|
|
|
Г. А. Цвингман. Современные конструкции куполов
СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ КУПОЛОВГ. А. ЦвингманОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
С чиста инженерной точки зрения, купола, как конструктивные элементы, являются наиболее эффективными, а поэтому широко применяемыми типами покрытий. Купола не только венчают отдельные здания, но во многих случаях представляют собою самостоятельные большепролетные инженерные сооружения, например цирки, театры, аудитории, клубы, манежи и т. п.
Современное строительство нашей страны в большом масштабе осваивает самые разнообразные архитектурно-конструктивные формы куполов, которые возводятся в разных материалах как при малых, так и при больших габаритах. Поэтому большой интерес представляют собою конструкции купольных покрытий, которые в настоящее время решаются нами на базе освоения всех последних новейших достижений науки и строительной техники.
Применение высококачественных сталей и бетонов, использование электросварки, гвоздей и лучших форм шпонок для сопряжения элементов, новые способы возведения на базе индустриализации, переход от кустарщины к высокопродуктивным формам организации процесса монтажа на стройплощадке — вот основные условия создания совершенно новых и оригинальных конструкций купольных покрытий. Последние характеризуются также весьма четкими и изящными архитектурными формами.
Рациональное распределение материала в самой конструкции дало возможность максимально уменьшить поперечные сечения, а следовательно, и собственный вес покрытий при достижении большей равнопрочности работы всего сооружения в целом.
Настоящая статья посвящена поэтому анализу разных конструкций купольных покрытий.
В основу изложения мною принята систематизация куполов не по материалу, из которого они осуществляются, а по архитектурно-конструктивной форме всего покрытия в целом. Уточнив, таким образом, конструктивные детали оптимальных форм куполов, в дальнейшем можно будет провести уже исследование и их архитектуры. Не претендуя на исчерпывающую полноту освещения всех вопросов, связанных с разработкой оптимальных типов конструкций купольных покрытий, эта статья дает только на ряде примеров принципиальные положения конструирования их типовых форм, осуществляемых в основных стройматериалах, как-то: в камне, дереве, в металле и в железобетоне.
СПЛОШНЫЕ ТОНКОСТЕННЫЕ КУПОЛА-ОБОЛОЧКИ
В архитектурном отношении сплошные тонкостенные купола представляют большой интерес, поскольку они позволяют осуществлять не только-совершенно ровные и гладкие внутренние и наружные поверхности, но дают возможность создать многогранную купольную форму с богатой игрой светотени, хотя и при отсутствии резко выступающих граней, плоскостей а ребер. Полностью воспроизводя зрительное восприятие небесного свода, эти архитектурно-конструктивные формы могут иметь самые разнообразные очертания по профилю своего поперечного сечения. Устраивая световые-проемы в верхних и боковых частях этих куполов, можно получить изящное и своеобразное сочетание темных и светлых плоскостей, играющих большую роль при решении архитектурно-композиционного замысла. При художественном оформлении совершенно гладкие и ровные поверхности интерьера и экстерьера купола представляют исключительные достоинства в отношении диапазона выбора всевозможных методов живописи и скульптурно-лепной обработки.
Рис. 1. Сплошной безреберный каменный купол в типовом решении
Каменные (сплошные) безреберные купола-оболочки прежде широко-применялись в религиозно-культовом (церковном) строительстве. Они выкладываются концентрическими кругами из отдельных (иногда специально обтесанных) камней на скрепляющих растворах — цементном, известковом и пр. Для кладки купола может быть употреблен любой каменный материал.
Практика реального строительства знает много фактов осуществления куполов и из искусственных и из естественных камней. Как те, так и другие возможны разных размеров, из коих следует выделить мелкоштучный, среднештучный и крупноблочный камень. При значительных размерах купола, возводимого из камней малого размера, как, например, кирпичей, соответствующая кривизна его поверхности достигается путем изменения положения отдельных камней относительно друг друга, что является возможным благодаря разнице в толщине шва, заполняемого скрепляющим раствором.
Рис. 2. Сплошной каменный купол покрытия храма Минервы Медика II—III в.
Если купол имеет малые размеры и возводится из крупных камней-блоков, то они должны уже иметь специальную лекальную форму, но не в одной, а в двух плоскостях, т. е. со всех четырех граней. Для надежной перевязки швов между отдельными камнями в соответствующих кольцевых рядах необходимо изменять размеры камней-блоков. При точной пригонке без больших зазоров отдельных камней друг к другу по всем четырем сжатым рабочим сторонам купол может быть выложен насухо, без заполнения швов раствором. Всякие проемы в сплошных каменных куполах должны иметь форму арочного очертания в виде полукруга или замкнутого контура с устройством обратной арки, воспринимающей верхнее и боковое давление и передающей его нижним частям купола.
Каменные сплошные купола возводятся без внутренних лесов. Производственный процесс кладки обычно начинается сразу от опорного кольца по всему контуру. Выложенные кольцевые поверхности рационально используются как опоры для наружных подмостей, предназначаемых для укладки вышележащих частей.
Толщина оболочки сплошных каменных куполов имеет значительные размеры ввиду малых допускаемых напряжений на сжатие.
