Покрытие складками и оболочками нулевой гауссовой кривизны. 11.2.1. Конструкции

Покрытия складками и оболочками нулевой гауссовой кривизны применяют для перекрытия пролетов от 12 до 60м. Наиболее распространены конструкции пролетами от 12 до 36 м. (в сборном варианте - до 24-30 м). При пролетах 24 м и более такие кон­струкции для повышения жесткости и трещи но сто и кости проектируют предварительно напряженными, размещая напряженную арматуру в бортовых элементах оболочек или ендовах складчатого покрытия.

Конструкция оболочки или складки содержит собственно оболочку (тонкостен­ную, ломаную или изогнутую плиту), работа которой под нагрузкой аналогична работе балки с криволинейным {треугольным, трапецеидальным) сечением, бортовые продоль­ные элементы и диафрагмы. Бортовые элементы работают па восприятие основных рас­тягивающих усилий в пролете. В железобетонных пространственных конструкциях именно в бортовых элементах размещена основная арматура. Назначение диафрагм -обеспечить неизменяемость поперечного сечения конструкции - избежать ее "распрям­ления" под нагрузкой (поперечного распора). Различают длинные (цилиндрические, ко­ноидальные) оболочки и короткие. Короткие - изогнуты в направлении свободного про­лета, работают как свод, в связи с чем ее форма соответствует кривой давления в своде.

Геометрические параметры и их соотношения в конструкциях длинных оболочек и складок детально исследованы, установлены также границы изменения расхода мате­риалов на конструкцию при изменении пролета (табл. 11.1).

Архитектурно-строительные задачи - устройство верхнего света, выбор разрезки конструкции на сборные элементы, а также архитектурно-функциональные задачи -увязка формы покрытия с формой плана - решают в покрытиях оболочками и складка­ми различно, что требует их индивидуального рассмотрения.

Складчатые конструкции (рис.П.2) применяют чаще, чем оболочки в связи с большей технологичностью формы. Применяют треугольную, трапецеидальную и ше-довую форму складок в монолитном и сборном вариантах. Сборные складки монтируют из плоских, 2, У-образных или трапецеидальных элементов. Последний тип сечения сборных элементов наиболее предпочтителен, так как при одинаковой высоте обладает большим моментом инерции.

Преимуществом У-образных и трапецеидальных изделий является также возмож­ность устройства вдоль стыка верхних плит складки вставок из плоских плит, расширя­ющих покрытие, либо продольных фонарей. Применение таких вставок обеспечивает сокращение расхода материалов и труда на устройство кровли, возможность скрытого размещения инженерных систем (воздуховоды, электропроводка и пр.), уменьшение об­разования снежных мешков на покрытии, но сопровождается увеличением расхода кон­струкционных материалов.

Неизменяемость формы складчатой конструкции обеспечивают различно: плос­кими поперечными стенками - диафрагмами, фермами, арками, рамами, затяжками, Г-, Т- или У-образными колоннами.

Наряду с основным типом покрытия, состоящего из параллельных складок еди­ного очертания, применяют покрытия веерными или встречными складками. Парал­лельные и встречные складки применяют в покрытиях залов с прямоугольным планом, веерные - с трапецеидальным или криволинейным.

Многоскладчатые покрытия часто выполняют с консольным свесом за грань на­ружных стен. Консольный свес формирует активный профиль венчания здания и слу­жит стационарным солнцезащитным средством, как, например, в здании Курского вок­зала в Москве.

Конструкцию складок применяют не только для покрытий, но и для стен общест­венных зданий, главным образом - для высоких стен в целях обеспечения их жесткости и устойчивости.

Совместное применение складчатых конструкций для стен и покрытий может осуществляться с шарнирным или жестким сопряжением между ними. В последнем случае образуется пространственная распорная рамная конструкция. Наиболее извест­ным примером применения такой конструкции является здание залов заседаний ком­плекса ЮНЕСКО в Париже (архитекторы М.Брейер и Б.Зерфюсс, инженер П.-Л. Нер-ви), перекрытое двухпролетной складчатой рамой.

Покрытия длинными цилиндрическими оболочками проектируют одно- и много­волновыми, одно- и многопролетными, сборными и монолитными (рис.11.3.).

В много пролетных оболочках на опорах применяются единые для смежных про­летов диафрагмы жесткости, в многоволновых - единые бортовые элементы.

Таблица 1Ы. Основные характеристики железобетонных конструкций складок и длинных цилиндрических оболочек.

