Архитектоника объемных форм из бумаги. Разновидность складчатых конструкций
СКЛАДЧАТЫЕ КОНСТРУКЦИИ (складки) - пространственные конструкции из соединенных монолитно плоских плит. Наибольшее распространение в практике строительства получили железобетонные складчатые конструкции - пространственные покрытия, лотковые бункеры, водопроводящие лотки и др.Складчатые конструкции, наряду с цилиндрическими оболочками, могут быть эффективно использованы для перекрытия значительных (более 20 м) пролетов. Основным преимуществом складчатых конструкций перед цилиндрическими оболочками является сравнительная простота их изготовления.
Складчатые покрытия состоят из тонких плит, бортовых элементов и диафрагм. Они могут быть одно- и многопролетными (если число диафрагм более двух), одно - и много волновыми (если несколько складок соединены общими бортовыми элементами). Ширину граней складчатого покрытия рекомендуется принимать равной не более 3-3,5 м, длину волны - до 10-12 м. Складчатые конструкции могут возводиться как в монолитном, так и в сборном железобетоне. Имеются примеры выполнения складчатых покрытий в сборном предварительно напряженном железобетоне.
Статический расчет складок можно вести по безмоментной и моментной теории. Расчет по безмоментной теории (Г. Элерса) сводится к решению трехчленных уравнений метода сил или метода деформаций. Расчет складчатых конструкций по моментной теории с учетом поперечных моментов производится при помощи уравнений метода сил П. Л. Пастернака или канонических уравнений смешанного метода (В. 3. Власова).
Лит.: Власов В. 3., Тонкостенные пространственные системы, 2 изд., М., 1958; Железобетонные конструкции. Спец. курс, под ред. П. Л. Пастернака, М., 1961; Элерс Г. Складчатые железобетонные конструкции. Сб. ст., Харьков-Киев, 1934; Инструкция по проектированию железобетонных тонкостенных пространственных покрытий и перекрытий, М., 1961.
Похожие темы:
Курский вокзал в Москве Советский павильон на ЭКСПО-70
Здание таможни на Российско-Финской границе.
Спортивный зал «Дружба» Здание Даниловского рынка в Москве
Все эти сооружения объединяет использованная в их покрытии складчатая поверхность. В сравнении с другими пространственными конструкциями, складчатые структуры встречаются не часто, как в постройках, так и в литературе. В чистом виде складчатые конструкции были распространены в 60 - 80-ых годах XX века. Потому и большая часть литературы, их описывающей, примерно того же времени издания. «Складчатая конструкция представляет собой систему пространственно связанных между собой тонких (обычно плоских) пластин - граней»
- это наиболее точное определение складок, которое даёт Германн Рюле в книге «Пространственные покрытия» в 1973 году. Учебники по конструкциям как правило ограничиваются общими рисунками и описанием простейших складчатых покрытий. Тем не менее, разнообразие складок велико. И хотя многие из них на первый взгляд относятся к другим типам конструкций, всех их объединяет общий принцип работы. А принцип работы складок прост: это увеличение высоты сечения (h) конструкции в сравнении с толщиной используемого материала, за счёт геометрического преобразования её поверхности
, причём размеры граней складок в этом случае приближаются к оптимальным, с точки зрения жёсткости.
Возникающее в этом случае распорное усилие, обладает как плюсами, так и минусами. С одной стороны появляется необходимость устройства жёсткого опорного контура или затяжек, с другой стороны пластичность структуры даёт высокое восприятие температурных, осадочных и прочих внутренних напряжений за счёт податливости узлов соединения.
Складчатые конструкции относятся к пространственным конструкциям (даже простые прямоуголные складки, как на предыдущих схемах) и занимают в их классификации самостоятельное направление. Однако легко комбинируются со всеми остальными типами. В современной архитектуре, как правило, представлены именно в сочетании с другими видами конструкций. Они могут иметь различные очертания и формы.
Немного истории:
Первый патент на складчатое покрытие был выдан в 1937 году. В кровельном покрытии полигонального в плане сооружения прикреплялся тонколистовой настил в виде плоских треугольных панелей, расположенных под углом к поясам с образованием складчатого покрытия. В 40-ых – 50-ых годах в США был выдан ряд патентов на бескаркасные складчатые здания арочного или сводчатого очертания, образующихся из примыкающих непосредственно друг к другу одинаковых арок, составленных из лоткообразных элементов трапециевидного, треугольного и U-образного сечения. В нашей стране первое авторское свидетельство по складчатым конструкциям было выдано в 1945 году на складчатый свод из листового металла.
