А. Д. Чаплыгин. Архитектурно-конструктивные свойства железобетонных рамных конструкций. 1936

  

 

 

Статья инженера А. Д. Чаплыгина «Архитектурно-конструктивные свойства железобетонных рамных конструкций» из сборника «Проблемы архитектуры : Сборник материалов : Том I, книга 2» (Москва : Издательство Всесоюзной Академии архитектуры, 1936).

 

 

 

 

 

Архитектура прошлого знала два типа конструкций для перекрытия своих планов: архитрав-балку и арку. Появление и развитие их было обусловлено главным образом наличием определенных строительных материалов, а также механическими свойствами и технологическими особенностями этих материалов. Как известно, долгое время основными строительными материалами для несущих конструкций были дерево и камень.

 

Дерево, обработанное в виде прямого бревна или бруса, хорошо работающее на изгиб, являлось очень подходящим материалом для балочного перекрытия. Здесь применялись первоначально балки сплошного сечения, а затем постепенно перешли к различным комбинациям этих балок, вылившимся в конце концов в современные стропильные фермы.

 

Камень на изгиб работает значительно хуже дерева, вследствие чего он мало подходил для балочных перекрытий. Применение его в этом случае лимитирует перекрываемые пролеты сравнительно небольшими величинами и связано с большим расходом материала. Однако и камень в некоторые периоды истории широко использовался для этой цели. Примером этого являются сооружения античной Греции. Объясняется это, видимо, в числе прочих причин, недостаточно полными познаниями древних греков в строительном искусстве. Более полно и целесообразно используются механические свойства камня, хорошо работающего на сжатие в арочных конструкциях.

 

В арке при известном очертании ее оси и при соответствующей толщине ее можно получить исключительно сжимающие напряжения. Отсюда широкое распространение каменных арок и сводов как в античный период (Рим), так и в средневековье, в эпоху Возрождения, вплоть до современности. Таким образом, и архитрав-балка и арка, как типы конструкции, были хорошо согласованы с имеющимися строительными материалами, и в применении их зодчие достигли большого искусства, многочисленные примеры которого мы находим в архитектурных памятниках прошлого.

 

Новейшее время дало нам еще два вида строительных материалов — сталь и железобетон¹.

____________

¹ Несколько ранее появившийся чугун был, как строительный материал, довольно быстро вытеснен сталью.

 

Появление этих двух новых материалов повлекло дальнейшее развитие перекрывающих здание конструкций. Сплошные металлические балки, и главным образом сквозные фермы, значительно увеличили размеры перекрываемых пролетов. Применение металла и железобетона, допускающих растягивающее напряжение, позволило значительно увеличить также и пролеты арок. Наконец, появление этих строительных материалов вызвало еще новый тип перекрывающих конструкций, неизвестный раньше строителям, а именно — рамные конструкции.

 

Соединяя в обычном архитравном перекрытии жестким образом балку с опорой-стойкой, мы заставляем включиться в работу на изгиб и стойку, одновременно несколько разгружая ригель-балку, что ведет или к уменьшению ее размеров, или к увеличению перекрываемого пролета. Давая излом ригелю, ставя наклонно стойки, мы, обеспечив жесткое соединение всех элементов в местах излома, получаем многоугольный ломаный стержень, который при бесконечном увеличении числа изломов превращается в своем пределе в арку.

 

Таким образом, для получения рамной конструкции необходимо умение создавать жесткое, могущее работать на изгиб, соединение отдельных стержней друг с другом. Это не могло быть достигнуто при камне и дереве, эту возможность дали нам сталь и железобетон. Правда, теперь мы научились делать рамные конструкции и из дерева, но это уже достигнуто на основе опыта работы с железобетоном и сталью.