Температурно-деформационные швы в многоволновых или много складчатых многопролетных покрытиях устраивают по длине покрытия на парных колоннах между парными диафрагмами жесткости, по ширине покрытия — между парными бортовыми элементами.

В покрытиях многоволновыми оболочками могут быть применены диафрагмы жесткости различного типа, из балок-стенок постоянной или переменной высоты, арок с затяжками или сегментных ферм. Последние наиболее экономичны, в связи с чем их широко применяют в многоволновых покрытиях промышленных зданий. В обществен­ных зданиях при отсутствии подвесных потолков по архитектурным требованиям чаще используют диафрагмы рамного или балочного типа. Фонари верхнего света устраива­ют вдоль шелыги свода, усиливая контур фонарного проема в оболочке ребрами и до­полнительным армированием. Систему многоволнового покрытия залов с прямоуголь­ной формой плана выполняют из цилиндрических оболочек. При трапецеидальной фор­ме прибегают к веерной системе многоволнового свода-оболочки с формой поверхнос­ти покрытия из длинных усеченных коноидов.

Форму покрытия часто выявляют на фасаде здания, как и при складчатых конст­рукциях, консолируя часть оболочки за грань наружных стен. Вместо глухой диафраг­мы в плоскости наружных стен в этих случаях размещают

затяжку, устраивая между ней и оболочкой светопроемы для верхнебокового освещения, а консоль используют в каче­стве солнцезащитного козырька над светопроемами в наружной стене.

В сборных конструкциях оболочек применяют разрезку на криволинейные или плоские элементы (рис.11. 3).

11.2.2. Ком поз иции

Как любая новая конструкция, тонкостенные складчатые и оболочковые конст­рукции сначала отпугивают зодчего, а затем начинают достаточно широко, но не всегда осмысленно применяться. Находки и ошибки в этой области легко проследить, сопос­тавив два примера - вышеупомянутое здание залов заседаний ЮНЕСКО в Париже (ар­хитекторы М.Брейер, Б.Зерфюсс, инженер П.-Л.Нерви) и концертный зал префектуры Гумма в г.Таказаки в Японии (архитектор А.Рейнольде). Оба здания перекрыты склад­чатыми пространственными рамами: первое - двухпролетной со складками, располо­женными осями вдоль залов, во втором - однопролетной, с расположением осей скла­док поперек зала (рис. 11.4. и П.5.).

В композиции здания конференц-залов ЮНЕСКО решающая роль принадлежит двухпролетной складчатой железобетонной раме, пространственной конструкции, кото­рая образует несущие наружные стены и покрытие залов. Таким образом, складчатая ра­ма совмещает функции несушей и ограждающей конструкции здания, формирует его фасады и интерьеры. Хотя ко времени строительства комплекса ЮНЕСКО складчатые конструкции были хорошо изучены и применялись не один десяток лет, они оставались несвободны от ряда архитектурно-ком позиционных недостатков: форма складок сугубо жестка и геометрична, а их масштаб, обычно совпадающий с масштабом объемной фор­мы здания в целом, в интерьере оказывается излишне крупным. Нерви преодолел эти недостатки, применив несущую конструкцию в виде двухпролетной рамы с монолитной диафрагмой жесткости. Диафрагма жесткости, располагающаяся со стороны сжатого сечения складок, меняет свое расположение зеркально по отношению к эпюре момен­тов в раме. Благодаря этому, Нерви получил предусмотренный композиционный эффект. Диафрагма, в связи с ее переменным положением, позволила в большом конференц-за­ле уменьшать и менять глубину складок, что очень оживляет форму, лишая ее сухой ге­ометричности.

В малом зале, размещенном во внешней зоне меньшего пролета рамы, сжатая зо­на конструкции покрытия полностью проходит по низу. Соответственно в интерьере- ма­лого зала, масштабу которого размеры складок не соответствуют, они не выявлены, но криволинейная поверхность диафрагмы, образующей потолок зала, придает индивиду­альный характер его интерьеру.

Принципиально иначе решил концертный зал А.Рейнольде. Однопролетная складчатая рама придает внешнему облику здания (особенно его боковым фасадам) крупный масштаб и монументальность. Однако, в интерьере зала они выглядят излиш­не громоздкими, грубыми, немасштабными. Одновременно они существенно ухудшили акустические качества зала, приводя к неравномерной интенсивности звуковой энергии в пространстве зала.

