Пространственные несущие конструкции
Любая строительная конструкция материальная и имеет три измерения, а значит является пространственной. При этом все рассмотренные раньше конструктивные системы (стіково-балочная, каменная сводовая, каркасная, с V-подобными сопротивлениями), работают как плоскостные. Это значит, что при инженерных расчетах на разные виды нагрузок эти пространственные системы как бы раскладываются на отдельные плоскостные элементы - стойки, балки, стропила, камни, колонны, ферти, ригели и тому подобное. В отличие от этих систем, особенностями так называемых пространственных несущих конструкций является одновременная совместимая работа всех элементов и пространственная жесткость как решающий фактор формообразования.
Главный принцип работы сложных пространственных систем - распределение крепкого материала, что воспринимает нагрузку, за линиями главных напряжений. Естественные конструктивные формы (гриб, яйцо, письмо, раковина и тому подобное) обычно имеют пространственное построение. Среди предметов быта (посуда, ложка, колесо, электрическая лампочка, лодка и тому подобное) издавна существуют прототипы пространственных несущих конструкций. Вместо этого единственным историческим праобразом таких систем в строительстве можно считать тонкостенные глиняные своды Древнего Востока. Для всех пространственных систем характерная одновременная совместная работа пространственных элементов в разных плоскостях.
Основные виды пространственных конструкций в современном строительстве:
1. Пространственные решетчатые конструкции, которые состоят из большого количества отдельных стержней, которые поддаются действию продольных усилий, то есть розтягу и сжиманию. Стержни пространственно раскрепляют один одного.
2. Складчатые конструкции, несущая способность которых объясняется наличием складок из плоских плит. Эти плиты воспринимают в своей плоскости усилия розтягу, сжимания и сдвига, а в поперечном направлении - сгибающий момент.
3. Оболочки - несущие конструкции из пространственно искривленных поверхностей, материал которых в идеальном случае поддается действию нормальных усилий и усилий сдвига, но не усилий изгиба.
4. Висячие покрытия, которые состоят из тросов (вантив), тросовых сеток, ткани или тонких писем. Они работают только на розтяг. Необходимые поддерживающие строительные элементы, которые должны воспринимать усилие сжимания или изгиба, является составной частью общей конструктивной схемы.
Тектоника пространственных решетчатых конструкций
Особенностью пространственных решетчатых конструкций является то, что они состоят из большого количества отдельных стержней, которые образуют жесткие системы, при этом стержне испытывают только продольные усилия сжимания и розтягу. Отдельные стержни соединяются один с одним под разными углами с помощью специальных соединительных элементов и в результате образуются пространственные решетки-структуры как прямолинейной, так и криволинейной формы. Такие конструкции имеют большую пространственную жесткость и позволяют перекрывать очень большие пролеты - 100-200 м. Важным свойством пространственных стержневых структур является способность приспосабливаться к разным нагрузкам путем перераспределения усилий на смежные зоны. Их преимуществом следует также считать возможность осуществления сборно-разборных решений. Тектоника формообразования заключается в полной открытости зрителю или выявлении структуры художественными средствами.
В США при возведении зданий и сооружений применяется система “Юнистрот”, разработанная на основе сборных деталей из профилируемых металлических рельсов (рис. 20). Расстояние между сопротивлениями равняется 12,5х12,5 м и может быть увеличена до 15х15 м.
Другим примером применения аналогичной системы в увеличенном масштабе является здание зала для сборов у Чикаго выдающегося архитектора Мисс Ван драл Рое (рис. 21).
Размеры здания в плане равняются 214х214 м при отсутствии внутренних опор. Конструктивная высота покрытия составляет приблизительно 9 м, а высота всего сооружения - 36,5 м. На фасаде здания отображенная внутреннее конструктивное содержание (мал.22, 2).
В Германии в свое время были созданы стержневые сооружения из стальных элементов в качествах каркасу, поддерживающего опалубку железобетонных сводов-оболочек (рис. 22 , 1). Архитектор Нерве воспользовался аналогичной системой, применив для этого железобетонные сборные детали, которые становились частью готового свода (рис. 22 2,3).
Всемирно-известными являются разработки американского инженера Фулера относительно сводки сводов пространственной конструкции с применением сборных элементов. Он считал, что такие системы имеют достаточную несущую способность относительно перекрытия больших помещений без опор при небольшом собственном весе конструкции. По проектам Фулера или в соответствии с его конструктивными идеями во всем мире построенное большое количество таких сводов (мал.23, 2).
Для выявления Фулер часто подвешивал к несущей конструкции изнутри кровельные письма из металла или пластмассы соответствующей формы.
Много залов для выставок, известное алюминиевое сводовое сооружение завода Форда в Детройте, а также интересны сооружения радарных установок являются примерами использования структуры и формы пространственной решетчатой конструкции.
Принципы работы коробчатых (конструктивная коробка-ящик имеет вид жесткого линейного контуру или состоит из соединенных между собой дошок-плит, которые работают в двух направлениях) и об’емно-блокових (большая конструктивная жесткость полностью или частично замкнутых прямоугольных чарунок, из которых монтируется здание) пространственных конструкций. Тектоника - в максимальном отображении на фасадах.