 

С конструктивной точки зрения существенным в рамных конструкциях является совместная работа всех элементов на изгиб, что ведет к более полному и более экономному использованию материала. Кроме того, в сооружениях прошлого при их сравнительно небольших размерах и больших массах, при спокойных статических нагрузках — не приходилось особенно заботиться об их прочности и жесткости против действия горизонтальных нагрузок, например ветра, а также и против действия всякого рода динамических явлений. В современных сооружениях, при значительной их высоте и относительно небольших (вследствие легкости конструкций) массах, а также при наличии зачастую динамических нагрузок вопросы жесткости сооружения являются весьма актуальными. Рамные конструкции дают в этом случае хорошее решение вопроса. Мы видим, что в американских небоскребах жесткость зачастую обеспечивается, например, просто достаточно жестким соединением прогонов и балок со стойками, образующими собой пространственную рамную конструкцию. Аналогичное наблюдается в промышленных зданиях, где при тяжелых быстроходных кранах, оказывающих сильное динамическое воздействие на сооружение, во избежание расстройства подкрановых путей часто прибегают к рамным конструкциям.

 

Необходимо обратить внимание также еще и на следующее обстоятельство. Перед строителем прошлого, поставившим арку или свод на стену, возникла серьезная задача погашения распора этой арки и передачи его на фундамент. Не имея возможности осуществить жесткое соединение криволинейных элементов арки с прямолинейным элементом стен и не имея также возможности строительный материал (камень) заставить работать на изгиб, строитель вынужден был прибегнуть к устройству громоздких дорого стоящих контрфорсов. Рамные конструкции весьма просто решают вопрос о передаче распора на фундамент при помощи работающей на изгиб стойки, жестко связанной с ригелем.

 

Но, помимо конструктивных преимуществ, рамы внесли нечто новое и в архитектуру сооружения. До появления рам естественными габаритами здания был прямоугольник или арка. Рамы, введя ломаное очертание, увеличили во много раз количество различных типов габаритов. В этом и есть, пожалуй, их главнейшая ценность для архитектора.

 

Впервые рамы появились в металле в виде арок, переходящих в вертикальные стойки; наибольшего своего развития они достигли в железобетоне — материале, по самой своей природе наиболее приспособленном для создания жесткого соединения отдельных элементов в одно целое. Преимущества рамных конструкций побудили строителей дать их осуществление и в дереве, многочисленные примеры чего мы можем найти в послевоенном строительстве. Несмотря на все это, все-таки приходится отметить, что в нашей архитектуре, особенно непромышленной, возможности рамных конструкций используются мало. Правда, довольно часто применяют простые многоэтажные и многопролетные рамы-каркасы, но отводят им при этом чисто служебную роль восприятия нагрузки, специфические же формы рамных конструкций не используются: они обычно закрываются различными заполнителями. Что же касается однопролетных, одноэтажных рам и комбинаций из них, то они встречаются довольно редко (если и есть случаи применения, то только в промышленных зданиях). Объясняется это в числе прочих причин, повидимому, еще и тем, что архитекторы недостаточно знакомы с особенностями рамных конструкций. Целью данной работы и является попытка на примере железобетонных однопролетных и одноэтажных рам показать взаимодействие между статическими схемами отдельных рам, их архитектурными формами и пространственным решением всего здания в целом.

 

Железобетонные рамы взяты потому, что они являются наиболее типичными и распространенными; принятие же к рассмотрению схем однопролетных и одноэтажных объясняется тем, что они являются основными; комбинируя их, мы получаем и другие схемы.

 

Простейшим типом является рама с двумя вертикальными стойками и прямолинейной горизонтальной или наклонной балкой-ригелем (П-образная рама). Жесткое соединение ригеля со стойками вызывает при вертикальной нагрузке, расположенной на ригеле, уменьшение моментов в нем, по сравнению с обычной конструкцией, на 20—40%, в зависимости от степени защемления концов ригеля или, иными словами, от соотношения погонных жесткостей ригеля и стоек. Это уменьшение моментов влечет за собой, конечно, и уменьшение размеров ригеля. Стойки при этом включаются в работу на поперечный изгиб, что влияет на некоторое увеличение их размеров, но все-таки общий расход материала в большинстве случаев в рамной конструкции получается меньше, чем в балочной. При горизонтальных нагрузках (например ветер) включаются в работу на изгиб ригеля, облегчая работу стоек, что тоже зачастую ведет к уменьшению общего количества материала, потребного на сооружение. На рис. 1 изображен зал вокзала в Гавре, перекрытый П-образными рамами. Как видно, рамы этого типа дают в архитектурном отношении хороший, спокойный и строгий габарит перекрываемого ими сооружения.

