А. Д. Чаплыгин. О выборе конструкций для высотных зданий

 

 

 

Автор статьи:	Чаплыгин А. Д. — советский инженер, доцент.
Статья публикуется по изданию:	О выборе конструкций для высотных зданий / А. Д. Чаплыгин // Проблемы архитектуры : Сборник материалов : Том II, книга 2. — Москва : Издательство Всесоюзной Академии архитектуры, 1937. — С. 391—400.
Аннотация:	Статья советского инженера А. Д. Чаплыгина «О выборе конструкций для высотных зданий», опубликованная в 1937 году, посвящена актуальным проблемам строительства в контексте реконструкции Москвы. Автор рассматривает преимущества и недостатки различных типов конструкций: кирпичных стен, железобетонного и стального каркасов. Особое внимание уделяется комбинированным решениям, таким как железобетонный каркас с жесткой арматурой, который сочетает скорость монтажа стальных конструкций с огнестойкостью и несущей способностью железобетона. Поднимаются вопросы оптимизации сетки колонн, выбора марок бетона и процента армирования для уменьшения габаритов конструкций и стоимости. Статья подчеркивает необходимость тесного сотрудничества архитекторов и инженеров, а также важность использования легких материалов для стенового заполнения и разработки новых типов междуэтажных перекрытий для повышения эффективности и экономичности высотного строительства.   The article "On the Choice of Structures for High-Rise Buildings" by Soviet engineer A. D. Chaplygin, published in 1937, addresses pressing issues in construction during the reconstruction of Moscow. The author examines the advantages and disadvantages of various structural types: brick walls, reinforced concrete, and steel frames. Particular attention is paid to combined solutions, such as a reinforced concrete frame with rigid reinforcement, which combines the assembly speed of steel structures with the fire resistance and load-bearing capacity of reinforced concrete. The article raises issues of optimizing column grids, selecting concrete grades, and reinforcement percentages to reduce the dimensions and cost of structures. Chaplygin emphasizes the necessity of close collaboration between architects and engineers, as well as the importance of using lightweight materials for wall infill and developing new types of floor slabs to enhance the efficiency and cost-effectiveness of high-rise construction.   苏联工程师 A. D. 查普雷金的文章《关于高层建筑结构的选择》发表于 1937 年，针对莫斯科重建背景下的紧迫施工问题。作者探讨了不同类型结构的优缺点：砖墙、钢筋混凝土框架和钢框架。特别关注组合解决方案，例如带有刚性钢筋的钢筋混凝土框架，它结合了钢结构安装速度与钢筋混凝土的防火性和承载能力。文章提出了优化柱网、选择混凝土标号和配筋率以减少结构尺寸和成本的问题。查普雷金强调建筑师与工程师之间紧密合作的必要性，以及使用轻质墙体填充材料和开发新型楼板对于提高高层建筑施工效率与成本效益的重要性。   1937年に発表されたソ連の技術者A. D. チャプルイギンの論文「高層建築物の構造の選択について」は、モスクワ再建の文脈における建設上の喫緊の課題を論じている。著者は、レンガ壁、鉄筋コンクリート骨組、鋼骨構造など、さまざまな構造形式の長所と短所を検討している。特に、鋼構造の組み立て速度と鉄筋コンクリートの耐火性および耐荷重能力を兼ね備えた、剛性鉄筋を備えた鉄筋コンクリート骨組などの複合ソリューションに注目している。構造物の寸法とコストを削減するための柱配置の最適化、コンクリートの設計基準強度の選択、配筋率などの問題が提起されている。チャプルイギンは、建築家と技術者の緊密な協力の必要性、および、高層建築の効率性と経済性を向上させるための軽量な壁埋め材料の使用と新しい種類の床板の開発の重要性を強調している。
Факсимильный скан издания:	tehne.com/library/problemy-arhitektury-sbornik-materialov-tom-ii-kniga-2-moskva-1937

 

 

 

 

Вопросы строительной техники неразрывно связаны с вопросами архитектуры. Всякое пренебрежение строительной техникой ведет к созданию неполноценных архитектурных сооружений, в облике которых отсутствует истинная правдивость. Кроме того, это пренебрежение строительной техникой во многих случаях весьма чувствительно отражается на стоимости сооружений.