В отличие от рассмотренных примеров совместного применения складок для стен и покрытий, гораздо чаще их применяют только либо для покрытий, либо для стен. Примеры складчатых покрытий с параллельными, веерными и встречными складками для общественных зданий даны на рис.П.6. Часто складчатую конструкцию выносят за грань наружных стен, создавая выразительное завершение здания (здание Курского вок­зала в Москве). Но если в последнем случае за грань несущих стен продолжены кон-сольно те же параллельные складки, которыми перекрыт интерьер, то в общественной пристройке к телевизионной башне в Берлине складчатое покрытие из параллельных складок выходит за грань наружных стен четырьмя треугольными в плане, веерными приподнятыми вверх или опущенными вниз консолями, что придает динамизм компо­зиции в целом.

Складчатые стены применяют в композициях высоких объектов, чтобы наиболее экономично обеспечить устойчивость высоких, не раскрепленных перекрытиями стен, и одновременно придать зданию выразительную объемную форму. Наиболее известны­ми в связи с этим стали храмы с высокими складчатыми железобетонными стенами в гг. Алжире и Руайане (инженер Р.Саржер).

Применение стальных складчатых конструкций в крупных общественных здани­ях началось с 1970гг., и здесь ведущая роль принадлежит архитектуре советскою пави­льона на всемирной выставке Эксло-70 в Осаке - рис. 11.7. В основу композиции был по­ложен символ развернутого знамени. Здание имело криволинейную форму плана и переменную высоту - от 20 до 100 м (вершина древка знамени). В плоскости главного сада была применена каркасно-связевая система, облицованная красными металли кими панелями, устойчивость которой из плоскости поддерживалась складчатым крытием, переходящим в противоположную стену из стальных складок переменной бины (инженер А.Кондратьев).

Дальнейшее применение стальных складчатых конструкций в крупных общест­венных зданиях падает на 1980-1990гг. и связано с развитием архитектуры стиля хай-тек, ориентированного на выявление эстетических качеств металлических конструк­ций. Наиболее известным примером применения стальной складчатой конструкции в архитектуре крупного общественного здания стиля хай-тек стал Конгресс-холл в Бер­лине. Архитектурная композиция здания - крупномасштабна, фермы - диафрагмы жест­кости складчатого покрытия выполнены с присущим хай-теку нарочитым преувеличе­нием габаритов (рис. 11.7.).

Длинные цилиндрические железобетонные ободочки системы "Цейс-Дивидаг" изобретены инженерами Бауерсфельдом и Дишингером в 1920гг. и впервые применены для покрытия здания рынка в Будапеште в 1927г. Однако их архитектурно-композици­онные особенности не выявлены на фасаде здания. Более успешным в архитектурно-композиционном отношении стало применение многоволновых длинных и коротких оболочек в консольных козырьках стадионов в Мадриде, Картахене, Боготе (рис. 11.§., а-в), а в зданиях - при консолировании выноса покрытия за грань наружного ограждения -. 118 г чЛ

Достаточно широко многоволновые покрытия длинными цилиндрическими ше-довыми и коноидальными оболочками применялись в строительстве одноэтажных про­мышленных зданий. Однако, несмотря на более пластичную форму, чем у складчатых конструкций, их весьма редко применяют в проектировании крупных общественных зданий. Во всяком случае, современная архитектурно-строительная практика еще не да­ла с их применением примеров таких значительных архитектурных решений, которые возникли на основе эстетических возможностей складчатых конструкций. В то же вре­мя их эстетический потенциал не менее значителен, что можно видеть по разнообраз­ным нереализованным проектным решениям (рис.11.9., 11.10).

П. 3. Распорные конструкции

Среди распорных конструкций покрытий жесткими оболочками двоякой кривиз­ны наибольшее распространение получили своды, купола, пологие оболочки положи­тельной и отрицательной гауссовой кривизны и различные сочетания названных форм в комбинированную конструкцию. При этом только своды и купола имеют многовеко­вую историю. Остальные созданы в 20в.

II.3.1. Своды

II.3.1.1. Конструкция

•

Своды применяют преимущественно для покрытий прямоугольных в плане по­мещений. Эти конструкции представляют собой современную интерпретацию класси­ческих каменных сводов (рис. 11.11.). С переходом к железобетону, армоцементу, метал­лу - материалам, прочность которых существенно выше, чем у каменной кладки, оказа-

лось возможным значительно увеличить величины перекрываемых пролетов при тонко­стенной несущей конструкции. Однако при больших пролетах и нагрузках в работаю­щей преимущественно на сжатие тонкостенной

конструкции свода, возможна местная потеря устойчивости. Поэтому тонкостенные своды редко проектируют гладкими. Для повышения устойчивости своду придают специальную профилировку (волнистую, складчатую) в направлении, перпендикулярном пролету.