 

 

Рис. 1. Вокзал в Гавре

 

 

При оценке того или иного типа рам приходится считаться не только с отдельной рамой, как таковой, но и со всем сооружением, как пространственной конструкцией, учитывая характер заполнения по рамам, их шаг и пр.

 

Подходя таким образом к оценке П-образных рам, необходимо отметить, что при применении их в большинстве случаев приходится прибегать для устройства заполнения по ригелям к тяжелому ребристому перекрытию; это ограничивает величину шага рамы нормально 5—6 м. Выступающие ребра не всегда удовлетворяют архитектора; поэтому приходится либо скрывать ребра подшивками, что делает конструкцию более тяжелой, либо, чтобы обойтись в перекрытии простой безреберной плоской плитой, итти на снижение шага рам до 3—4 м, что может вызвать удорожание всей конструкции. При желании получить верхний свет прибегают во многих случаях к довольно дорогим фонарным устройствам. Иногда, если это хорошо согласуется с габаритом помещения, можно прибегнуть к рамам разной высоты, с тем чтобы использовать для света получающиеся уступы. Пример такого устройства приведен на рис. 2 (зал в Нюрнберге).

 

 

Рис. 2. 3ал собраний в Нюрнберге

 

 

Тяжелая конструкция заполнения является, как мы увидим дальше, одним из минусов П-образных рам по сравнению с другими типами рамных конструкций.

 

Обратимся к рассмотрению следующего, несколько более усложненного по рисунку, типа рам, с вертикальными стойками и ломаным ригелем, в пределе, превращающемся в криволинейный. Выясним сначала особенности статической схемы этих рам по сравнению с П-образными.

 

На рис. 3 приведены кривые давления и эпюры моментов от нагрузки — сплошной, равномерно распределенной по ригелю для П-образной рамы и для рамы с симметричным двускатным ригелем. Здесь излом ригеля, вследствие увеличения распора рамы, несколько увеличил момент в стойках, что практически почти не отразится на их размерах. Зато довольно ощутительно снизились моменты в ригеле, отчего размеры его стали меньше. Еще более благоприятная картина будет при большем количестве изломов ригеля, в пределе, превращающемся в криволинейные. Первое заключение, которое мы можем сделать из сравнения рам с ломаным ригелем с рамами П-образными, — это уменьшение размеров ломаного ригеля по сравнению с прямолинейным.

 

 

Рис. 3. Кривые давления и эпюры моментов для рам с прямолинейными и ломаными ригелями

 

 

Теперь обратим внимание на устройство заполнения по ригелям. В недавнем прошлом, а кое-где еще и сейчас, заполнение устраивалось по тому же типу, что и при П-образных рамах, т. е. следовательно, в виде ребристого перекрытия.

 

Подобную конструкцию заполнения мы можем теперь во многих случаях заменить более совершенной, а именно—в случае ломаного очертания ригеля прибегнуть к устройству складки (см. схему на рис. 4), а при криволинейном ригеле применить оболочку. Примером последнего может служить рынок в Милане (рис. 5 и 6); здесь оболочка типа так называемого свода Кольба помещена в средней части ригеля.

 

 

Рис. 4. Схема складчатого покрытия по рамам

 

 

Рис. 5. Рынок а Милане

 

 

Рис. 6. Рынок в Милане

 

 

Применение складок и оболочек снижает расход материала в заполнении, уменьшает нагрузку на рамы и ведет к увеличению шага их до 10—12 м. Кроме того, исчезают неприятные для архитектора выступающие ребра-балки.

 

Наклонные части ригелей могут быть использованы для устройства дополнительного освещения, причем это устройство будет более дешевым, чем при сооружении специальных фонарей (см. рис. 7). Конечно, не всякий излом ригеля дает конструктивно выгодное решение.

 

 

Рис. 7. Шед

 

 

Всякого рода сложные очертания ригелей, особенно с входящими углами, ведут к удорожанию конструкции и должны применяться только в особых случаях.

