Пространственные покрытия комбинированными оболочками

Комбинированные оболочки (составные) представляют собой пространственные покрытия, поверхность которых образована совокупностью нескольких или многих элементарных поверхностей, пересекающихся между собой со скачкообразным изменением кривизны срединной поверхности по линии сопряжений. Составные покрытия комбинируют из фрагментов жестких оболочек, поверхности которых могут иметь одинаковые или различнее знаки кривизны. К составным оболочкам могут быть отнесены покрытия, формы которых развивают решения, применявшиеся в каменном зодчестве (сомкнутые или крестовые своды), строятся на новых формах элементарных оболочек (например, из лепестков гипаров) или на их новых сочетаниях.

Оболочки комбинируют с непосредственным контактом между ними и устройством общих ребер (ендов или коньков) либо с разрывом. В последнем случае в разрывах между оболочками устанавливают светопрозрачные конструкции, а каждая из оболочек имеет индивидуальные контурные ребра.

Сомкнутые и крестовые своды из фрагментов (лотков, распалубок) цилиндрических железобетонных оболочек применяют в покрытиях пролетом 60-80 м со стрелой подъема 1/6-1/8 пролета. Сомкнутые своды устраивают в покрытиях залов с треугольной, квадратной или многоугольной формой плана. С увеличением числа лотков форма сомкнутого свода приближается к купольной.

Естественное верхнее освещение покрытий залов с покрытиями крестовыми и сомкнутыми сводами обеспечивают фонари, уста но вле иные в вершине свода (при контакте элементарных оболочек), или светопрозрачные линейные конструкции, расположенные вдоль стыков между элементарными оболочками.

Преобразование традиционных конструкций сомкнутых и крестовых сводов в современной архитектуре железобетона сопряжено не только с увеличением физических размеров конструкции (пролет 60-80 м, в отдельных случаях 150-200 м), но и с изменением ее очертания (снижение стрелы подъема) и расположения свегопрозрачных элементов.

Еще более разнообразны новейшие сочетания элементарных оболочек, позволяющие устраивать покрытия над зданиями различной формы в плане с различными вариантами включений светопрозрачных элементов.

Составные оболочки представляют собой наиболее широкие возможности удовлетворять разнообразные функциональные требования и позволяют перекрывать большепролетные помещения с максимальной экономией пространства. Они обеспечивают композиционное разнообразие архитектурных форм. Однако до последних лет применение комбинированных оболочек было крайне ограниченным в связи со сложностью конструкций их опалубки и технологии возведения покрытий в монолитном железобетоне. Прогресс в строительстве составных оболочек индустриальными методами достигнут в последние годы благодаря исследовательским, проектным и творческим работам МНИИТЭПа (инженеры Г. Львов, Э. Жуковский, В. Шабля), осуществлявшимся совместно с НИИЖБом (инженеры Г. Хайдуков, В. Шугаев).

Эти работы посвящены составным оболочкам для покрытий с произвольным многоугольным планом. Центрально-симметричное покрытие образуют центральная и радиальные боковые оболочки. Покрытие может быть дополнено вспарушенными треугольными оболочками, расположенными между боковыми по периметру покрытия (рис. 104, А). На основе двух исходных форм - купола и висячей оболочки - авторы предложили серию вариантов составных вспарушенных и висячих оболочек на многоугольном плане (рис. 104, Б). Центральная часть наиболее часто представляет собой пологую оболочку положительной кривизны, радиальные части - оболочки как положительной, так и отрицательной кривизны. Рис. 104. Составные оболочки на многоугольном плане: I - элементы и параметры оболочки: 1-центральный; 2 - радиальный; 3- боковой дополняющий элемент;  4 - внутреннее кольцо; 5 - контурная арка; 6 - затяжка; 7 - сборные плиты; 8 - опора; II - система вспарушеннык и висячих оболочек (по 3. Жуковскому)

Модификации форм покрытий способствуют изменение их высоты, числа радиальных оболочек, связанные с формой плана, и изменение протяженности контакта центральной оболочки с радиальными и последних между собой от нуля до конечных величин.

Сборно-монолитные конструкции составных оболочек выполняют из ребристых плит с цилиндрической поверхностью и прямоугольным, треугольным или трапециевидным планом, аппроксимирующих торцовые поверхности отрицательной и положительной кривизны. Боковые оболочки проектируют самонесущими, что позволяет применять подмости только для монтажа центрального фрагмента покрытия. Конструкции применимы для перекрытия пролетов от 40 до 150 м. Один из наиболее известных примеров применения сборно-монолитного составного покрытия - конструкция универсального олимпийского зала «Дружба» в Москве (инженеры Г. Львов, Э. Жуковский, В. Шабля).

Здание близкой к овалу формы в плане (наибольший пролет 96 м) покрыто комбинированной системой из центральной, пологой сферической  квадратной  в плане оболочки (48X48 м), опертой на 28 наклонных боковых оболочек складчатого профиля, объединенных тремя горизонтальными кольцами: по сопряжению со сферической оболочкой по линии перегиба наклонных оболочек и фундаментной плитой (рис. 105). Рис. 105. Универсальный спортивный зал "Дружба", в Лужниках (Москва): а - план покрытия; б - разрез; 1 - демонстрационный зал; 2 - фойе; 3 - тренировочные залы; 4 - технические помещения; 5 - трибуны; 6 - складчатая оболочка; 7 - сферическая оболочка; 8-10 - кольца

При всем разнообразии конструкций пространственных покрытий жесткими оболочками двоякой кривизны все они отличаются чрезвычайно экономичными показателями расхода материалов (табл. 19). Приведенные в таблице данные свидетельствуют о наличии известных резервов повышения экономичности в сборно-монолитных конструкциях.

Таблица 19. Технико-экономические показатели покрытий железобетонными оболочками двоякой кривизны

Эффективность и легкость несущей конструкции требуют применения наиболее легких утепляющих материалов (пенополистирол, пенополиуретан и др.) как при построечном устройстве кровли, так и в случаях выполнения сборных элементов оболочек высокой заводской готовности с утеплением и гидроизоляцией панелей на заводе. При построечном выполнении кровельных работ следует учитывать, что устройство рулонного покрытия по оболочкам двоякой кривизны затруднительно: требует постоянного полкрон рулонного материала по форме изолируемой поверхности. Поэтому для большинства пространственных конструкций, за исключением складчатых, применяют мастичные гидроизоляционные покрытия. Следует отметить, что мастичные покрытия служат вообще наиболее целесообразным материалом для малоуклонных крыш. По мере совершенствования мастик и технологии их устройства они будут вытеснять рулонные покрытия.

Как рулонные, так и современные мастичные покрытия плохо служат на поверхностях с уклоном свыше 30-35° (например, в нижней зоне подъемистых куполов): от солнечного перегрева гидроизоляционная мастика и пропитка рулонных материалов приобретают подвижность и могут стечь по покрытию, что приведет к нарушениям изоляции и внешнего вида. Во избежание этого для подъемистых оболочек (по всей поверхности или в нижней крутоуклонной зоне) применяют покрытие плоскими или профилированными плитными либо листовыми материалами по обрешетке, закрепленной к покрытию отдельными анкерами, проходящими через утеплитель. Эта мера также предохраняет утеплитель от сползания по крутому уклону. В качестве кровельных материалов в этих случаях используют плоские и профилированные листы или плитки из алюминия, оцинкованной стали, асбестоцемента, полиэфирного стеклопластика либо эластомеры.