Впервые волнистый железобетонный свод, как это часто бывает, был применен для производственного здания-ангара в Орли в 1916г. Автор - инженер Фрейсинэ при­менил высокую параболическую форму свода с трапецеидальным сечением его волн-арок, перекрыв пролет в 80 м, а между отдельными волнами разместил светопроемы. В гражданских зданиях применение волнистых сводов и с характерной для них малой стрелой подъема началось в 1940 гг..

Уникальным остался отечественный опыт возведения тонкостенных кирпичных сводов (в 1/4 кирпича) двоякой кривизны, применявшихся в 1940-1945гг. для перекры­тия пролетов свыше 20 м в зданиях различного назначения (конструкции инженера А.И.Рабиновича).

Во второй половине 20 в. сформировались современные геометрические параме­тры тонкостенных сводов из бетона, армоцемента, деревянных или металлических кон­струкций. Ширина волны (складки) составляет менее 1/4 пролета свода. Волнистый (складчатый, бочарный) свод имеет аналогичные аркам условия статической работы и одинаковые расчетно-конструктивные схемы. Очертание свода проектируют по дуге ок­ружности, цепной линии или параболе. Последняя является предпочтительной, особен­но при больших пролетах. Стрела подъема свода - 1/5 - 1/10 пролета.Это обстоятельство отличает современные конструкции сводов от традиционных каменных, стрела подъема которых близка к 1/2. Сечение волн железобетонных сводов - криволинейное • по ок­ружности (бочарный евод), по параболе, складчатое с треугольными или трапецеидаль­ными складками. При очень больших пролетах свода - 150 м и более - для повышения его устойчивости применяют двойные волнистые оболочки, раскрепленные диафрагма­ми (рис.II.12.)

Распор от сводов так же, как и в арочных покрытиях, передают на фундаменты, затяжки, контрфорсы, несущие конструкции смежных помещений, обстраивающие зал, перекрытый сводом (рис.П.13.).

Повторяемость элементов волнистого свода способствует индустриальное™ его возведения с использованием сборных элементов, как для конструкции свода, так и для инвентарной опалубки. Разработаны типовые конструкции сборно-монолитных волни­стых и складчатых сводов для пролегав 18-36 м.

Сборные конструкции волнистых сводов монтируют из отдельных плоских или криволинейных плит 3x6 м с укрупнительной сборкой на месте строительства в волну свода либо из укрупненных фрагментов волн - панелей оболочек (панелей-складок). В уникальных зданиях сборно-монолитные своды применены для пролетов до 95 м.

Сборные волны-оболочки соединяют друг с другом сваркой по закладным дета­лям или арматурными выпусками, расположенными с шагом, равным ширине волны и замоноличиванием швов.

Передача нагрузки от сборного волнистого свода на опорные конструкции осу­ществляется через специальные опорные балки, тип сечения которых назначают в зави­симости от величины пролета - сплошное при пролетах до 24 м, сквозное или коробча­тое - при пролетах большей величины.

Грань опорного элемента, примыкающую к своду, располагают в плоскости, пер­пендикулярной касательной к поверхности свода у опоры. Волнистые сборные своды выполняют по возможности с максимальной заводской готовностью, включая заводское утепление и гидроизоляцию сборных элементов.

Деформационные швы по длине свода устраивают через 40-50 м и заполняют их упругими прокладками. Примыкающие к шву волны усиливают поперечными диафраг­мами, а край волны - продольным ребром. Для исключения протечек кровли по шву сты­ки волн поднимают над кровлей специальными стенками, перекрывают стальным на­шел ьником-компенсатором.

В сводах пролетом более 40м свободу температурно-влажностных деформаций обеспечивают за счет свободных горизонтальных перемещений одной из опор свода.

В местах примыкания свода к торцовым стенам здания или пересечения этих стен с устройством карнизного свеса между сводом и стеной предусматривают зазор в 50 мм, заполненный упругими прокладками (рис.11.14.).