Многие памятники архитектуры имеют каменные купольные покрытия, которые поражают своими грандиозными массивами, как, например, Пантеон в Риме (d = 44,0 м), возведенный Аполлодором из Дамаска, в 115—125 гг. н. э., купол которого в основном представляет сплошную массивную конструкцию. Он был изучен известным архитектором Ронделе, который исследовал подробнейшим образом всю конструкцию этого сооружения. Купол имеет верхнее центральное световое и вентиляционное отверстие и опирается на массивные стены, воспринимающие распор. Изнутри с большим искусством оформлен отдельными вогнутыми многоступенчатыми плафонами с центральной розеткой. Расположение плафонов подчинено определенному закону, который создает ложный (как бы сетчатый), каркас купола. Выступающие ребра, идущие по меридианам и параллелям, образуют совершенно правильную сетку. Эти ребра, при толщине самого купола в 1,4 м, не являются, конечно, несущими, а имеют чисто декоративный характер.
В верхних частях купола кровля гладкая и состоит из чешуйчатого покрытия — черепицы, а в нижних она имеет ступенчатое очертание.
Рис. 3. Каменный купол музея-храма Айя-София в Стамбуле (Константинополь), d = 32 м, 532—537 гг. н. э.
Каменный купол б. храма-мечети Айя-София, ныне музей в Стамбуле (построен в Константинополе в 534—537 гг.), хотя и имеет диаметр в 32,0 м, но толщина его оболочки равна уже всего 0,8 м, что составляет 1/40 часть от диаметра, в то время как эта величина для купола Пантеона в Риме определяется в 1/32.
Изучение статической схемы работы и анализ прочности конструкции купольного покрытия Айя-Софии явились темой специального доклада в 1892 г. архитектора Видман Торн (Widman Torn) Королевскому обществу британских архитекторов. В результате произведенных им расчетов выявлено, что давление купола в пятах по периметру у его опорного кольца составляет около 5 т на 1 пог. м. Центральный купол опирается на четыре арки, образуя в углах четыре парусных поверхности. В продольном направлении распор от центрального купола передается нижерасположенным полукуполам-абсидам, распределяющим его уже на массивные наружные и внутренние стены. В поперечном же направлении распор поглощается двумя мощными контрфорсами и боковыми нижерасположенными частями сооружения.
Рис. 4. Деревянный тонкостенный купол многослойной конструкции покрытия газгольдеров, d = 32,0 м
Возведенный архитектором Синаном в 1567—1574 гг. в Адрианополе каменный купол мечети Салтание имеет отношение толщины к диаметру, равное 1/70, что составляет как бы предел рационального использования каменного материала в конструкции купола.
Ввиду значительных размеров толщины, каменные купола не требуют специального утепления, поскольку столь мощный каменный массив вполне обеспечивает нормальный температурно-влажностный режим в помещении (например для климата Москвы при толщине в 1 м).
По куполам обычно устраивается каменное кровельное покрытие из черепицы, шифера или из специальных каменных плит.
Для облегчения собственного веса куполов последние могут возводиться из легких каменных материалов, например туфа, пористого известняка и т. п. Область применения сплошных каменных куполов в настоящее время значительно сокращена ввиду их громоздкости, большого расхода материала как на самое покрытие, так и на стены и фундаменты.
Деревянные сплошные тонкостенные купола-оболочки в своих оптимальных решениях построены у нас впервые только в течение последнего пятилетия и осуществлены в покрытиях гражданских и промышленных сооружений.
В дереве эту форму удается выполнить двумя конструктивными способами. Наиболее простым является кружально-костяковый (кольце-массивный) тип, который возводится из отдельных косяков, укладывающихся замкнутыми кольцами или спирально располагаемыми слоями. Косяки не должны быть большой длины, так как иначе их пришлось бы выгибать, что в производственном отношении является довольно сложным и неудобным. Косяки могут быть изготовляемы в массовом количестве из разного рода обрезков, отходов, что должно, естественно, рассматриваться как достоинство этой конструкции. Косяки скрепляют гвоздями, расстанавливаемыми с таким расчетом, чтобы каждый косяк прикреплялся не менее как в трех местах. Во время сборки особое внимание должно быть обращено на сохранение правильной формы купола. Метод сборки этих деревянных куполов ничем не отличается от сборки обычных куполов, проводимой без лесов, но с рабочей монтажной площадкой, расположенной по верху уже возведенной части купола.
К этому решению следует отнести и первичную многогранную форму этих куполов, осуществляемых из бревен, брусьев и досок, которые укладываются концентрическими слоями друг на друга. Подобные конструкции осуществлялись в прежние времена в купольных покрытиях церквей на севере нашей страны. В настоящее время они применяются для покрытия сельскохозяйственных силосных башен. Кольце-массивный тип деревянного купола был впервые осуществлен инж. Кашкаровым в 1933 г. в покрытии павильона в Петровском парке в Москве. Деревянные купола подобной конструкции можно возводить при пролетах в несколько десятков метров. Достичь полной монолитности работы такого конструктивного решения трудно, поэтому для большей устойчивости рационально усиливать его радиально расположенными ребрами, тем самым превращая его в ребристую конструктивную форму.
