Пространственные стержневые конструкции

Пространственные перекрестные стержневые системы являются одним из наиболее интересных и перспективных конструкций для применения в покрытиях и перекрытиях промышленных и общественных зданий. 

Перекрестные системы могут быть плитообразными, т.е. иметь пояса параллельными друг другу и горизонтальными, а могут быть и вспарушенными, т. е. по существу относиться к разнообразным стержневым оболочкам (рис. 1, 2 и 3). К перекрестным конструкциям относятся пространственно работающие перекрестные балки, фермы, рамы и арки.

Пространственные стержневые конструкции. Рисунок 1

Рис. 1.

Пространственные стержневые конструкции. Рисунок 2

Рис. 2.

Все эти архитектурно разнообразные конструкции уже нашли широкое применение в строительной практике как у нас в России, так и за рубежом. 

Особо следует отметить тот факт, что стержни пространственных конструкций могут быть выполнены не только из стали, но и из древесины. Это относится и к перекрестным клееным балкам прямоугольного сечения, которые нашли широчайшее применение особенно в современной Германии.

Пространственные стержневые конструкции. Рисунок 3. Оболочки и купола

Рис. 3. Оболочки и купола

Естественно, что перечисленное разнообразие конструктивных форм, породило очень большое многообразие конструктивных решений узлов.

Пространственные конструкции известны человечеству с древнейших времен. Шалаши, юрты давно применялись нашими предками. Сама природа в виде морских раковин, трав в виде зонтичных структур, жесткого панциря у черепах и т. п. направляет пытливую мысль человека на использование естественных природных преимуществ пространственных систем для целей строительства.

Преимущества пространственных конструкций можно сформулировать в нескольких основных тезисах:

  1. пространственность работы;
  2. надежность от внезапных разрушений;
  3. снижение строительной высоты;
  4. возможность перекрытия больших пролетов;
  5. свобода внутренней планировки;
  6. архитектурная выразительность;
  7. удобство размещений линий подвесного транспорта;
  8. высокая транспортабельность конструкций;
  9. возможность унификации элементов.

Имеется еще ряд преимуществ, связанных с быстротой возведения и высокой транспортабельностью, благодаря чему их выгодно применять в труднодоступных и удаленных районах нашей страны.

Пространственность работы конструкции позволяет выгодно ее применять при больших сосредоточенных нагрузках, особенно при воздействии подвижных сосредоточенных сил. 

При этом строительная высота покрытия или перекрытия может быть очень небольшой (1/15-1/20 от пролета).

Любая структура состоит из большого числа повторяющихся кристаллов: октаэдров, тетраэдров, кубо-октаэдров их частей и плоских «кристаллов» в разнообразных сочетаниях (рис. 4). Каждый из этих отдельных кристаллов» является геометрически неизменяемой системой, что принципиально важно, поскольку любая строительная конструкция должна оставаться геометрически неизменяемой системой. 

Пространственные стержневые конструкции. Рисунок 4. Стержневые кристаллы

Рис. 4. Стержневые кристаллы:

А – куб (С); б – тетраэдр (Т); в – октаэдр (О);

г – полуоктаэдр (1/20); д – четверть октаэдра (1/40);

е – половина куба; ж – плоский равносторонний треугольник

Благодаря большой повторяемости стержней и узлов заводское производство может быть полностью автоматизировано. Вследствие этого пространственные несущие системы являются индустриальными конструкциями.

Основная трудность развития пространственных систем связана с решением узловых сопряжений. Узел является наиболее сложным и ответственным элементом конструкции.

Здесь много еще не решенных проблем как конструктивного, так и технологического характера.

Наиболее известны соединения на сварке – ванная сварка, предложенная ЦНИИСК (Россия) и «Октаплатт», нашедший широкое применение в Чехословакии. С применением ванной сварки в СССР построен рынок в г. Тольятти, представляющий собой четырехгранную пирамиду пролетом около 60 метров. 

Пространственные стержневые конструкции. Рисунок 5. Узел системы Меро

Рис. 5. Узел системы «Меро»:

1 – узловой элемент с резьбовыми отверстиями для болтов;

2 – высокопрочный болт; 3 – муфта вращения; 4 – конический наконечник; 5 – сварной шов; 6 – трубчатый элемент; 7 – монтажное отверстие

Наиболее известные болтовые соединения

  1. узел «МЕРО» (рис. 5), предложенный в 1942 году инженером Менгеринхаузеном в Германии. С применением именно этого узла в Югославии был построен стадион «СПЛИТ», который представляет собой исключительной красоты стержневую оболочку пролетом более 200 метров. Здесь в узле «МЕРО» был использован болт диаметром 64 мм из высокопрочной стали. 
  2. в СССР широкое применение получил узел МАрхИ, предложенный в Московском архитектурном институте. Этот узел позволяет создавать типовые структурные конструкции размером в плане 30х30 метров, опирающиеся на четыре колонны.
  3. в Европе получили распространение «Веймар» и «ИФИ», предложенные в ГДР в конце ХХ века. 
  4. для солнечных станций в России применен узел «Октант», предложенный в архитектурном институте и др.

Каждый тип узла имеет свои преимущества и недостатки. Именно технические характеристики того или иного узлового сопряжения предопределили и область рационального применения несущих пространственных конструкций, и величину ее наибольшего пролета. 

Как видно из перечня, многие наиболее развитые страны внесли свой вклад в разработку, производство и внедрение того или иного типа узлового сопряжения.

Плитообразные структурные конструкции имеют самые разнообразные условия опирания (рис. 6). Каждое из конкретных условий опирания – это результат многочисленных исследований и конструктивных проработок, выполненных в различных странах. Практически все из указанных на рис. 6 условий опирания нашли практическое применение при реальном возведении зданий.

Пространственные стержневые конструкции. Рисунок 6. Опирание структурных конструкций

Рис. 6. Опирание структурных конструкций

Применительно к общественным зданиям и сооружениям спортивного назначения средних и больших пролетов рекомендуется опирание покрытий по периметру. При многоточечном опирании, структурные конструкции получаются еще легче, поэтому для большепролетных покрытий представляет интерес сочетание структурных плит с арочными подвесными системами. Эти типы систем обеспечивают взаимную устойчивость арок и стабилизацию вант.

Наконец, в г. Волжском был построен торговый центр пролетом около 60 метров, где стержневая структурная плита ортогонального типа усиливалась снизу предварительно напряженной шпренгельной затяжкой. Узел был решен с применением ванной сварки. Стержни – трубчатого сечения. Предварительное напряжение позволило снизить строительную высоту, удачно перераспределить усилия в стержнях и снизить расход стали на покрытие. Высота структурной плиты составила малую величину – 2 метра, а длина типовых поясных стержней 3 метра. Предварительное напряжение производилось раздвижкой стоек пространственного шпренгеля. В результате сравнения многих вариантов был принят вариант с жесткой затяжкой (сталь класса 52/40). Суммарный расход стали составил 85 кг/м2. Малая строительная высота покрытия позволила снизить эксплуатационные затраты на отопление и вентиляцию и уменьшила площадь стенового ограждения на 11500 м2.

Авторы: Николай Демидов, к.т.н., доцент, МГСУ; Варвара Меликова, магистр МГСУ

Просмотрено 2125 раз

Оставить комментарий

Убедитесь, что Вы ввели всю требуемую информацию, в поля, помеченные звёздочкой (*). HTML код не допустим.

Сетевое издание «Институт стоимостного инжиниринга и контроля качества строительства» зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 31.05.2017. Свидетельство о регистрации ЭЛ № ФС 77 - 70023.

Наверх

Фото