Геометрическая форма волнистого свода обеспечивает естественную организа­цию наружного водоотвода. Однако при сборной конструкции свода опорный элемент может создавать преграду водостоку. Во избежание застоя воды и протечек по стыку свода с опорным элементом устраивают забутку между волнами.

Рис. 11.14. Волнистые своды из сборных элементов:

А - варианты конструкций сборных панелей-оболочек; Б - детали покрытия; а - примыкание к парапету; б -

к карнизу; в - к торцовой стене; г, д - деформационные швы; 1 - бортовой элемент; 2 - связи: 3 - затяжка; 4 -

шов скольжения; 5 - нащелышк - компенсатор.и

Естественное освещение залов проектируют верхним или верхнебоковым. Уст­ройства верхнего света могут быть запроектированы с применением продольных или поперечных фонарей или отдельных светопроемов.

При устройстве в сборно-монолитном (складчатом) своде продольных фонарей панели-оболочки, расположенные в его зоне, заменяют горизонтальными железобетон­ными опорными рамами фонаря или стекложелезобетонными панелями.

Поперечные фонари монтируют между установленными с разрывом на ширину фонаря смежными волнами свода. При этом примыкающие к фонарю волны должны быть усилены на восприятие кручения от краевой нагрузки фонарем и связаны между Собой распорками или раскосами. В складчатых сводах светопроемы устраивают в бо­ковых наклонных стенках.

При устройстве световых проемов в монолитных волнистых сводах ослабление сечения компенсируют контурными и промежуточными (при длинных фонарях) арми­рованными ребрами. Ширину проема назначают не более 0,4 ширины волны.

Отдельные мелкие проемы (с наибольшим размером до! 5 толшин оболочки сво­да) могут свободно располагаться по поверхности свода. Форму проема следует назна­чать круглой или равносторонней многоугольной.

Боковое освещение наиболее удачно решается при опирании свода на отдельные опоры с устройством между ними витражей. В случаях, когда свод опирается непосред­ственно на фундамент, для бокового освещения в своде устраивают распалубки.

Волнистые и складчатые своды чаще всего применяют в архитектурной компози­ции прямоугольных в плане зданий: выставок, плавательных бассейнов, теннисных кор­тов, а также крытых рынков и производственных зданий.

П.3.1.2. Композиция

Классическим примером удачного композиционного решения общественного здания с покрытием волнистым сводом в течение десятилетий служит выставочный па­вильон в Турине, построенный в 1948-1949гг. по проекту П.-Л.Нерви (рис. 11.15.).

Зал перекрыт очень пологим (стрела подъема меньше 1/5) сборно-монолитным сводом. Оставляемой опалубкой свода и основным средством архитектурных членений в интерьере зала служат армоцементные У-образные элементы (ширина • 2,5м, длина -4,5м, высота - 1,45м, толщина - 5см), снабженные поперечными ребрами жесткости. Расположенные в боковых стенках волн светопроемы свода дают равномерное естест­венное освещение по всей ширине (95,1м.) зала. Широко используя однотипные сбор­ные элементы, П.-Л.Нерви никогда не допускает монотонности. Так и в Туринском зале он прибегает к двойному масштабу архитектурных членений. Большая часть поверхно­сти свода имеет мелкие членения, но в нижней зоне ребра свода собраны в пучки по три ребра, переходящие в общую наклонную (проходящую по касательной к кривой свода) опору. Использован и контраст освещенности между пронизанной светом центральной зоной и малой освещенностью зоны наклонных опор. Композиция зала решена очень удачно в архитектурном и конструктивном отношении. Зал поднят над землей - установ­лен на перекрытии высокого (5 м) первого этажа. Это дает возможность залу главенст­вовать в объемной композиции здания и скрыть затяжки свода в перекрытии. Боковая обстройка зала двумя этажами вспомогательных помещений позволила частично раз­грузить свод и исключить из интерьера зала наименее выгодные участки возле опор сво-

Наряду с большепролетными сооружениями, покрытия которых в новейших тон­костенных конструкциях повторяют историческую форму цилиндрических сводов, вто­рое рождение в новых конструкциях и материалах переживают более сложные формы классических сводов - крестовые и сомкнутые.

