Металлоконструкции в архитектуре » Конструкции, активные по вектору. Пространственные стержневые системы

Стержень как конструктивный элемент может быть вариативно расположен в пространстве. Так из стержней можно образовывать пространственные регулярные и нерегулярные направленные несущие системы. Такие пространственные системы работают в разных плоскостях и используются в качестве основных несущих конструкций, способных перекрывать большие пролеты, имея при этом эффектный внешний вид.

Классификация пространственных стержневых систем

Согласно принятой классификации несущих систем, пространственные стержневые системы являются активными по вектору разложения внешнего силового потока. Они распределяют дискретно усилия внутри системы, заземляя их потом на опоры.

Сила, приложенная к любому узлу пространственной системы и свободно направленная, вызывает усилия в первую очередь в элементах, которые непосредственно примыкают к этому узлу, то есть пространственную реакцию всей системы, что похоже на реакцию сплошной среды.

По конструктивной схеме пространственные системы в основном различают как конструкции, развитые из плоскости, перекрестные фермы, а также однослойные и двухслойные стержневые структурные оболочки.

Развитые из плоскости фермы по типу сечения могут быть трехгранными, четырехгранными и многогранными. Наибольшее распространение получили первые два типа. При этом образование трехгранных ферм происходит за счет развития верхнего пояса, что увеличивает несущую способность и жесткость пролетной конструкции. Ферменные конструкции также могут быть выгнуты по образующей, и создавать замкнутые контуры.

Перекрестно стержневые конструкции образуются пересечением плоских ферм в двух, трех и более направлениях. Такие системы имеют достаточно большую строительную высоту, но позволяют покрывать различные по форме планы, пересекаясь как под прямым, так и под другими углами, образуя соответственно прямоугольные, треугольные и другие в плане ячейки.

Они нашли применение в тех случаях, когда постановка промежуточных опор на плане здания не представляется возможной, но требуется соблюсти плоскостность покрытия. Также перекрестные системы дают хорошую возможность вертикального обустройства между фермами лестниц, лифтов, коммуникаций и световых фонарей.

Расположение соединенных в узлах стержней в один уровень формирует однослойные стержневые оболочки. Основным достоинством таких конструкций является возможность покрытия практически любых поверхностей. Жесткость и прочность стержневых оболочек регулируется частотой сетки разбивки.

Одним из интересных подвидов однослойных стержневых оболочек являются стержневые складчатые конструкции. Они имеют ограниченное применение из-за пониженной рациональности конструктивной формы и образования снеговых мешков. В то же время такие конструкции являются эффективными, когда внутренний объем должен иметь регулярную складчатую фактуру исходя из архитектурных или функциональных требований. Двухслойные оболочки образуются путем соединения двух стержневых уровней регулярными промежуточными соединительными элементами.

Полученные системы могут быть локализированы в виде плит, оболочек, складок и т. д. любой конфигурации, и способны перекрывать большие пролеты, имея при этом значительную жесткость и светопроницаемость.

Такие конструкции также принято называть структурными или же сокращенно «структурами». Для обеспечения геометрической неизменяемости, пространственные стержни объединяют в пирамиды, которые могут иметь квадратное, треугольное или шестиугольное основание. Соответственно структуры могут быть построены на основе пентаэдров, тетраэдров или гептаэдров.

Основными преимуществами однослойных и двухслойных стержневых структурных конструкций, благодаря которым они нашли широкое применение, являются:

  • Архитектурная выразительность и гибкость в использовании относительно создания различных конструктивных форм, адаптивность в перепланировке.
  • Высокая пространственная жесткость, несущая способность и надежность.
  • Свобода планировочных решений и возможность формирования открытого функционального пространства.
  • Унификация и типизация элементов за счет регулярности их расположения.
  • Индустриальность изготовления и возможность поставки на место строительства поэлементно малогабаритным транспортом.
  • Технологичность сборки и монтаж укрупненными блоками, а также мобильность.

    Недостатками структур является повышенная трудоемкость изготовления узлов и металлоёмкость по сравнению с традиционными решениями быстровозводимых зданий. Вместе с тем структурные конструкции остаются единственно возможным решением для ряда архитектурных и особенных условий строительства.

    Основы проектирования пространственных стержневых систем

    Элементы развитых из плоскости и перекрестных ферм рассчитывают так же, как и плоских на растяжение и устойчивость, с учетом пространственного распределения усилий. Перекрестные фермы воспринимают силовой вектор как единые стержневые плиты. Конструкция и применимость таких систем определяется в основном пролетом, действующими нагрузками и возможной строительной высотой.