 

На рис. 9 изображен универмаг в Париже. Здесь дан прекрасный пример несколько особого способа применения рам с криволинейным ригелем: арочный ригель употреблен в комбинации с балкой, на которой и покоится стеклянная крыша.

 

 

Рис. 8. Кривые давления и эпюры моментов для рам с вертикальными и наклонными стойками

 

 

Рис. 9. Универмаг в Париже

 

 

Подводя итоги вышесказанному о рамах с ломаными и криволинейными ригелями, можно отметить, что они дают архитектору довольно большой выбор в габаритах здания, позволяя одновременно давать и хорошее конструктивное решение.

 

Посмотрим теперь, что нового может дать нам наклон стоек. На рис. 8 для случая сплошной, равномерно распределенной по ригелю нагрузки изображены для П-образной рамы и для рамы с наклонными стойками кривые давления и эпюры моментов. Мы видим, что наклонная стойка значительно ближе, чем стойка вертикальная, подходит к кривой давления, и можно, очевидно, так подобрать угол наклона, что эта стойка и кривая давления совпадут, стойка будет работать только на сжатие, что, конечно, уменьшит ее размеры. Моменты в ригеле, благодаря некоторому уменьшению его пролета, также уменьшаются.

 

Очевидно, комбинируя наклонные стойки с ломаным ригелем, мы сможем получить раму, в которой кривая давления проходит на всем ее протяжении, как в стойках, так и в ригеле, весьма близко к оси рамы, т. е. получить технически и экономически одну из самых выгодных конструкций. Таким образом, с точки зрения строительной техники рамы с наклонными стойками дают во многих случаях более выгодное решение, чем рамы со стойками вертикальными. Тем не менее в зданиях этот тип рам встречается довольно редко, так как устройство заполнения по наклонным стойкам, особенно если в нем имеются световые проемы, довольно затруднительно. Но этот тип рам может с успехом применяться в тех случаях, когда заполнения по стойкам делать не требуется, например в каких-нибудь внутренних порталах.

 

Рассматривая раму с наклонными стойками и ломаным ригелем, как один целый, ломаного очертания стержень, точки перелома которого лежат на какой-то кривой, мы, увеличивая число переломов, в пределе получим арку — конструкцию, известную архитектуре еще с древних времен. Но это уже не та арка, с которой оперировали строители времен Рима или готики.

 

Арка того времени, выполняемая в камне, должна была быть сооружена так, чтобы в ней имелись только напряжения сжатия, к тому же еще небольшой величины, ввиду малой механической прочности материала. Это обстоятельство сказывалось на величинах пролетов арок, стреле ее подъема, конфигурации и размерах. Новые строительные материалы с большой механической прочностью, допускающие работу на растяжение, дали возможность значительно большего выбора форм оси арки, уменьшения размеров ее сечения, а также значительного увеличения перекрываемых ею пролетов.

 

Как известно, современное инженерное искусство в лице известного французского инженера Фрейссине, считает возможным конструктивно и оправданным экономически сооружение железобетонных арок для мостов пролетами и в 1000 м.

 

С точки зрения конструктора арка является лучшим типом рамы. Очертание оси арок ближе, чем в какой-либо иной схеме рамы, приближается к очертанию кривой давления, а в некоторых случаях (при определенной нагрузке и специально подобранной оси) даже совпадает с ней полностью: вследствие этого арка работает почти исключительно на продольную силу, что ведет к более или менее значительной экономии материалов, идущих на ее устройство. По своим же архитектурным формам арка давно и вполне заслуженно пользуется большой популярностью среди архитекторов.

 

Пролеты арок, применяемых в зданиях, колеблются в самых широких пределах и доходят до 60—70 м. Шаг арок зависит от типа устраиваемого по ним заполнения.

 

На рис. 10 изображен перекрытый арками зал в Магдебурге; заполнение устроено в виде ребристого перекрытия, что в большинстве случаев определяет величину шага арок в 5—6 м. Верхний свет дается фонарем.