С 1950 по 1965 год в различных странах – США, Великобритании, Австрии, Франции и ФРГ – на складчатые элементы и сооружения, собираемые из них, было получено около двух десятков патентов. В этих решениях складчатые конструкции получили дальнейшее развитие. Окончательно обозначились два основных направления, первое из которых – формирование систем из лоткообразных элементов; второе – из ромбических или треугольных элементов. Кроме того, начинают появляться системы, собираемые из элементов со сложной структурой профилирования, которые можно отнести к третьему направлению – пространственным элементам сложной конфигурации.
В период с 1965 по 1974 год на складчатые конструкции выдано уже более 30 патентов и авторских свидетельств. Из всего множества решений наиболее типичными, характеризующими три выделенных направления и представляющими особый интерес, с конструктивной точки зрения, являются следующие конструкции:
К 2000 году выявлено более 60 патентов и авторских свидетельств на складчатые здания. Наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом получили как сами лоткообразные элементы, так и сооружения из них.
Одной из самых простых и одновременно интересных складок является сводчатая перекрёстная складка, разворачиваемая из плоскости. Возьмём лист бумаги и сложим его по пунктирным линиям в одну сторону, а по сплошным в другую. Совершив все сгибы одновременно получим эту складку:
Изменяя вид развёртки можно получать различные виды складок. Это один из методов формообразования складчатых поверхностей. Помимо него новые складчатые поверхности можно получать методом профилирования образующих сечений поверхностей, а так же методом компоновки простых складчатых модулей.
Материалом для складок может служить железобетон, армоцемент и клеёная древесина, но самое широкое распространение они получили в виде профилированного металлического листа. Сегодня профнастил применяется практически в любом объекте строительства. Он же является основным направлением развития и изучения складок, как конструкций. Складки, как несущие конструкции покрытий долгое время после их появления практически не изменялись. А с 80-ых годов практически не использовались из-за дороговизны и сложности проектирования. Однако в связи с тем, что в последнее время применение компьютерных технологий проектирования, а особенно параметрического моделирования, позволяет решать многие проблемы, связанные с проектированием, расчётом и конструированием и гораздо более сложных структур, складчатые конструкции или их элементы стали появляться в архитектуре современных общественных зданий. Как, например, в аллее олимпийского стадиона в Афинах, «Городе наук» в Валенсии или станции железнодорожной линии AVE в Уэльвеа, архитектора Сантьяго Калатравы:
Складчатое покрытие представляет собой систему, образованную из наклонных к горизонту (обычно не менее 30°) плоских элементов – граней, верхние и нижние кромки которых соединены по длинным сторонам и работают совместно. Форма поперечного сечения складок может быть треугольной, трапециевидной, полигональной (рис.3.31 ).
Рис.3.31 Складчатые покрытия:
а – общий вид; б, в, г – типы поперечных сечений железобетонных складок;
1 – складка; 2 – бортовой элемент; 3,4 – диафрагма; 5 – колонна
Архитектурные композиции из складок весьма разнообразны. Плоские плиты (панели) в различных комбинациях способны перекрывать прямоугольные, многоугольные и круговые планы зданий. В последнем случае складки располагаются радиально.
По расходу материалов складчатые конструкции уступают другим формам покрытия, но им присущи архитектурная выразительность и относительная простота изготовления. Достоинством складок является их регулярность, определяющая повышенные эстетические качества, которые способствуют применению этих систем без подвесного потолка. Их целесообразно использовать в качестве шедовых покрытий для зданий производственного и общественного назначения.
Складки могут опираться на колонны или стены сооружения. По коротким сторонам они имеют торцевые диафрагмы или ребра.
Складки обычно выполняют в монолитном железобетоне, однако в последнее время все шире применяют сборные элементы. В монолитном железобетоне обычно выполняют складки сложной формы, обусловленной архитектурными соображениями, а также большепролетные, при L>30м, B>6м. Требования к прочности бетона и к точности соблюдения размеров сечения могут быть не такими жесткими как для сборных элементов. Марка бетона 300..450, толщина граней не < 5см. Угол наклона граней не > 35º, чтобы обеспечить возможность их бетонирования без двойной опалубки.
Пример: павильон на выставке в Ганновере (Германия) Площадь покрытия – 350 м², подвесное складчатое покрытие с центральной опорой выполнено в монолитном бетоне, складки с трапециевидными гранями из легкого бетона марки 300, толщина граней 8,5 см.
Сборные складки монтируют, как правило из плоских прямоугольных плит. К достоинствам сборных складок относят: - возможность изменения пролетов складок благодаря отсутствию ребер и подкрепляющих элементов; - возможность изменения ширины покрытия применением вставок; - небольшие габариты сборных элементов, удобные для хранения и транспортирования; - возможность поточного монтажа без укрупнительной сборки и подмостей.
Обычно применяются балочные складки, имеющие большую длину при малой ширине (L до 25 м, ширина – до 3 м.). При увеличении пролета до 30 м и выше – их трудоемкость и стоимость монтажа возрастает.
