Конструкции с криволинейными арочными формами дают значительные возможности для достижения архитектурной выразительности, особенно в случае, если стены и кровля объединены единым конструктивным решением, которое позволяет устранить визуальную границу перехода между ними. Кроме эстетической привлекательности, арочная форма позволяет максимально использовать все полезное внутреннее пространство, минимизируя разницу между функциональным и строительным объемом здания. Малая строительная высота и визуальная «легкость» арок позволяет не только придавать архитектурно выразительный внешний вид зданиям, но и обеспечить внутреннее естественное освещение на необходимом уровне.
Арочные конструкции это несущие системы стальных конструкций быстровозводимых зданий, активные по поверхности.
Арки представляют собой несущие конструкции положительной кривизны, взаимодействующие с внешним силовым потоком всей своей поверхностью. Арочные конструкции классифицируют в основном по их абрису, статической схеме и способу восприятия распора.
Классификация арочных конструкций
По абрису главный тип арочных конструкций – параболические, но также они могут иметь форму части окружности, переменный радиус кривизны или даже форму цепной линии, состоящей из множественных сопряженных линейных элементов. Благодаря этому арочные конструкции позволяют достичь высокой архитектурной выразительности с прозрачной демонстрацией конструктивного принципа работы и широко применяются в различных типах быстровозводимых зданий. С точки зрения конструктивной схемы аналогично рамам выделяют двух-, трех- и бесшарнирные арочные конструкции. Фактически арки получаются из криволинейных балок путем закрепления обеих опор в неподвижные и вспарушивания продольной оси. Из-за этого в арках возникают распорные усилия. Передача распора возможна на фундаменты или колонны-контрфорсы, а также на иные примыкающие конструкции, способные его воспринять.
Альтернативой является применение затяжек, которые, работая на растяжение, замыкают усилия внутри арочной конструкции, но значительно увеличивают строительную высоту. Одним из решений, позволяющих избежать этого, является пропуск затяжек в железобетонных коробах в подпольном пространстве ниже функционального объема конструкции, однако следует помнить, что такое решение требует специальных конструктивных мер, допускающих ревизию канатов затяжек, и ограничивает нагрузки на пол.
Особенности проектирования арочных конструкций
В арочных конструкциях действуют как преобладающие сжимающие, так и поперечные усилия, а кроме того изгибающие моменты. Поэтому арки рассчитывают по предельным состояниям первой группы на прочность при изгибе и сжатии с изгибом, устойчивость в своей плоскости и из плоскости. Отдельные сварные элементы сплошностенчатых арок из листов требуют также проверки местной устойчивости. Арочные конструкции в основном имеют значительную жесткость, однако для пологих арок покрытий быстровозводимых зданий уделяется особое внимание к вертикальным перемещениям, так как они могут приводить к изменению расчетной схемы и непредвиденному «прощелкиванию» арки вниз. Сплошностенчатые арки выполняются из прокатных двутавровых профилей или элементов трубчатого замкнутого сечения путем гибки в разогретом состоянии на заводе. Поскольку при изгибе элемент подвергается пластическим деформациям, радиус гиба технологически ограничен, и такой способ изготовления арок не годится для профилей большого сечения.
В таблице приведены рекомендуемые минимальные радиусы изгиба для некоторых профилей относительно их главных осей. Ограничения радиусов накладываются конструктивными и технологическими возможностями. Следует помнить, что в рамках одного типоразмера некоторые более толстостенные профили могут иметь меньший радиус изгиба по сравнению с тонкостенными. Также при конструктивной или архитектурной необходимости, выгибание элементов может быть с переменным радиусом.
Изгиб, как правило, осуществляют путем холодной гибки, при которой элемент пропускается через стан из роликовых катков. Катки имеют специальную конструкцию и расположение, соответствующее обрабатываемому профилю. Они обеспечивают настраиваемый радиус изгиба и не допускают потери местной устойчивости элементов сечения. Толстостенные и массивные профили могут быть предварительно подвергнуты локальному индукционному нагреву для обеспечения более плавных и точных контуров изгиба. Следует иметь в виду, что в местах изгиба остаются напряжения, и сталь профилей самоупрочняется, выбирая площадку текучести – получается так называемый наклеп. Это приводит к ухудшению работы элементов и повышению риска растрескивания при организации сварных узлов.
Для элементов из стали повышенной прочности или ответственного назначения в системе каркаса здания радиус гибки изменяют в сторону увеличения. Чтобы получить арочные профили большего сечения, их разбивают на прямолинейные участки, которые свариваются между собой. Еще более эффективным способом может быть изготовление стенок сварных профилей путем фигурного вырезания из листа стали. Полки при этом все равно подвергаются изгибу перед приваркой в цельное сечение, однако это технологически приемлемо из-за их малого сопротивления изгибу. Сквозные арки имеют решетчатую конструкцию или могут быть организованы с помощью перфорированных профилей. Также арочными могут быть сплошные, континуальные конструкции, которые организовывают из металлических профилированных листов. Как было указано выше, конструктивной особенностью арочных конструкций является наличие наружных горизонтальных усилий распора. При восприятии распорных усилий при помощи затяжек последние выполняются из прокатных стальных элементов либо канатов и требуют обязательного предварительного натяжения для выбирания начальных провисаний и включения в работу. Поэтому арочные конструкции с затяжкой применяются, как правило, при пролетах не более 20 м.
На рис. показаны примеры арочных покрытий над новыми и существующими зданиями, что позволяет легко организовывать атриумы и пассажи. Усилия распора при этом воспринимают каркасы быстровозводимых зданий, работающие как пространственные опоры.
Следует помнить, что если опирание арок происходит на существующие здания, может понадобится усиление их каркаса.
Арочные конструкции как конструктивный инструмент архитектурной формы
Одним из современных примеров, показывающих характерную эффективность использования арок с затяжкой, служит 10-этажное здание Broadgate (г. Лондон), в котором расположен вход станции метро Liverpool Street. Необходимость обеспечения максимального пространства для пассажиропотока привела к отказу от колонн во входной группе здания, из-за чего был применен арочный аутригер с нижней контурной балкой в виде затяжки и V-образной подвеской. Колонны крепятся к арке в точках пересечения, обеспечивая передачу усилий и раскрепление арки из плоскости. На рис. показан более простой пример применения параболических арок в качестве основных несущих конструкций пожарной части. Шаг арок в каркасе подобран с учетом технологических требований, чтобы обеспечить беспрепятственный заезд пожарных машин.