Событиями стали архитектурные решения двух объектов различных олимпиад -ледового стадиона в Гренобле арх. А. Гюшар и спортивно-концертного комплекса в Ере­ване (рис.И.16). Оба сооружения имеют квадратный план и покрыты тонкостенными стрельчатыми крестовыми железобетонными сводами. Но на этом сходство объектов кончается. Крытый каток в Гренобле имеет в плане размеры 100x100 м и пролет покры­тия - 91 м. Для повышения жесткости конструкции лотки свода выполнены из двойных волнистых оболочек толщиной по 6 см каждая. Вся конструкция оперта на четыре точ­ки, причем на каждую из них оперты по две двухслойных оболочки. Распор покрытия воспринимает связывающая фундаменты опор затяжка. В зданиях такого большого про­лета остро стоит проблема устройства верхнего света. В Гренобле она решена совсем не тривиально. В конструкции крестового свода здесь не предусмотрены общие жесткие ребра по линии сопряжения лотков, обеспечивающих их совместную работу. Напротив, каждый из лотков работает самостоятельно, по линии их возможного сопряжения пре­дусмотрен разрыв, заполненный свегопрозрачными конструкциями верхнего света. В Ереванском здании верхний свет обеспечивают зенитные фонари; гладкие одинарные оболочки лотков объединены по линиям пересечения жесткими ребрами.

Систему тонкостенных крестовых сводов применяют как в виде одиночной, так и в комплексной форме. Характерный пример - комплекс из трех тонкостенных крестовых железобетонных сводов покрытия прямоугольного в плане здания аэровокза­ла в Сан-Луисе архитекторов Ямасаки и Лейнвебера.

Уникальным, как по форме сооружения, так и по его габаритам, является здание Центра науки и техники, построенное в Париже в 1959г. по проекту инженера Н.Эскил-лана. Оно имеет план равностороннего треугольника и перекрыто трехлотковым сомк­нутым волнистым сводом, опертым на три точки. Распор свода воспринимают предна-пряженные затяжки, связывающие его три пяты и размещенные под полом, а вертикаль­ные нагрузки - скальное основание (рис.11.18.). Конструкция волнистого свода - двой­ная, состоит из двух тонкостенных железобетонных оболочек, раскрепленных диафраг­мами. Приведенная толщина этой грандиозной конструкции - всего 13см на 1 кв.м пло­щади пола. К недостаткам композиции можно отнести отсутствие верхнего света. Гран­диозные витражи по трем сторонам здания дают крайне неравномерное естественное освещение интерьера. В композиционном отношении известным недостатком является отсутствие масштабности - в грандиозных витражах и своде отсутствуют сомасштаб-ные человеку членения. К сожалению, после постройки на искусственных платформах нового многофункционального района Дефанс, расположенное на его территории зда­ние Центра частично ушло под верхнюю платформу и его объем визуально полностью не воспринимается (рис.11.18.).

II.3.2. Купола 11.3.2,1, Конструкция

Купола, наряду со сводами, являются второй древней конструкцией, переживши второе рождение в 20в.

Замена каменных конструкций куполов тонкостенными железобетонными или стальными радикально изменила все геометрические параметры купола: предельны пролет, стрелу подъема, отношение толщины купола к пролету.

Со 2 в. нашей эры до 20 в. предельной величиной пролета купола оставална 42 м (Пантеон в Риме). Но уже на первом этапе внедрения железобетонных конструк­ций был построен купол пролетом 65 м (1913 г. - Зал столетия во Вроцлаве), а в серед» не века - 100 м (1959 г. - Большой олимпийский дворец спорта в Риме), разработаны проекты железобетонных куполов пролетом 150 м, осуществлены стальные купола с пролетом около 200 м, например, покрытие стадиона в Хьюстоне диаметром 193 м (1964 г.) Наконец, с применением пленочно-тентовых конструкций удалось возвести ку­пол диаметром 400 м (Зал Миллениум в Лондоне - 2000 г.).

Резко изменилось отношение толщины оболочки купола к его диаметру благода­ря высокой прочности новых материалов. Если в каменных куполах это соотношение колебалось в пределах 1/10 • 1/12, то в пространственных тонкостенных железобетон­ных оболочках с пролетом до 150 м оно составляет 1/600- 1/800, и вес современных ку­польных

конструкций составляет 3-4% от веса исторических каменных куполов. Малая массивность новых купольных конструкций сильно сказалась на их внешнем облике. Каменные купола проектировались с очень большой стрелой подъема, чтобы умень­шить величину распора и обеспечить устойчивость каменной кладки. В современных конструкциях в связи с их малой массой величина распора пропорционально сущест­венно меньше, а монолитность бетона (как и "сплошность" стальных стержней) практически исключает случайное обрушение конструкции при возведении. Соответст­венно отличительной особенностью современных куполов является их весьма пологая форма. Это не только представляет собой новое эстетическое явление, но и меняет экономичность перекрываемых зданий. Благодаря пологости купола резко сокращается размер подкупольного пространства, соответственно уменьшается стоимость объекта, приведенный расход материалов покрытия на 1 кв.м. пола перекрываемого зала и экс­плуатационные расходы. В то же время и сейчас в соответствии с композиционными и функциональными требованиями (например, для здания планетария) купол может быть запроектирован с высокой стрелой подъема.

