Просторові несучі конструкції

При проектуванні і зведенні будівель із|із| зальними приміщеннями|помешканнями| виникає комплекс складних архітектурних і інженерних завдань|задач|. Для створення|створіння| комфортних умов у залі, забезпечення вимог технології, акустики, ізоляції його від інших приміщень|помешкань| і навколишнього середовища визначального значення набуває конструкція покриття залу. Знання математичних законів формоутворення дозволило створювати|чинити| складні геометричні побудови|шикування| покриттів (парабол, гіпербол тощо) з використанням принципу довільного плану.

У сучасній архітектурі формоутворення архітектурних об’єктів є|з'являється,являється| результатом розвитку двох тенденцій: вільного планування, що забезпечує каркасна конструктивна система, і довільного планування, яке вимагає конструктивної системи, що дозволяє організувати весь об’єм|обсяг| будівлі, а не тільки|лише| планувальну структуру.

Зал — це основне композиційне ядро більшості громадських будівель. Конфігурація плану, що найбільш часто зустрічається, — прямокутник, круг|коло|, квадрат, еліпсовидні| і підковоподібні плани, рідше трапецієвидні. При виборі конструкцій покриття залу вирішальне|ухвальне| значення має необхідність пов’язати зал із зовнішнім світом за допомогою відкритих|відчинених| засклених поверхонь або навпаки повністю ізолювати його. Простір, звільнений|визволений| від опор, перекритий великопрольотною конструкцією, додає|наділяє,надає| будівлі емоційної|емоціональну| і пластичної виразності.

Великопрольотні конструкції покриттів з’явилися|появилися| ще в стародавні|древні| часи. Це були кам’яні куполи і склепіння|склепіння,зводи|, дерев’яні крокви|стропила|. Так, наприклад, кам’яне склепінчасте| покриття Пантеону в Римі (1125) мало діаметр близько 44 м, купол мечеті Айя-Софія в Стамбулі (537) — 32 м, купол Флорентійського собору (1436) — 42 м, купол Верховної Ради|поради| в Кремлі (1787) — 22,5 м. Будівельна техніка того часу не дозволяла будувати в камені легкі споруди, т|спорудження|, т,, ому великопрольотні кам’яні споруди|спорудження| відрізнялися великою масивністю, а самі споруди|спорудження| зводилися|підносилися| протягом багатьох десятиліть.

Дерев’яні будівельні конструкції були дешевшими і простішими в зведенні|піднесенні|, ніж кам’яні, що давало можливість|спроможність| перекривати також великі прольоти. Прикладом|зразком| можуть служити дерев’яні конструкції покриття будівлі колишнього Манежу в Москві (1812), прольотом 30 м.

Розвиток чорної металургії в XVIII–XIX ст|. надав будівельникам|будівникам| матеріали міцніші, ніж камінь та дерево, — чавун і сталь. У другій половині XIX ст. великопрольотні металеві конструкції набувають|отримують| широкого застосування|вживання|.

Наприкінці|у кінці,наприкінці| XVIII ст. з’явився|появився| новий матеріал для великопрольотних будівель — залізобетон. Вдосконалення залізобетонних конструкцій у XX ст. призвело до появи тонкостінних просторових конструкцій: оболонок, складок, куполів тощо. З’явилася|появилася| теорія розрахунку і конструювання тонкостінних покриттів, в якій взяли участь і вітчизняні вчені. У другій половині XX ст. широко застосовуються висячі покриття, а також пневматичні й стрижневі|стержневі| системи.

Застосування|вживання| великопрольотних конструкцій дає можливість|спроможність| максимально використовувати міцнісні якості матеріалу і одержати|отримати| за рахунок цього легкі й економічні покриття.

Зменшення маси конструкцій і споруд|споруджень| є|з'являється,являється| однією з основних тенденцій в будівництві. Зменшення маси означає зменшення об'єму|обсягу| матеріалу, його здобичі|видобутку|, переробки, транспортування і монтажу. Тому цілком|сповна| природним є інтерес, який виникає у|в,біля| будівельників|будівників| і архітекторів до нових форм конструкцій, що дає особливо великий ефект у покриттях.

Так, маса залізобетонного ребристого покриття при порівняно невеликих прольотах складає 400–500 кг/м² площі, що підлягає перекриттю|майдани|; маса залізобетонних оболонок при прольотах 40–50 м складає близько 300 кг/м²; маса полегшених покриттів по металевих конструкціях при тих же прольотах знижується до 50–100 кг/м²; маса пневматичних конструкцій всього лише 2–5 кг/м². Великопрольотні конструкції покриттів можна поділити за їх статичною роботою на дві основні групи систем великопрольотних покриттів:

– площинні (балки, ферми, рами, арки);

– просторові (оболонки, складки, висячі системи, перехресно-стрижневі|стержневі| або решітчасті системи тощо).

Балкові, рамні і аркові площинні системи великопрольотних покриттів проектуються звичайно без урахування спільної роботи всіх несучих елементів, оскільки|тому що| окремі плоскі диски з`єднуються один з|із| одним порівняно слабкими|слабими| зв'язками, не здатними|здібними| істотно|суттєво| розподілити навантаження. Ця обставина природно призводить|призводить,наводить| до збільшення маси конструкцій.