Вторым решением деревянного тонкостенного купола являются обычные оболочки, конструируемые из нескольких слоев взаимно перекрещивающихся настилов, скрепляемые нагельными сопряжениями и преимущественно гвоздями. Система расположения рабочих настилов в таких тонкостенных куполах может быть в свою очередь в нескольких конструктивных вариантах. Все эти решения, кроме того, характерны наличием как бы каркаса из радиально расположенных отдельных арочек, состоящих из 2—4 тонких тесин, сшитых гвоздями. Внизу эти арочки упираются в нижнее опорное растянутое кольцо, а наверху крепятся в специальное сжатое ключевое кольцо. Арочки являются очень гибкими элементами, а поэтому их необходимо во время монтажа подпирать во многих точках специальными лесами и подмостями. Поверх арочек сразу можно крепить поперечно располагаемый настил, сверх которого отдельными секторными участками уже нашиваются два рабочих косых настила под углом 45° к образующей поверхности купола.
Во втором варианте поверх арочного каркаса сразу же нашивается кольцевой брусковый настил, а затем уже производится настилка косых слоев. Не исключены из практики случаи, когда косые настилы нашиваются непосредственно по аркам. Последний вариант, помимо чисто производственных сложностей, имеет тот недостаток, что рабочие настилы должны быть тогда несколько большей толщины, поскольку они работают на поперечный изгиб при большом пролете.
Деревянные купола при незначительной вспарушенности могут быть покрыты руберойдом при обязательном наличии защитного настила из тонких реек шириной 50—80 мм при толщине в 12 или 19 мм, хорошо просушенных и пропитанных антисептиками (фтористым натром), пришитых ровным слоем со стыками вразбежку гвоздями диаметром 2—4 мм и длиною 50—75 мм. Рулоны руберойда должны раскатываться в радиальном направлении вниз по скату поверхности купола. Неизбежно образуемые при этом косяки секторной формы покрываются неполными полосами руберойда. В целях обеспечения нормального холодного продуха в любой части деревянного купола следует применять чешуйчатую кровлю хотя бы в форме этернитового, асбофанерного, черепичного и шиферного покрова. Этим кровлям во всех случаях следует отдавать предпочтение не только по конструктивным соображениям, но также в архитектурном и в эксплоатационном отношениях.
Кружально-косяковые решения деревянных куполов-оболочек, как правило, не требуют специального утепления, поскольку толщина оболочки, соответствующая ширине косяков, часто бывает вполне достаточной для обеспечения нормального температурно-влажностного режима ограждения. Многослойная схема куполов-оболочек в основном применяется для холодных покрытий. При необходимости можно утеплить и его, однако только плитным утеплителем, который должен укладываться в отверстия между нижними арками заподлицо с ними или же просто подшиваться сплошным слоем к нижним граням арок.
Рис. 6. Металлический тонкостенный купол секторно-листовой конструкции в типовом решении
Многослойные деревянные купола-оболочки у нас запроектированы в большом количестве, и уже имеется немало примеров реально осуществленных покрытий. Наибольшего внимания заслуживают купола покрытия газгольдеров и нефтяных резервуаров, диаметрами 25—30—35 м при стреле подъема в 4,5—5,5—6,5 м. Первый опыт проектирования, строительства и эксплоатации деревянных куполов полностью подтвердил их технико-экономические достоинства, на основании чего они и могут быть рекомендованы для нашего современного строительства.
Не исключена возможность осуществления тонкостенного купола в виде кружально-щитового (как бы крупноблочного) решения. Однако большое количество разных номеров щитов и сложность при монтаже являются их основными недостатками.
Металлические сплошные купола-оболочки можно осуществлять при пролетах до 5—12 м и применять исключительно в промышленном строительстве для покрытия кауперов, резервуаров, баков и т. п. По конструкции следует различать два основных вида: 1) кольце-листовую и 2) секторно-листовую форму. В кольце-листовом решении отдельные листы располагаются совершенно так же, как обтесанные камни-блоки, с расстановкой стыков-швов вразбежку по меридианам и параллелям. Секторно-листовая конструкция дает возможность иметь в оболочке купола только одни меридиональные швы. В обоих этих решениях все швы являются основными рабочими сопряжениями, которые воспринимают меридиональные и кольцевые как сжимающие, так и растягивающие усилия. Металлические тонкостенные купола монтируются непосредственно на земле, из специально заготовленных на заводах элементов, затем поднимаются в готовом виде подъемными мачтами-кранами и устанавливаются на место при наличии жесткого скрепления по всему контуру опоры.
Железобетонные тонкостенные купола-оболочки впервые были применены в Германии 50 лет назад в разных промышленных сооружениях. У нас в Союзе за последнее время они возведены в большом количестве не только в промышленно- и санитарно-техническом строительствах, но и в культурно-бытовых гражданских сооружениях.