Современные формы купольных оболочек весьма разнообразны. Помимо тради­ционных форм гладких куполов с поверхностями тела вращения - фрагменты сферы, эл­липсоида, параболоида или коноида в практику вошли купона со своеобразной формой поверхности (волнистой или складчатой, иногда называемой зонтичной). Так же как и в волнистых сводах, такое усложнение поверхности купола может быть продиктовано конструктивными, функциональными или композиционными требованиями. Л именно - требованиями повышения устойчивости тонкой, сжатой оболочки, лучшей организа­ции естественного освещения подкупольного пространств или необходимостью при­дать зданию индивидуальный выразительный облик. Традиционно верхний свет в под-купольном пространстве дает фонарная надстройка над его верхним кольцом. Но воз­можно предусмотреть устройство верхнего света через венок распалубок над нижним кольцом (рис.11.19.)

Купола проектируют из железобетона, металла, дерева или пластмасс. При этом наибольшее распространение получили стальные и железобетонные купола.

Уникальные конструкции тонкостенных гладких и ребристых пологих (с отноше­нием стрелы к диаметру 1/7) деревянных куполов пролетом 28 и 33 м были возведены в СССР в начале 30-х гг. К сожалению, они применялись в промышленных сооружени­ях: для покрытия газгольдеров, вращающихся печей и пр., мало привлекающих внима­ние архитектурной общественности. Поэтому этот опыт не был в должной мере оценен и воспринят последующим поколением специалистов. Основная конструктивная форма современных куполов - тонкостенные оболочки (гладкие или Граненые), ребристые, ре­бристо-кольцевые с решетчатыми связями и сетчатые. Последние три формы характер­ны для стальных конструкций. Железобетонные купола проектируют монолитными или сборными. Купола-оболочки содержат собственно оболочку, опорное растянутое кольцо и (при устройстве верхнего света) верхнее сжатое.

Купола-оболочки чаще всего проектируют гладкими монолитными. В случае не­обходимости применить сборно-монолитную конструкцию купол собирают из плоских или цилиндрических плит. Ребристые крупноразмерные цилиндрические плиты имеют длину на половину пролета и трапецеидальную форму в плане. Опорные кольца таких куполов - из сборных железобетонных или стальных прокатных замоноличиваемых профилей.

Сборные конструкции купола из плоских плит получают членением поверхнос­ти по меридианам и параллелям с образованием по высоте купола нескольких ярусов трапециевидных плит. Поскольку купол при этом членится на значительное число не­больших плит, их проектируют плоскими, при этом поверхность купола после сборки представляет собой многогранник, вписанный в проектную криволинейную поверх­ность.

Для безопалубочного монтажа применяют конструкции сборных куполов так на­зываемой навесной сборки. Купол членен на кольцевые и меридиональные ярусы. Пли­ты имеют плоскую форму и ребристую

конструкцию. Каждая из плит располагается в двух ярусах, что позволяет вести навесной монтаж (рис. 11.20.) за счет защемления плит.

Ребристые купола содержат установленные по радиусам криволинейные или пря­молинейные ребра, нижнее и верхнее кольца. При прямолинейных ребрах образуется купол конической формы, при криволинейных - в виде полуарок - сферических или па-раболоидных (рис.11.21.6). Оригинально решение ребристого купола собора в г.Брази-лиа (архитектор О.Нимейер, инженер Ж.Кардозу), ребра которого имеют вогнутую фор­му (рис. 11.21.а). При этом сжатое кольцо размещено в месте максимального выгиба ре­бер. Поверхность купола между ребрами заполнена тонированным армированным стек­лом, а нижнее опорное кольцо лежит практически на земле. При этом пол храма распо­ложен ниже уровня земли. Таким образом, над уровнем поверхности земли возвышает­ся только купол

Собора.