Различают складки одно- и многопролетные, одно- и многоволновые. Иногда их проектируют с небольшим консольным свесом на одну или обе стороны покрытия.
Треугольные складки: применяются весьма широко, ширину отдельных складок принимают от 2 до 6 м. Высота складки принимается в зависимости от статической схемы покрытия, от пролета, ширины складки и нагрузки. Для однопролетных складок высота составляет 1/20..1/30 пролета. Уклон всех граней обычно принимают одинаковым и = 30..35°. при меньших углах наклона не удается обеспечить необходимую конструктивную высоту складки, при больших – затрудняется бетонирование и увеличивается расход материалов.
Трапециевидные складки – имеют при той же конструктивной высоте, значительно больший момент инерции, чем треугольные. Поэтому их часто применяют в качестве целых сборных элементов покрытий, длина их составляет обычно 15-20 м, ширина – 2-3 м. Конструктивная высота таких складок, как правило, несколько меньше, чем у треугольных.
Прочие типы складок – выполняют преимущественно в монолитном железобетоне. Их формы могут быть самыми разнообразными, например покрытие церкви в Нассау (Германия).
Одна из возможных конструктивных систем – складчатое шедовое покрытие , образованное из треугольных или трапециевидных складок, в которых часть наклонных граней заменяется сплошным остеклением.
Эффективные в архитектурном отношении складчатые покрытия могут быть созданы складками с чередующимися треугольными гранями в различных комбинациях.
Складчатые системы применяют не только в покрытиях, но и в стеновых ограждениях, позволяя создавать сооружения в едином конструктивном стиле.
Геометрические формы складчатых конструкций различны: отдельные складки могут иметь треугольное и трапециевидное сечение и иметь друг с другом параллельные, веерные или встречные сочетания (рис.3.32 ). Складки применяются в покрытиях пролетом до 40 м и в высоких стенах при необходимости повышения их жесткости. Получило распространение сочетание складчатых стен и покрытий с жесткими сопряжениями между ними в виде пространственной рамной конструкции. Складки используют в арочных и шатровых покрытиях для помещений с прямоугольным, трапециевидным, многоугольным или криволинейным планом.
Рис.3.32 Складчатые конструкции:
а – формы и габариты сечений монолитных и сборных складок; б – схемы размещения устройств верхнего света; формы покрытий; в – параллельными складками; г – то же, веерными; д – то же, встречными; е – складчатые рамы; примеры фрагментов покрытий: ж – встречными складками; и – сочетанием веерных и встречных складок
Рис. Курский вокзал (работа студента)
Рис. Олимпийский велотрек, г. Монреаль, Канада (работа студента)
Для перекрытия большепролетных зданий и сооружений применяются различные пространственные системы. Одним из вариантов таких пространственных систем являются покрытия в форме складок. В развитие теории складок большой вклад внесли Г. Элерс, В.З. Власов, В. Флюгге, Е. Грюбер и X. Крамер. В настоящее время складчатые конструкции покрытий применяются сравнительно редко, и в современной научно-технической литературе имеется мало данных по их конструированию и расчету.
Складчатое покрытие представляет собой поверхность, образованную системой наклонных плоских граней, жестко соединенных между собой . Они примыкают одна к другой под некоторым углом по длинным сторонам, опираясь по коротким на абсолютно жесткие в своей плоскости торцовые диафрагмы или ребра (рис. 4.1).
Форма поверхности складок может быть треугольной, трапециевидной или прямоугольной. Чаще всего применяются многорядовые складчатые покрытия, но встречаются и однорядовые. По расходу материала складчатые конструкции уступают другим формам пространственных покрытии, но присущие им повышенная архитектурная выразительность и относительная простота изготовления сглаживают этот недостаток. Форма плана сооружений, перекрываемых складками, может быть прямоугольного, многоугольного и криволинейного очертания. В последнем случае складки располагаются радиально. На рис. 4.2 представлены некоторые примеры складчатых покрытий различной конфигурации.
Склад в Апелдорне (Нидерланды) площадью 50x83м имеет несущую конструкцию складчатого покрытия из плоских панелей, примыкающих друг к другу в виде двускатных крыш (рис. 4.3). Отдельные панели длиной 8.2м состоят из брусчатых рам, обшитых с двух сторон листами фанеры. Жесткое на изгиб крепление отдельных панелей в ендове и коньке достигается при помощи петлевых шарниров .
Школьный зал для собраний и спортивных занятий в Велингтоне (Великобритания) площадью 12x14м перекрыт радиально расположенной складчатой системой. Панели складок состоят из брусчатых рам, покрытых с двух сторон листами фанеры толщиной 10мм .