Только в железобетоне можно создать совершенно монолитную, действительно идеальную, тонкую оболочку купольного покрытия. Купол может иметь только одно растянутое нижнее опорное кольцо. При значительных пролетах верхнего отверстия, края его также должны иметь жесткий краевой бортовый элемент. Армирование железобетонных куполов, как правило, состоит из сетки рабочей арматуры — кольцевой и меридиональной.
Проемы следует усиливать установкой специальной рабочей и распределительной арматуры. Железобетонные тонкостенные купола могут не вызывать никакого распирающего действия на стены, поглощая его отдельными кольцевыми участками, чему во многом способствует их идеальная монолитность.
При больших диаметрах железобетонного купола его оболочка уже должна иметь двойную сетку арматуры — верхнюю и нижнюю.
Рис. 8. Железобетонный тонкостенный купол в типовом решении
В железобетонном тонкостенном куполе значительно легче и проще осуществить всякого рода проемы. При холодных покрытиях прямо по его железобетонной поверхности наклеивается рубероидный ковер. Однако для теплых покрытий железобетонных куполов необходимо делать поверх купола настилку специального термоизоляционного слоя из пенобетона, шлака, пемзы, кускового трепела толщиной от 8 до 15 см. Поверх утеплителя наносится тонким слоем в 20—30 мм бетонная корочка-смазка, создающая гладкую и ровную поверхность, по которой уже наклеивается руберойд.
Во время производства работ железобетонные купола требуют устройства специальных форм — опалубок, надобность в которых устраняется после полного затвердения бетона. Опалубки для железобетонных куполов приходится делать очень аккуратно и тщательно в целях получения чистой, совершенно гладкой и ровной внутренней поверхности. Поэтому во многих случаях рекомендуется производить остружку поверхности опалубки. За последние годы у нас в Союзе построены сотни тонкостенных железобетонных куполов, главным образом в покрытиях водяных, нефтяных и прочих резервуаров, бассейнов, баков и т. п.
Рис. 9. Железобетонный тонкостенный купол покрытия зрительного зала Нового театра в Новосибирске, 1934 г.
Большого внимания заслуживает тонкостенный купол-конус покрытия машинно-аппаратного корпуса Всесоюзного электроинститута в Москве. Он имеет диаметр в 28,0 м при высоте в 4,0 м и толщине рабочей железобетонной оболочки в 12 см. Этот купол перекрывает квадратное в плане помещение главного зала лаборатории и опирается на восьмигранник-кольцо, у которого четыре взаимно перпендикулярные стороны срезывают прямые углы квадрата плана. Купол утеплен шлаком, имеет защитную бетонную корочку и руберойдный кровельный покров. Из гражданских сооружений, в которых впервые были возведены в СССР тонкостенные железобетонные купола, следует упомянуть о покрытиях фойе кино «Ударник» и театра при I доме ВЦИК и СНК в Москве. Наиболее совершенный и грандиозный по своим размерам железобетонный купол осуществлен в 1934 г. по проекту проф. П. Л. Пастернака и инж. Матери в г. Новосибирске для покрытия Нового театра. При размерах в 60,0 м и высоте 25,0 м толщина рабочей оболочки этого купола равна всего 8 см. Это составляет всего 1/750 часть диаметра, т. е. достигнут почти наивысший предел рационального использования железобетона как материала.
Железобетонные тонкостенные купола, как вполне надежные, простые и оптимальные в конструктивном и архитектурном отношениях формы, должны будут в течение ближайших лет получить еще большую область применения в практике нашего строительства.
Рис. 10. Арматура нижней части купола театра в Новосибирске
РЕБРИСТЫЕ ФОРМЫ КУПОЛОВ
Архитектурные достоинства ребристых форм куполов сводятся к тому, что ребра, располагаемые по меридианам, обыкновенно создают впечатление каркасной (нервюрной) структуры. Благодаря этому более четко, резко, выпукло и рельефно подчеркиваются отдельные поверхности граней, которые могут иметь многогранное или изогнутое в обоих направлениях очертание.
Ребристость этих куполов позволяет создать самые разнообразные кессонные формы плафонов. Они в большинстве случаев используются для скульптурно-художественного оформления.
Каменные ребристые купола впервые были осуществлены в Иране в XIII в.
В период от XIV до XVIII в. ребристые купола достигли своих высших архитектурно-конструктивных форм в сооружениях, которые являются и по настоящее время прекрасными памятниками мировой архитектуры.
В каменных ребристых куполах оболочка и ребро осуществляются одновременно. Каменная кладка ребер и оболочки должна иметь хорошую взаимную перевязку. При значительных габаритах необходимо иметь поперечные связи между ребрами, которые в каменных формах должны быть осуществлены в виде полуциркульных арок с наклонной осью по контуру купольной поверхности.
Рис. 11. Ребристый купол в типовом решении
Конструктивное решение в виде двойной каменной оболочки при наличии ребер, расположенных между ними, является весьма совершенным типовым решением.
Надо полагать, что двойная каменная оболочка впервые была осуществлена в куполе мавзолея Магомета Ильдшанту Ходабенде в Салтание (Иран) в 1304 г. при диаметре 29,85 м. Верхняя и нижняя оболочки этого купола имеют равные толщины и усилены меридиональными ребрами, которые, кроме того, раскреплены промежуточными подпорными арочками.