 

Реконструкция Москвы выдвигает ряд проблем. Одной из таких проблем является выбор типа конструкций для зданий большой высотности, определенное количество которых мы должны будем возвести в ближайшие годы.

 

Решение этой задачи не может быть возложено только на конструкторов-строителей. Архитектор должен принять в этом деле самое непосредственное участие. Ведь не говоря уже о том, что архитектор-автор ответственен за все сооружение в целом, за его рациональную конструкцию, за его стоимость, у него, кроме того, есть и свои специфические интересы при решении этой задачи: выбор сетки колонн, размеры самых стоек, типы перекрытий, тип заполнения — все это в той или иной степени отражается на архитектуре здания. Вот почему Академия архитектуры и включила в план работы кабинета строительной техники проблему конструкций зданий большой высотности. Возводимые у нас до сих пор здания, высотой обычно не более 10—12 этажей, имели как бы бесспорную конструкцию: до известного предела (этажей 6—8 — имеется в виду непромышленное строительство) использовался кирпич в виде сплошных стен, выше — железобетонный каркас.

 

Последний является как бы естественным заменителем кирпичных стен, когда они становятся уже чересчур громоздкими и дорогими. Но железобетонный каркас при известных предельных высотах начинает обнаруживать те же пороки, что и кирпичная стана. Возникает потребность в переходе на новый материал (сталь) и в установлении граничащих линий в применении кирпича, железобетона и стали.

 

В западно-европейской и американской литературе имеется ряд серьезных исследований на эту тему, например германского инженера Эмпергера, Американского института стали и пр. Для условий нашего строительства эту работу предстоит еще проделать. При этом в некоторых случаях необходимо учесть целесообразность комбинированных решений.

 

Одним из таких решений является железобетонный каркас с жесткой арматурой. Эта последняя, проектируемая из прокатных профилей, обладает всеми преимуществами стальных конструкций — сборностью, возможностью широкой индустриализации. Установленная на место, жесткая арматура на период стройки служит каркасом, по которому можно делать перекрытия, легко подвешивать опалубку, экономя тем самым, помимо всего прочего, и на сроках работ. После бетонирования с небольшим добавлением гибкой арматуры получается железобетонный каркас — огнестойкий и способный принять полную нагрузку, под которую спроектировано сооружение.

 

 

Рис. 1. Американские типы междуэтажных перекрытий

 

 

Таким образом, преимуществом этого типа каркаса по сравнению с обычным железобетонным являются бо́льшие удобства в производстве работ и ускорение темпов возведения сооружения, недостаток — несколько больший расход металла. Перед чисто стальным каркасом здесь имеется преимущество меньшего расхода стали, так как засчитывается в работу бетон, который в стальном каркасе играет только роль огнезащитной оболочки, но зато несколько усложняется производство работ.

 

 

Рис. 2. Американские типы междуэтажных перекрытий

 

 

Примеры подобной конструкции уже имеются в нашем строительстве, например в доме Совнаркома СССР в Охотном ряду.

 

Возможен и другой тип комбинированного решения. Некоторое количество верхних этажей выполняется в железобетоне с жесткой арматурой, а нижние этажи имеют чисто стальной каркас. Подбирая соответствующим образом марки бетона и процент армирования, можно добиться почти постоянного сечения колонны по всей высоте, что может дать ряд архитектурных и конструктивных преимуществ, особенно для стеновых колонн.

 

 

Рис. 3. Американские типы междуэтажных перекрытий

 

 

Основное преимущество этого типа смешанного решения — меньший, чем в стальном каркасе, расход металла, меньшие размеры стоек и менее трудоемкая работа, чем в железобетонном решении. Экономическая его эффективность и степень конструктивной целесообразности должны быть выявлены рядом сравнительных проектировок, что сейчас и проделывается кабинетом строительной техники.