Складки могут изготовляться из древесины, армоцемента и композитных материалов. Для повышения их поперечной жесткости устраиваются распорки, ребра жесткости или затяжки, устанавливаемые по длине складки. Схемы складчатых покрытий приведены на рис. 4.4.
Пролет складок для конструкций обычно не превышает 20- 25м. Отношение стрелы подъема к пролету I для складок из древесины колеблется в пределах 1/2-1/9, для конструкций из композитных материалов - до 1/15 (1/18).
По конструктивному оформлению складки могут быть тонкостенными, ребристыми или трехслойными. В первом случае грани складок представляют собой дощатогвоздевые, дощатоклееные или клеефанерные балки. Ребристые складки изготавливаются из балочных элементов с высотой сечения до 15 см, к которым на гвоздях или на клею с одной или двух сторон крепится обшивка из листового материала или досок. Трехслойные элементы складчатых покрытий имеют чаще всего обшивки из стеклопластика или жесткого поливинилхлорида, а средний слой из пенопласта. Грани складок соединяются между собой болтами, на гвоздях, с помощью клеевых или клеештыревых соединений (рис. 4.5).
Монтаж складок в большинстве случаев осуществляется "с колес". Покрытие может собираться как из отдельных граней, так и из укрупненных элементов в виде лотков. Такие части конструкции грузятся на автотранспорт и доставляются прямо от завода-поставщика на строительную площадку. Установка граней производится с помощью компенсирующих траверс (рис. 4.6).
Цель: изучить некоторые приемы выявления пластики замкнутой формы со складчатой поверхностью (рис. 65, 66).
Задачи : освоить принцип выявления пластики фронтальной поверхности за счет светотеневых градаций, а также освоить некоторые приемы макетирования из бумаги.
Требования : из ватмана формата А1 по своему рисунку сделать оригинальную складчатую структурную поверхность и образовать из неё замкнутую жесткую объемную форму размерами порядка
13×13×26 см.
Рис. 65. Макет по ОПК на тему Рис.66. Развертка к макету
«Складка»
Методические указания: линии членений могут быть вертикальными, горизонтальными, наклонными, параллельными, пересекающимися. Они должны образовывать орнамент в метро-ритмической закономерности, единый для всей поверхности.
Порядок выполнения макета: выполнить чертеж; переколоть измерителем нужные точки на изнанку листа; сделать надсечки; стереть карандашные линии; согнуть по линии надсечек.
Практическое задание № 4 Тектоника. Одно из основных напряжённых состояний материальной формы
Цель: изучить некоторые приемы напряженного состояния материала (бумаги), освоить понятие «ребра жесткости».
Задачи : найти выразительное художественно-пластическое решение одного из основных напряжённых состояний материальной формы, а именно, напряжений сжатия, растяжения, изгиба, кручения, сдвига, удара.
Требования : из ватмана формата А1 по своему чертежу выполнить
макет, отвечающий требования тектоники, с применением ребер жесткости не применяя склеивания плоскостей (рис. 67). Возможно использование «бумажных замков» (рис. 68,69). Размер макета порядка 20 × 20×20 см.
Рис. 67. Упражнение из бумаги на тему «Тектоника»
Порядок выполнения упражнения: выполнить чертеж при помощи циркуля или лекальных кривых; сделать надсечки; стереть карандашные линии; согнуть по линии надсечек (рис.68).
Рис.
68. Развертка
Рис.69. «Бумажные замки»
Рельеф Практическое задание № 5 Фронтальная композиция из простых геометрических элементов
Цель: ознакомиться с основными понятиями и принципами построения фронтальной композиции (рис.70,71).
Задачи: освоить принцип выполнения макета из сложных выкроек.
Требования: выполнить фронтальную композицию в виде макета-рельефа на вертикальной плоскости из простых геометрических фигур, для композиции использовать простые геометрические фигуры, врезанные друг в друга, куб, призма, цилиндр, конус и т. д. Количество элементов от 5 до 9.
Методические указания: в композиции должна передаваться пространственная очередность расположения фигур и прослеживаться первоначальная форма каждого элемента. Высота рельефа задается автором.
Порядок выполнения макета: делаются тоновые наброски композиции, потом маленький (эскизный) макет, на котором проверяется правильность композиционного замысла и соединения элементов, делаются поправки. По рабочему макету выполняются выкройки отдельных элементов для основного макета.
На этом задании происходит освоение основных навыков выполнения сложных выкроек, предусматривающих врезку, стыковку и склеивание отдельных элементов и соединение их не только между собой, но и с поверхностью основания. Первоначальная форма каждого элемента, высота рельефа задается автором.
Рис. 70. Макеты по ОПК на тему «Фронтальная композиция»
Рис. 71. Макеты по ОПК на тему
«Фронтальная композиция»