 

 

Рис. 10. Зал в Магдебурге

 

 

На рис. 11 изображено ателье для писания декораций. Здесь перекрытия по аркам выполнены более рационально, в виде оболочки, расположенной по нижней грани арки, что позволяет увеличить шаг арок до 10—12 м. Вырез оболочки дает возможность дать свет.

 

 

Рис. 11. Ателье для писания декораций

 

 

Своеобразный, отличный от только что рассмотренных примеров, способ устройства освещения виден в плавательном бассейне в Штутгарте.

 

Заполнение по аркам сделано уступчатым, чтобы вертикальные грани использовать для постановки остекления. Подобный тип заполнения можно рассматривать как складку (если только она не чересчур ослаблена проемами), что дает возможность и в этом случае несколько увеличить шаг арок. На рис. 12 изображен эллинг в СССР, где как раз имеется подобная конструкция; между арками в верхней части заполнение — оболочка, в остальной части — складчатое.

 

 

Рис. 12. Эллинг в СССР

 

 

Существенное влияние на статические свойства рам, а также и на их архитектурные формы, оказывают способы устройства опор — заделка или шарнир, а также и часто практикуемое введение промежуточных шарниров. Для выяснения этого влияния возьмем в качестве объекта раму с симметричным двускатным ригелем.

 

Здесь возможны следующие схемы (рис. 13): а — бесшарнирная, б — с одним шарниром в ключе, в — с двумя шарнирами (на опорах), г — с тремя шарнирами (два на опорах, один в ключе), д — вариант схемы с двумя шарнирами, поставленными не на опорах, а в промежуточных сечениях стоек. Изображенные на схемах эпюры моментов обусловливают и соответствующие рисунки рам.

 

 

Рис. 13. Эпюры моментов для различных схем рам с двускатным ригелем

 

 

Бесшарнирная схема (рис. 14-а), употребляющаяся, как нормальная при хороших грунтах, дает стойки одинаковых размеров сечения по всей высоте и несколько облегченный по сравнению с другими схемами ригель.

 

 

Рис. 14. Влияние постановки на рисунок рамы

 

 

Одношарнирная схема (рис. 14-б) обычно не употребляется, ввиду того, что она не дает никаких конструктивных преимуществ, но с архитектурной точки зрения может представить в некоторых случаях известный интерес, давая рисунок рамы в виде двух стержней, широких внизу и постепенно суживающихся кверху, увеличивая тем самым ощущение подъемности.

 

Двухшарнирная схема (рис. 14-в), применяемая при ненадежных грунтах (могущих быть причиной неравномерных осадок, в результате чего появляются нежелательные деформации и дополнительные напряжения в элементах рамы), дает в смысле рисунка стойку, постепенно суживающуюся книзу, и ригель несколько более тяжелый, чем в бесшарнирной схеме.

 

Трехшарнирная схема применяется как при наличии плохих грунтов, так и в случае нежелания допустить всякого рода дополнительные напряжения от температуры, усадки и пр. При сборных конструкциях она может дать еще некоторое преимущество при монтаже. Даваемый этой схемой габарит изображен на рис. 14-г.

 

Схема с повышенным расположением шарниров на стойках дает своеобразное очертание, показанное на рис. 14-д. Конструктивные ее свойства, в зависимости от места постановки шарниров, приближаются к свойствам бесшарнирной или двухшарнирной (с шарнирами на опорах) схеме.

 

Встречается еще одно конструктивное мероприятие, которое отражается на формах рам, — это затяжки.

 

Затяжки употребляются обыкновенно в рамах с ломаными и криволинейными ригелями и ставятся в уровне пят ригелей. Встречаются затяжки и в арках. Назначение затяжки — снизить величину распора, уменьшив тем самым размеры стоек и фундаментов. Особенно целесообразна постановка затяжек при высоких стойках. Для суждения о степени влияния затяжек на величины моментов в раме приводится рис. 15, на котором показаны кривые давления и эпюры моментов для рамы с затяжкой и без нее.