Во многих других сооруженных куполах следует отметить дифференцированное конструктивное использование оболочек, из которых верхняя имеет значительно меньшие поперечные размеры и рассматривается как кровельное ограждение, в то время как нижняя делается более мощного сечения и является, таким образом, вместе с ребрами основным рабочим элементом. Пространство между оболочками может быть совершенно замкнутым, как, например, у восьмигранного ребристого каменного купола собора во Флоренции, построенного архитектором Брунеллеско в 1421—1434 гг.
В других случаях оно может рассматриваться как чердачное помещение, которое в эксплоатационном отношении оборудуется одним или несколькими горизонтальными ходами и лестницами по верхней грани нижней оболочки.
Купол собора св. Петра в Риме, построенный архитектором Микельанджело в 1626 г., имеет четко выраженную дифференцированную парную ребристую оболочку. Внутри расположены на разных уровнях три контрольные галлереи, которые прорезывают ребра в соответствующих местах.
Рис. 12. Каменный ребристый купол с парными рабочими оболочками храма Петра в Риме, XVI в.
В каменных куполах ребра обычно начинаются со стен, служащих опорой для купола и имеющих понизу значительные размеры. К верхним частям купола ребра, постепенно уменьшаясь по высоте, сближаются друг с другом. Они могут замыкаться вверху либо сжатым кольцом, что необходимо при наличии светового или вентиляционного отверстия, или же постепенно перейти в сплошную, совершенно гладкую, замыкающую коньковую купольную поверхность.
Такого типа каменные ребристые купола характерны для памятников Востока, к которым следует отнести купол медресе Ханым, построенный Тимуром в 1398 г., и купол над могилой Тамерлана (Гур Эмир) в Самарканде, возведенный в 1403 г.
Начиная с прошлого века, применение в строительстве каменных ребристых куполов значительно сократилось. Эта архитектурно-конструктивная форма, осуществленная в железобетоне и в дереве, позволила создать более совершенные конструктивные решения, обладающие меньшим собственным весом, меньшими габаритами сечений рабочих частей и возможностью перекрытия больших пространств.
Деревянные ребристые купола впервые сооружены в Германии, а затем у нас в Союзе, в покрытиях промышленных и гражданских сооружений в своих лучших типовых конструктивных формах. Их отличительной чертой является наличие радиально расположенных ребер, которые, как известно, обеспечивают тонкой многослойной деревянной оболочке купола устойчивость.
Ребристые деревянные купола являются наиболее богатой группой как по количеству возможных конструктивных решений, так и по широте применения их в строительстве.
В основном конструкция оболочки есть многослойное решение из досок на нагелях. Не исключена возможность в деревянных ребристых куполах осуществлять оболочку в виде кольце-косякового (кольце-массивного) решения.
Ребра могут иметь либо сплошную стенку, либо сквозную решетку. Следует отметить, что во всех случаях следует отдавать предпочтение ребрам со сплошной стенкой, которые более устойчивы в пожарном, а также более надежны в конструктивном и в эксплоатационном отношениях. По своему очертанию ребра могут быть в виде балочных схем с верхними гнутыми или ломаными и нижними прямолинейными поясами. Ребра серповидного очертания, в виде нормальных арочных элементов, также вполне приемлемы и рациональны. Сплошные ребра могут быть в поперечном разрезе прямоугольного и двутаврового сечения с цельной, составной, клееной, а также с перекрестной и даже фанерной стенкой на гвоздях.
Рис. 15. Деревянный ребристый купол покрытия резервуаров в типовом решении
Внизу эти ребра лучше всего опирать на растянутое железобетонное кольцо, в то время как верхние их части сходятся в ключевом сжатом кольце, которое конструируется в кружальной форме из отдельных лекальных деревянных косяков.
По периметру опорного кольца расстояние между ребрами не должно превышать 3,0—5,0 м; в противном случае значительно утяжеляются рабочие настилы, нашиваемые поверху ребер.
Сплошной кольцевой настил имеет значительные преимущества ввиду большей огнестойкости и возможности замены специального утеплителя деревоплитой. В этом случае возможен учет толщины косых настилов, нашиваемых для обеспечения нормальной теплопотери секторными участками поверх кольцевого. Поэтому разреженный кольцевой настил целесообразен в холодных помещениях, в то время как при теплых купольных покрытиях кольце-массивное решение предпочтительнее.
Кровлю этих куполов можно осуществлять как в виде сплошного цельного руберойдного покрова со сплошным защитным настилом, так и в форме составного в свободную нахлестку (чешуйчатого) покрова из этернита, асбофанеры, черепицы, шифера и пр.
Применение комбинированного кровельного покрова с нашивкой по пологим верхним частям ребристого купола руберойда, а по крайним, более крутым его поверхностям, этернита или шифера, позволяет создать с архитектурной точки зрения весьма своеобразное и довольно удачное внешнее оформление сооружения.
Рис. 16. Деревянный ребристый купол церкви св. Стефана в Эссене (Германия), d = 23 м, 1932 г.