 

 

Рис. 4. Американские типы междуэтажных перекрытий

 

 

Но, выбрав тот или иной тип каркаса, мы уже в нем самом сталкиваемся с целым рядом неясных, переменных моментов. Возьмем железобетонный каркас. Правильный выбор сетки колонны имеет первостепенное значение для всего сооружения. Германский инженер Шторц подсчитал, что каждый лишний метр увеличения против нормального размера сетки 4×4 м дает удорожание всего скелета на 10%. Эти подсчеты необходимо проверить для наших условий и иметь это в виду при выборе сетки.

 

 

Рис. 5. Американские типы междуэтажных перекрытий

 

 

Размеры стоек каркаса влияют на величину полезной площади помещения и отражаются на их архитектурном оформлении. Мы обладаем средствами, позволяющими до некоторого предела влиять на эти размеры.

 

 

Рис. 6. Американские типы междуэтажных перекрытий

 

 

Первое — это выбор надлежащей марки бетона: применение бетона большей прочности уменьшает размеры стоек, но удельная стоимость этого бетона выше; появляется необходимость установления какого-то критерия.

 

 

Рис. 7. Американские типы междуэтажных перекрытий

 

 

Второй способ уменьшения размеров колонн — это применение процента армирования. Обычно считается, что железобетонная стойка тем дешевле, чем меньше в ней арматуры. Но при больших нагрузках слабо армированные стойки получают большие размеры, что ведет, с одной стороны, к дополнительному увеличению нагрузки, с другой — к уменьшению полезной площади и к целому ряду затруднений при их архитектурной обработке. Во многих случаях возникает вопрос не только о проценте армирования, но и о типе самой арматуры, а именно — об отказе от гибкой и переходе на жесткую арматуру из прокатных профилей. Эта арматура весьма существенно влияет на размеры стоек, особенно если учесть предварительное напряжение металла. Но для рационального использования арматуры этого типа необходимо выяснить ряд положений, из которых важнейшим является процент армирования. Американские нормы указывают как предел 6%; но недавно в Америке же выстроено здание, где этот процент достигает 13. Для изучения колонн этого типа необходимо поставить ряд лабораторных испытаний. Чтобы судить о степени влияния всех вышеуказанных факторов на размеры строек, приводится таблица (рис. 11), дающая размеры при разных марках бетона и различных процентах армирования для стойки под нагрузку в 500 т, что соответствует стойке нижнего этажа обычного общественного, например административного, здания высотой в 20 этажей. Как видно, колебания в размерах весьма значительны. Если наибольшая по размерам стойка имеет площадь в 1 м², что составляет при сетке 5×5 — 4% общей полезной площади, то площадь наименьшей — 0,25 м², т. е. 1% полезной площади.

 

 

Рис. 8. Американские типы междуэтажных перекрытий

 

 

В отношении междуэтажных перекрытий при железобетонном каркасе необходимо отметить следующее. Если для промышленных сооружений можно мириться с обычным ребристым перекрытием, дающим там в большинстве случаев экономное и целесообразное решение, то в применении к зданиям общественным этот тип перекрытий вызывает много неудобств. Необходимость во многих случаях скрыть ребра вызывает потребность устройства нижней плиты, что создает дополнительные затруднения в производстве работ и дает большую толщину перекрытия. Кроме того, обычное ребристое перекрытие вообще мало удобно для тепло- и звукоизоляции. Другой вариант этого типа перекрытия — с нижней плитой и деревянным заполнением по верху балок — нисколько не лучше основного типа. Все это заставляет искать новых, более совершенных решений. Здесь можно указать на различные сборные настилы, на часто ребристые конструкции с включениями легких заполнителей и пр.