За матеріалом, вживаним для виготовлення великопролітних конструкцій, їх розділяють на дерев’яні, металеві і залізобетонні.

Дерев’яні конструкції. Деревина має високі|добрі| несучі властивості (розрахунковий опір сосни на стиснення|стискування| і вигин|згин| 130–150 кг/м²) і малу об’ємну масу (для повітряно-сухої сосни 500 кг/м³). Існує думка, що дерев’яні конструкції недовговічні. ДійсноЄ при поганій якості робіт|догляді| дерев’яні конструкції можуть дуже швидко вийти з ладу|строю,буд| через пошкодження деревини різними грибками і комахами. Основним правилом для збереження|зберігання| дерев’яних конструкцій є|з'являється,являється| створення|створіння| умов для їх вентиляції або провітрювання. Важливо|поважно| також забезпечити сушку деревини перед її застосуванням|вживанням| в будівництві. У даний час|нині| деревообробна промисловість може забезпечити ефективну сушку сучасними методами, зокрема струмами|токами| високої частоти тощо.

Поліпшення|покращання| біологічної стійкості деревини легко досягається за допомогою давно розроблених і освоєних методів просочення її різними ефективно діючими антисептиками.

Ще частіше виникають заперечення проти|супроти| використання деревини з міркувань пожежної безпеки. Проте|однак| дотримання елементарних правил протипожежної безпеки і нагляду за спорудами|спорудженнями|, а також використання відповідних речовин|, що підвищують вогнестійкість деревини, дозволяє вирішувати цю проблему. Як приклад|зразок| довговічності дерев’яних конструкцій можна привести згадуваний вже Манеж в Москві, якому більше 180 років, шпиль в Адміралтействі в Санкт-Петербурзі заввишки близько 72 м, побудований|споруджений| в 1738 р., сторожову башту|вежу| в Якутську, зведену|піднесену| близько 300 років тому, багато дерев’яних церков у Володимирі, Суздалі, Кижах та інших містах і селах Північної Росії, що налічують|нараховувати| декілька сторіч|століття|.

Металеві конструкції, головним чином сталеві, застосовуються широко. Їхні переваги: висока міцність, відносно невелика маса. Недоліком|нестачею| сталевих конструкцій є|з'являється,являється| схильність до корозії і низька пожежна стійкість (втрата несучої здатності|здібності| при високих температурах). Для боротьби з|із| корозією сталевих конструкцій існує багато засобів|коштів|: забарвлення|фарбування|, покриття полімерними плівками тощо. В цілях пожежної безпеки важливі сталеві конструкції можна забетонувати| або здійснити набризк| на поверхню сталевих конструкцій теплостійких бетонних сумішей.

Залізобетонні конструкції не схильні до гниття, ржавння, володіють високою пожежною стійкістю, але|та| вони важкі|тяжкі|. Тому при виборі матеріалу для великопрольотних конструкцій необхідно віддавати перевагу тому матеріалу, який в конкретних умовах будівництва найкращим чином відповідає поставленому завданню|задачі|.

Будь-яка будівельна конструкція — матеріальна, має три виміри, а значить є просторовою. При цьому всі розглянуті раніше конструктивні системи (стійково-балкова, кам’яна склепінна, каркасна, із V-подібними опорами), працюють як площинні. Це означає, що при інженерних розрахунках на різні види навантажень ці просторові системи розкладаються на окремі площинні елементи — стійки, балки, стропила, камені, колони, ферти, ригелі тощо. На відміну від цих систем, особливостями так званих просторових несучих конструкцій є одночасна сумісна робота всіх елементів і просторова жорсткість як вирішальний фактор формоутворення. Головний принцип роботи складних просторових систем — розподілення міцного матеріалу, що сприймає навантаження, за лініями головних напружень. Природні конструктивні форми (гриб, яйце, лист, раковина тощо) зазвичай мають просторову побудову. Серед предметів побуту (посуд, ложка, колесо, електрична лампочка, човен тощо) здавна існують прототипи просторових несучих конструкцій. Натомість єдиним історичним праобразом таких систем у будівництві можна вважати тонкостінні глиняні склепіння Стародавнього Сходу. Для всіх просторових систем характерна одночасна спільна робота просторових елементів у різних площинах.

Основні види просторових конструкцій у сучасному будівництві:

1. Просторові решітчасті конструкції, які складаються з великої кількості окремих стрижнів, що піддаються дії повздовжніх зусиль, тобто розтягу та стисканню. Стрижні просторово розкріплюють один одного.

2. Складчасті конструкції, несуча здатність яких поясню-ється наявністю складок із плоских плит. Ці плити сприймають у своїй площині зусилля розтягу, стискання й зсуву, а в поперечному напрямку — згинаючий момент.

3. Оболонки — несучі конструкції з просторово викривлених поверхонь, матеріал яких в ідеальному випадку піддається дії нормальних зусиль і зусиль зсуву, але не зусиль згину.

4. Висячі покриття, що складаються з тросів (вантів), тросових сіток, тканини чи тонких листів. Вони працюють тільки на розтяг. Необхідні підтримуючі будівельні елементи, що мають сприймати зусилля стискання чи згину, є складовою частиною загальної конструктивної схеми.