Сборка деревянных ребристых куполов, по сравнению с тонкостенными, более проста.
Наличие каркаса в виде ребер позволяет значительно облегчить конструкции лесов и подмостей, нужные при монтаже. Подъем ребер выполняется при помощи двух кранов, стрел или башен, симметрично расположенных относительно центра по одному и тому же диаметру. Поднятые ребра закрепляются у нижнего и верхнего кольца. Верхнее сжатое кольцо временно поддерживается на специальной башне, устанавливаемой в центре помещения. Нашивка кольцевого и косых настилов производится, начиная с нижних опорных частей купола, и должна осуществляться, как правило, не секторными участками, а сразу по всему контуру как бы отдельными замкнутыми кольцами.
За последние годы у нас в Союзе возведено несколько ребристых куполов, которые дали возможность уточнить принципы их расчета и конструирования. Наибольшее применение эти формы деревянных куполов должны будут получить в помещениях, не требующих усиленного естественного освещения, поскольку в деревянной оболочке всякие проемы в средних ее частях, за исключением только верхнего конькового, требуют специальных довольно сложных конструктивных мероприятий.
Рис. 17. Железобетонный ребристый купол пролетом d = 120 м в типовом решении
Металлические ребристые купола выполнены главным образом путем применения сварки и могут быть осуществлены при средних размерах покрытий. Только при действительно жестком скреплении металлических ребер с оболочкой может быть обеспечена их совместная работа. Однако практически достичь этого в металлической конструкции купола из-за производственных недостатков затруднительно, что и служило, по всей вероятности, одной из причин малого применения их в строительной практике.
Ребристые тонкостенные оболочки, на базе применения клепаных или сварных сопряжений, можно сконструировать в металле, однако осуществить их в натуре во много раз труднее, нежели в камне, дереве и железобетоне.
Железобетонные ребристые купола впервые были применены в Германии, в Австрии и в Венгрии в течение последнего пятидесятилетия и благодаря своим явным техническим достоинствам получили широкое применение в различных сооружениях. Форма ребра и взаимное расположение их здесь могут быть в самых разнообразных сочетаниях. Только в железобетоне ребристая купольная оболочка может получить идеально жесткую монолитную конструкцию. Наибольшее распространение в железобетоне получили формы купольных покрытий, которые имеют выступающие ребра снизу и гладкую поверхность сверху.
Большого внимания заслуживают — не только с инженерной, но и с архитектурной точки зрения — железобетонные купольные покрытия крытых рынков в Лейпциге и в Базеле, которые имеют выступающие наружу ребра, раскрепленные в верхних частях кольцевыми прогонами при наличии совершенно гладкой многогранной внутренней поверхности.
Рис. 18. Железобетонный ребристый купол покрытия крытого рынка в Базеле, d = 60 м, 1930 г.
Ребра обычно делаются прямоугольного поперечного сечения с отношением высоты к ширине ребра в пределах от 1,5 до 6. Для максимального облегчения собственного веса ребер купола последние могут иметь двутавровое поперечное сечение или даже сквозную решетку. Сложность в опалубке, сборке арматуры, трудности при бетонировании и, наконец, неизбежное оседание пыли на выступающие грани поверхности — являются основными недостатками сквозных ребер. В пределах между ребрами оболочка работает, как тонкая пространственная пластинка, которая может иметь двоякую кривизну или же изогнутость в одном только направлении. При расстоянии ребер друг от друга более чем 8—12 м требуется усилить железобетонную оболочку поперечными дополнительными ребрами, располагаемыми по кольцевым направлениям. Двойные железобетонные оболочки позволяют осуществить очень большие пролеты в несколько сот метров в диаметре.
Первые типы железобетонных ребристых куполов были осуществлены на стационарных подмостях и опалубках. Однако в настоящее время уже имеется полная возможность возводить их как при помощи подвижных вращающихся секторных, так и на сборно-разборных подмостях. Утепляются эти купола устройством поверху специального теплоизоляционного слоя из шлака, пемзы, трепела. Далее наносится тонкая бетонная корочка, которая является основой для наклейки по клебемассе руберойдного ковра. Не исключена возможность устройства по этим железобетонным куполам чешуйчатой кровельной поверхности из этернита, черепицы, асбофанеры. Эти материалы тогда должны пришиваться к специальным деревянным рейкам, прикрепленным к верхней поверхности купола.
Применение двойной оболочки в ребристых железобетонных куполах позволяет создать покрытия весьма больших габаритов. Однако при их осуществлении в натуре неизбежно применение замуровываемых деревянных опалубок.
Рис. 19. Железобетонные ребристые купола покрытия крытого рынка в Лейпциге, d = 70 м. Верхняя часть купола
Железобетонный ребристый купол пролетом 150 м, запроектированный инж. Дишингером, в средней своей части имеет верхнюю и нижнюю рабочие оболочки толщиною 15 см при высоте внутреннего ребра всего в 75 см. При больших габаритах купольного покрытия ребра следует опирать на отдельно стоящие фундаменты. Последние же не должны передавать распор на грунт, а лишь взаимно соединяться замыкающим опорным растянутым кольцом, которое может быть расположено на некоторой высоте или же находиться в земле, под полом помещения.