 

 

Рис. 9. Типы американских керамических блоков

 

 

Эти виды решений с большим успехом применяются в западно-европейском строительстве, но у нас они, к сожалению, редко встречаются.

 

Необходимо обратить внимание на применение консольных каркасов с колоннами, отставленными от стены внутрь здания. По некоторым подсчетам при надлежащем выборе величины выноса консоли можно получить в стоимости каркаса до 15% экономии.

 

 

Рис. 10. Американский тип заполнения стального каркаса

 

 

Подводя итоги всему вышесказанному о железобетонном каркасе, необходимо установить, что в этот в основном достаточно хорошо освоенный нами тип конструкции предстоит еще внести много улучшений, чтобы сделать наиболее эффективным его применение в нашем строительстве.

 

 

Рис. 11. Варианты сечений железобетонных стоек под нагрузку в 500 т

 

 

Обратимся теперь к стальному каркасу. Первым возникает вопрос о типе стоек. Американцы, признанные мастера стальных конструкций, оперируют по преимуществу сплошными сечениями, состоящими во многих случаях, из одного прокатного профиля.

 

Кабинетом строительной техники был проделан ряд сравнительных проектировок стоек под разные нагрузки, с использованием нашего, германского и американского сортаментов. Результаты этой работы представлены в таблице рис. 12.

 

 

Рис. 12. Варианты сечений стальных стоек

 

 

Как видим, американцы имеют возможность стойки под нагрузку до 500 т конструировать из одного двутаврового профиля (так называемый профиль Карнеджи), в то время как наш сортамент вынуждает ставить целый набор профилей, что отражается и на темпе работ и на размерах стоек.

 

Необходимо и у нас поднять вопрос о прокатке специальных профилей или поставить опыты с изготовлением сварных профилей.

 

Если в железобетонном каркасе имеется значительный опыт устройства перекрытий, то для стального каркаса его почти нет. В наших условиях наиболее простым является устройство железобетонной плиты. Но, помимо большого веса такой конструкции и затруднений в устройстве звуко- и теплоизоляции, она еще нарушает и принцип сборности всей конструкции каркаса. Необходимо заняться разработкой и изготовлением различных типов сборных и легких настилов.

 

Помимо решения основного костяка здания, важной проблемой является также стеновое заполнение.

 

Одно из главных требований, которое должно быть предъявлено к заполнению, — это по возможности наименьший его вес. Выполнение этого требования зависит от двух условий: выбор подходящего материала и соответствующее оформление фасада. Наше строительство до сих пор грешит и в том и в другом отношениях.

 

В качестве материала у нас в большинстве случаев идет кирпич, дающий вес заполнения 700—900 кг/м², в то время как американцы, применяя разного рода легкие заполнители, главным образом керамические ящики, дают вес 300—400 кг/м².

 

Неблагополучно также с архитектурным решением каркасной стены. Специфичным для этого типа конструкции является ее большая легкость, ажурность. Между тем, зачастую у нас решают каркасную стену в массивных каменных формах, дающих огромную нагрузку на скелет. Имеются случаи в нашем строительстве, когда для погашения этого недостатка либо вовсе отказываются от железобетонного каркаса стены, используя огромные каменные пилоны, как стойки (дом СНК СССР в Охотном ряду), либо ставят наружную стену независимо от каркаса (дом Наркомсвязи на ул. Кирова). Здесь использовано решение, которое применялось в Америке 50 лет тому назад, в начале возникновения каркасной конструкции.

 

Необходимо срочно подобрать соответствующие материалы для стенового заполнения (керамические блоки наши заводы уже начинают изготовлять), и архитекторам при решении каркасной стены надо учитывать ее специфику.

 

Разумное решение конструкций высотного здания возможно только при общей дружной работе научно-исследовательских, проектирующих и строящих организаций. Разрешив это, мы тем самым будем способствовать выполнению указаний партии и правительства о поднятии нашего строительства на ту высокую ступень, на которой находятся другие передовые отрасли нашей промышленности.