 

 

Рис. 15. Кривые давления и эпюры моментов для рам с затяжкой и без нее

 

 

В современном строительстве довольно часто встречаются сооружения, в которых необходимо один, а то и два фронта иметь открытыми, незагроможденными никакими опорами: к таковым относятся перроны, ангары, гаражи, рынки, трибуны стадионов, всякого рода навесы и пр. Кроме того, часто внутри здания требуется иметь разного рода балконы, галлереи, тоже по возможности открытые, свободные от всякого рода подпор и пр. Особенно часто такая потребность возникает при устройстве зрелищных помещений: театров, концертных зал, закрытых стадионов и пр. Рамные конструкции с консольными выносами дают во всех этих случаях прекрасное решение.

 

Консоли в железобетоне выполняются довольно легко, и величина вылета их бывает самая разнообразная, начиная от самых маленьких, в 1—2 м, и до 15—20 м. Для строителей прошлого такие конструкции были неосуществимы.

 

Консольные выносы могут устраиваться при любом из вышерассмотренных типов рам. В относительно более старых сооружениях консоли делались прямолинейными, и перекрытие по ним осуществлялось при частой расстановке рам в виде простой плоской плиты, а при более редкой (5—6—7 м) — в виде той же плиты, но усиленной ребрами.

 

В современных новейших конструкциях консоли делают большей частью криволинейного очертания, с тем чтобы иметь возможность перекрыть их изогнутой безреберной плитой-оболочкой, что, как уже было указано выше, ведет, с одной стороны, к увеличению шага рам до 10—12 м и, с другой стороны, уменьшает расход материала на сооружение. Пример подобной конструкции представлен на рис. 16, изображающем перекрытие трибун стадиона, с весьма большим вылетом консоли, достигающим 16,2 м; плита перекрытия, как видно на рисунке, расположена по нижней криволинейной грани консоли.

 

 

Рис. 16. Трибуна стадиона

 

 

На рис. 17 показано применение рам с консолями для устройства ангара. В последнем случае обращает на себя внимание более сложное устройство консоли, напоминающее нечто вроде ферменной конструкции.

 

 

Рис. 17. Ангар

 

 

Своеобразным примером рам с внутренними консолями может служить здание крытого стадиона в Уэмблей (рис. 18 и 19).

 

 

Рис. 18. Стадион в Уэмблей

 

 

Рис. 19. Стадион в Уэмблей

 

 

Помимо всех рассмотренных выше типов рам, существует еще одна своеобразная группа сооружений — это одностоечные консольные конструкции. Строго говоря, с точки зрения строительной механики подобного типа сооружения не относятся к рамным конструкциям, представляя собой обыкновенную ломаного очертания балку, заделанную одним концом; но тем не менее целесообразно о них сказать несколько слов ввиду того, что по габаритным очертаниям они весьма близки к разбираемым нами рамам.

 

Устойчивость одностоечных конструкций достигается их заделкой в фундамент. Если сооружение симметрично, то при симметричности большинства основных нагрузок, встречающихся в гражданских сооружениях, заделка стойки в фундамент не представляет никаких затруднений, и фундамент, работающий почти на центральную нагрузку, получается обычных размеров. Только при одноконсольных конструкциях, особенно при больших вылетах консоли, для заделки требуется иногда устройство довольно солидного башмака, причем желательно, конечно, при этом иметь более или менее надежный грунт.

 

Одностоечные конструкции применяются главным образом для устройства всякого рода навесов. На рис. 20 изображена конструкция перонного перекрытия с криволинейными консолями и с заполнением в виде оболочки.

 

 

Рис. 20. Перрон в Мюнхене

 

 

Конструкции, подобные перронным перекрытиям, могут быть применимы для устройства и разного рода других сооружений. На рис. 21 изображен проект подобного устройства для здания рынка. Наконец, весьма интересный случай применения одностоечной конструкции с одной консолью для устройства перекрытия концертного зала дан на рис. 22 и 23.

 

 

Рис. 21. Рынок

 

 

Рис. 22. Концертный зал в Амстердаме. План

 

 

Рис. 23. Концертный зал в Амстердаме. Разрез

 

 

Суммируя весь рассмотренный выше материал, приходим к следующим выводам:

 

Все это заставляет пожелать, чтобы в вашем огромном и разнообразном строительстве рамные конструкции заняли подобающее им место и применялись архитекторами чаще, чем это было до сих пор.