Рис. 20. Сотовый сводчатый купол в Глонау
Это мероприятие обеспечивает надежную работу сооружения, как купольной конструкции, без опасения возникновения дополнительных изгибающих моментов и значительных деформаций от неравномерной осадки фундаментов.
Рис. 21. Каменный волнисто-складчатый купол часовни Лоренцо во Флоренции, XV в.
ВОЛНИСТО-СКЛАДЧАТЫЕ ФОРМЫ КУПОЛОВ
Качественные показатели архитектурного порядка рассматриваемых форм куполов говорят о возможности создания весьма своеобразного очертания покрытия большепролетных помещений с использованием всех современных методов архитектурно-художественной композиции. Разное очертание складок-волн и большой диапазон габаритных условий дает в руки архитектора огромную возможность широкого оригинального творчества. Редко располагаемые по контуру волны-складки создают ясно выраженную монолитность и массивность при резком выделении их отдельных поверхностей и граней, ребер и световых проемов. Наоборот, часто чередующиеся волны-складки сглаживают резкости их формы, создавая менее выпуклую и рельефную поверхность. Ребристость этих куполов может быть выражена как сильно выдающимися внутрь и наружу острыми треугольными гранями, так и плавными закругленными поверхностями с мягкими, изогнутыми линиями.
Рис. 22. Внешняя волнисто-складчатая поверхность каменного купола мавзолея Гур-Эмира, 1403 г.
Каменные формы волнисто-складчатых покрытий возможны только при сечении складки в виде арки. Наиболее характерный конструктивный вариант, осуществленный ранее в некоторых сооружениях, имеет ендовы малой ширины, что соответствует непосредственному расположению друг за другом отдельных арок-складок. Однако не исключена возможность дать некоторую стрельчатость самой складке, отчего получается более резкое очертание ее рабочих граней. И в каменных складчатых покрытиях световые проемы более всего соответствуют ее верхним частям. При кладке отдельных камней особое внимание должно быть обращено на конструирование хорошей перевязки их в ендовых частях складки. В зависимости от типа каменного материала толщина рабочей оболочки может быть от ⅓ до 1/16 длины складки. Эти архитектурно-конструктивные формы купольных покрытий были выполнены впервые именно в камне, хотя и были осуществлены в своих простейших и первичных менее характерных конструктивных решениях.
Ячеистые, сотовые, сомкнутые и парусные формы сводов и куполов следует признать исходными простейшими решениями, в результате которых и были мною выявлены типовые волнисто-складчатые купола. В качестве примера старых простейших решений можно привести сотовый свод в Глонау и покрытия зала епископского замка в Алегенштене в Германии.
Волнисто-складчатая поверхность купола над могилой Тамерлана в Самарканде имеет чисто декоративное архитектурное значение для оформления экстерьера всего сооружения, не являясь ни в какой мере несущим рабочим конструктивным элементом.
Купол церкви св.св. Сергея и Вакха в Константинополе при пролете в 12,0 м имеет весьма типичное волнисто-складчатое очертание.
Рис. 23. Основная форма волнисто-складчатого купола в типовом решении с треугольной складчатой волной
Из всех архитектурно-конструктивных форм каменных куполов волнисто-складчатые решения, имея относительно малые поперечные сечения изогнутой рабочей оболочки, являются одним из наиболее совершенных и характерных, которые могут быть применены при больших габаритах сооружения.
Деревянные волнисто-складчатые купола могут быть сконструированы при любой форме складки — треугольной, трапецеидальной и арочно-дуговой. В каждой такой складке имеется по две наклоненных друг к другу рабочих арки двутаврового сечения с перекрестной стенкой на гвоздях. Взаимная устойчивость этих арок обеспечивается специальными ребрами, которые устанавливаются вдоль оси самой арки на расстоянии от ⅓—⅕ рабочей высоты складки. Складки в дереве возможны с узкой и расширенной ендовой, размером, не превышающим 3—5 м. Строительная рабочая высота вертикальной проекции складки определяется в пределах 1/20—1/60 от диаметра при ширине в среднем от ⅕ до 1/16. Гнутое очертание поясов неизбежно требует их составного сечения из отдельных квадратных брусочков. Сечение брусков выбирается в зависимости от радиуса кривизны волнистой складки купола с таким расчетом, чтобы отношение длины радиуса кривизны к толщине бруска не было менее 100 при использовании сырого леса. Возможно осуществление поясных элементов не из гнутых реек, а из выкружаленных досок. В обоих случаях необходимо стыки реек и кружальных досок располагать вразбежку, тщательно приторцовывая сжатые упоры.
Рис. 24. Основная форма волнисто-складчатого купола в типовом решении с трапецеидальной складчатой волной
Впервые эти купола были мною запроектированы и испытаны на моделях на стройвыставке в Москве в 1934 г. Рабочие складки были сконструированы в виде составного сечения из досок наподобие деревоплиты, обшитой с обеих сторон косыми настилками. Повышенные деформации, полученные при опытном испытании, выявили необходимость устройства боковых поверхностей стенок — складки в виде арки двутаврового сечения и перекрестной стенки на гвоздях, которую и следует рассматривать как оптимальное конструктивное решение.