    Размер стороны поясной ячейки в покрытиях небольшого пролета обычно принимают 1,2-3 м, а в большепролетных – 6-12 м. Перекрестные фермы имеют обычно соотношение строительной высоты к пролету h/l = 1/15-1/30.

    Применяемые типы сечений при этом такие же, как и в обычных фермах. Однослойные стержневые структуры, как правило, выполняются из круглых труб, либо чаще – из гнутосварных замкнутых профилей прямоугольного сечения. Из-за пониженной жесткости однослойные стержневые оболочки перекрывают пролеты в основном до 20-30 м.

    При расчете обычно считают, что структурные покрытия имеют шарнирные примыкания в узлах. Поэтому их элементы рассчитывают только на центральное растяжение или устойчивость при сжатии в зависимости от действующих усилий. Также проверяют максимально допустимые прогибы всей конструкции.

    Структурные конструкции не имеют характерных для традиционных решений связей, поскольку обладают общей пространственной жесткостью. Двухслойные стержневые структуры обеспечивают повышенную жесткость и унификацию элементов получаемых конструкций. Для структур рекомендуется соотношение строительной высоты к пролету h/l = 1/20-1/40. Это позволяет значительно уменьшить эксплуатационные затраты в отапливаемых помещениях.

    С другой стороны, значительное уменьшение высоты структур приводит к квадратичному возрастанию количества элементов и узлов, что вызывает дополнительные трудозатраты в изготовлении и монтаже. Поскольку элементы пространственных стержневых покрытий, как правило, по условиям закрепления должны соответствовать требованиям равноустойчивости во всех плоскостях, для них используют сечения из круглых горячекатаных или прямошовных электросварных труб.

    Чтобы обеспечить работу структур по вектору, внешний силовой поток должен быть концентрирован только в узлах. Это не всегда возможно, так как в традиционных решениях профилированный настил должен опираться по всей плоскости несущей конструкции. Из-за этого могут применяться дополнительные прогоны, передающие нагрузки точно в узлы структур.

    Следует заметить, что применение прогонов практически нивелирует эффективность структурных покрытий. Поэтому применяют комбинированные конструкции, в которых верхний пояс является неразрезным из гнутосварных замкнутых профилей и воспринимает поперечные усилия.

    Структурные конструкции, как и все многосвязные системы, имеют значительную живучесть – способность не разрушаться и сохранять основные эксплуатационные качества при исключении из работы некоторых элементов за счет перераспределения усилий. Таким образом, структуры хорошо защищены от опасности прогрессирующего разрушения, когда конструкция разрушается из-за одного элемента по принципу домино.

    Большое значение в проектировании пространственных стержневых систем играет тип опирания. В зависимости от действующих усилий, различают три типа опор пространственных систем:

  • Точечные опоры на колонны со стержневыми капителями или без них.
  • Множественные опоры с помощью рядов колонн или ветвей колонн.
  • Опирание на подстропильные конструкции либо сплошные стены.

    Одной из наибольших из существующих структур является покрытие пассажирского терминала аэропорта Тайпей (Китай) с размерами в плане 210х170 м. В нем применены колонны со стержневыми капителями, переходящими в покрытие.

    На рис. показан пример системы перекрестных ферм с треугольной ячейкой, организованной над пешеходной улицей, с опиранием на существующие здания.

    Пространственные стержневые системы как конструктивный инструмент архитектурной формы

    Пространственные стержневые системы дают значительные возможности для достижения высокой архитектурной выразительности. Они нашли применение во многих отраслях народного хозяйства – как покрытия выставочных, торговых залов, спортивных стадионов; как перекрытия многоэтажных быстровозводимых зданий и конструкции атриумов, кинотеатров, отелей, оранжерей и т. д.

    Как пример можно привести современный летний амфитеатр «Славянский базар» в г. Витебск (Беларусь), который имеет пространственное структурное покрытие сложной формы с размерами в плане 110х60 м и ячейкой поясов 3х3 м. Светопрозрачное покрытие выполнено из тонированного поликарбоната, закрепленного к верхнему поясу.

    Футбольный стадион в г. Донецке перекрыт структурным покрытием MERO-TSK по консольным фермам с переменным вылетом от 16 до 57 м, что создает его характерную узнаваемую форму.

    В целом применение стержневых оболочек в современных условиях высокой автоматизации, контроля проектирования и изготовления конструкций позволяет создавать самые разнообразные и смелые формы, иногда поражающие воображение.

    Структурные конструкции применяют также в качестве крупных стеновых блоков. Использование замкнутых квадратных профилей и труб в структурных конструкциях также выгодно с архитектурной точки зрения, так как они могут сохранять постоянный наружный габарит, изменяя характеристики путем варьирования толщины стенки в зависимости от действующих усилий.