Ребристо-кольцевые сборные купола применяют при пролетах до 70 м, они со­стоят из ребер-пол у арок, горизонтальных кольцевых балок, криволинейных плит и опорных колец (нижнего и верхнего). Сборные элементы заполнения ячеек ребристо-кольцевых куполов могут быть выполнены со сплошной плитой, плитой со световым отверстием, или бет плиты - со светопрозрачным заполнением между ребрами. В по­следнем случае для обеспечения устойчивости конструкции ребра через шаг объединяют связями.

Сборные элементы соединяют с опорным кольцом и между собой сваркой за­кладных деталей (арматурных выпусков) и замоноличиванием швов.

Металлические купола проектируют ребристыми, ребристо-кольцевыми или сет­чатыми. При этом в ребристых куполах (в отличие от железобетонных) не менее, чем в двух секторах устанавливают связи жесткости по наружным поясам ребер, а для устрой­ства кровли по ребрам устанавливают прогоны.

Ребристо-кольцевые купола содержат помимо радиальных ребер горизонтальные кольца, работающие не только на изгиб от кровли, но и на продольные усилия, как эле­мент пространственной фермы. Еще большую жесткость несущей системе придает ус­тановка диагональных стержней в каждой трапецеидальной ячейке купола (купол Шведлера).

Сетчатые купола имеют каркас из пространственной стержневой системы с тре­угольными ячейками.

Разновидности сетчатых куполов определяются схемой построения сеток на сфе­рической поверхности купола (рис.11.22.).

Широкую известность получили металлические конструкции так называемого геодезического купола Б.Фуллера. По геометрии они представляют собой сборную кон­струкцию из серии однотипных стержневых или плоскостных многогранников. Назва­ние геодезической эта конструкция получила в связи с тем, что в ней узлы сопряжения сборных элементов располагаются на горизонталях сферической поверхности, в то вре­мя как сам купол представляет собой многогранник, вписанный в сферу.

Наименее трудоемкой является конструкция сетчатых пластинчато-стержневых (панельных) куполов. Их собирают из отдельных алюминиевых изогнутых панелей из листов толщиной 2-4 мм. Отбортованные ребра панелей совместно с дополнительными стержневыми элементами образуют каркас купола. Панели объединяют на болтах. Са­мостоятельный вариант пластинчато-сетчатой конструкции купола разработан МАрхИ (проф.Туполев М.С.). При всей легкости сетчатых купольных конструкций им присущ общий недостаток - большая стрела подъема, приблизительно равная половине диамет­ра купола. Помимо экономических недостатков большая стрела подъема способствует ухудшению пространственной акустики в перекрываемом зале из-за фокусировки отра­женных звуковых волн. В этом отношении акустические преимущества пологих желе­зобетонных куполов, поверхность которых имеет очень большой радиус кривизны, пре­вышающий в 2-3 раза высоту зала, бесспорна.

Волнистые и складчатые купола. Волнистые железобетонные и складчатые купо­ла проектируют монолитными или сборно-монолитными ич сопряженных сегментов оболочек-волн (коноидальпых, синусоидальных, параболоидных). Пролеты таких купо­лов - 60-80м. Элементы складчатых куполов из складки прямолинейной, выпуклой или вогнутой формы выполняют в стальных или железобетонных конструкциях.

При большем, чем в гладких куполах, расходе материалов, волнистая (складча­тая) конструкция обладает рядом преимуществ: благодаря открытым наружным торцам волн обеспечивается полноценное естественное верхнебоковое освещение внутренних пространств, а выразительная объемная форма конструкции обогащает композицию фа­садов и интерьера здания. Торцы волн-оболочек могут выходить за пределы опорного кольца, иметь вертикальную или наклонную плоскость среза. Консольный вынос волн часто служит стационарным солнцезащитным устройством для проемов или витражей в наружных стенах.

Характерный пример сборно-монолитной складчатой железобетонной конструк­ции купола с распалубками - покрытие Даниловского рынка в Москве, складчатой ме­таллической конструкции купола - покрытие здания цирка на ул. Вернадского там же.

Естественное освещение залов, перекрытых куполами, в соответствии с назначе­нием зала, проектируют верхним или верхнебоковым. В сборных ребристых куполах проемы устраивают в центральной части сборных элементов заполнения. Боковое осве­щение предусматривают через витражи, вмонтированные между колоннами, поддержи­вающими опорное кольцо, через проемы в торцах волн или складок волнистых куполов, либо в распалубках.

11 .3.2.2. Композиция