вытесняются сетчатыми несущими оболочками. Стальные сетчатые оболочки зданий и сооружений эксплуатируются в российском климате безаварийно, а сетчатые оболочки В. Г. Шухова не разрушаются без защиты от коррозии 70-100 лет.

Основным отличием современных сетчатых оболочек от гиперболоидных конструкций В. Г. Шухова является использование узловых соединений, в результате чего конструкция собирается из сравнительно коротких элементов, сходящихся в узлах. Пояса башен такой конструкции имеют ломаную форму, а не прямую, как у Шуховских.

Классификация

При всем разнообразии конструкций наиболее приемлемой является их классификация по типу статической работы – безраспорной или распорной (рис.1) Такая классификация представляется убедительной, так как совпадает с классификацией геометрических форм оболочек. Естественно, как и любая другая, классификация, данная на табл.1 обобщает и упрощает явление, не учитывает возможных вариантов конструирования. Например, применив в здании безраспорные складчатые покрытия и стены и жестко объединив их друг с другом, мы получаем пространственную рамную, а следовательно, распорную конструкцию.

Безраспорные конструкции:

1. относятся складки;

2. оболочки нулевой гауссовой кривизны – цилиндрические, коноидальные.

Распорные конструкции:

1. своды (гладкие, волнистые, складчатые, сомкнутые и крестовые)

2. купола (с различной геометрией поверхности) на круглом или эллиптическом плане

3. пологие оболочки на многоугольном плане (положительной и отрицательной кривизны)

4. комбинированные (составные) из фрагментов оболочек одинаковой или разной кривизны.

Особенностью конструкций из тонкостенных оболочек и складок, по образному выражению П.-Л.Нерви то обстоятельство, что их "несущая способность является функцией их геометрической формы". Изменение кривизны оболочки и ее стрелы подъема меняет ее жесткость без увеличения расхода материала. Правильный выбор геометрической формы обеспечивает работу большей части сечения конструкции на осевые усилия (сжатие), оставляя работу на растяжение и сдвиг специальным фрагментам конструкции - диафрагмам жесткости, опорным кольцам и бортовым элементам. Все это определяет, помимо оригинальной формы пространственных конструкций, их экономичность, возрастающую с увеличением перекрываемых пролетов.

Говоря о функциях оболочек, нельзя не назвать усиленно разрабатываемые в последнее время конструкции, обладающие заданными свойствами по отношению к окружающей среде: полупроницаемые мембраны, самоподстраивающиеся оболочки.

В подавляющем большинстве случаев четкого разделения функций, выполняемых оболочкой, дать нельзя. Оболочки — структуры с явно выраженными тенденциями к совмещению функций конструкций, и это их лучшая аттестация.

Литература

1. Каталог пространственных конструкций, рекомендованных для общественных зданий с большими пролетами. – Л.: Стройиздат, 1977

2. Современные пространственные конструкции (железобетон, металл, дерево, пластмассы) / Под ред. Ю.А. Дыховичного и Э. З. Жуковского. – М.: Высшая школа, 1991

3. Диссертация на тему: «Нелинейные параметрические колебания оболочек нулевой и гауссовой кривизны». – кандидат физико-математических наук О. С. Бакашкина, 2004