Плечо внутренней пары сил берется от общей строительной высоты складки, с учетом коэффициента 0,9.
Сечение поясов определяется в результате конструктивного расчета, исходя из величины изгибающего момента и нормальных сил. Напряжение поверяется по обычной сложной формуле сопротивления с учетом продольного изгиба.
Наличие многих стыков — элементов в поясах, работающих на растяжение — требует увеличения рабочей площади составного сечения этих растянутых поясов на 30—50% в зависимости от системы стыкования самых элементов.
Рис. 25. Основная форма волнисто-складчатого купола в типовом решении с арочно-дуговой складчатой волной
Доски и рейки поясов прикрепляются к перекрестной стенке обычными проволочными гвоздями с тем расчетом, чтобы один гвоздь работал на два расчетных среза. Некоторые затруднения представляет собой расстановка гвоздей в крайних брусках, в которых гвозди распределяются из условий расстояния 15d от торцовых краев перекрестной стенки (во избежание растрескивания последней).
Основной гвоздевой забой определяется по участкам вдоль оси арки и берется как суммарный от воздействия поперечной и нормальной силы, а также поверкой на изгибающий момент.
При малых габаритах складок ребра жесткости можно сконструировать из цельных брусьев и досок. Большие размеры складок, в свою очередь, требуют уже применения этих ребер в виде рам и арок двутаврового сечения и перекрестной стенки на гвоздях. Последним формам ребер жесткости во всех случаях следует отдавать предпочтение. Как показали опыты, проведенные мною над моделями, они позволяют обеспечить большую устойчивость волнисто-складчатой поверхности купола.
Опирание поясов складки на фундаменты может быть разомкнутым и сомкнутым. В последнем случае верхний и нижний пояса у опорных или шарнирных частей складки близко подходят к ее нейтральной оси.
Утепление складок можно хорошо осуществить с наружной стороны путем заполнения среднего промежутка между поясами складок пенобетоном, фибролитом, соломитом, арборитом и другими плитными утеплителями или же сплошной обшивкой рейками из пониженного качества лесоматериалов. Наклонные поверхности складки следует преимущественно покрывать этернитом, асбофанерой, черепицей, шифером и пр. Ендовы же должны быть сделаны из щитов с руберойдным покровом.
Чтобы не затекала вода, этернитовая кровля не должна начинаться на высоте ниже чем полметра от соответствующей ендовой грани.
Кажущаяся сложность оформления волнисто-складчатой конструкции в верхних частях купола при малых ширинах и высотах складки-волны может быть, с одной стороны, легко устранена увеличением размеров верхнего сжатого кольца, а также путем применения комбинированного решения с ребристым или даже тонкостенным куполом в верхних частях сооружения. В течение ближайших лет деревянные волнисто-складчатые купола будут применены при пролетах от 30 до 50 м для покрытия кино, клубов и демонстрационных павильонов, в совхозах и колхозах.
Металлические волнисто-складчатые формы возможны в сооружениях и малого и очень большого масштаба. Как в сводчатых, так и в купольных покрытиях значительных пролетов волнисто-складчатое очертание в металле имеет лучшее конструктивное решение, при этом не в сплошных сечениях, а главным образом в сквозных складчатых схемах. Малое использование при работе на поперечный изгиб материала, находящегося у нейтральной оси поперечного сечения, и плохие теплоизоляционные свойства металла являются основными условиями применения сквозных решений металлических волнисто-складчатых конструкций. Складка состоит в этом случае из двух наклонных ферм, раскрепленных между собой обычными рамами или арками поперечной жесткости. Плоскости ферм забираются легкими железобетонными, шлакобетонными плитами или же заполняются специальными комбинированными блоками-щитами, создавая одновременно и кровельное покрытие и внутреннюю потолочную обшивку.
Железобетонные волнисто-складчатые купола дают наиболее рациональное, конструктивно четкое, простое и вместе с тем очень жесткое монолитное решение этих архитектурно-конструктивных форм. Как складка-волна, так и самый купол могут принимать самые разнообразные конструктивные и композиционные сочетания.
Следует отметить, что складку в железобетоне возможно осуществлять по нижеследующим типовым схемам.
Во-первых, складка может иметь стенку совершенно одинаковой толщины в любом сечении. Такое решение может считаться рациональным при малых и средних пролетах купольного покрытия.
Рис. 26. Волнисто-складчатый стеклобетонный купол (Германия)
Второй тип складки характеризуется наличием разных толщин железобетонной стенки как в пересекающихся, так и в параллельных гранях по отношению к оси поперечного сечения самой складки. Эти параллельные грани и являются основными напряженными элементами складок, в то время как наклонные пересекающиеся с осью складки плоскости служат только как бы для соединения этих рабочих поверхностей и для ограждения пространства.
Третий тип железобетонной складки имеет уже ясно выраженную тенденцию образования как бы поясных элементов в узлах пересечения граней складки.
Создаваемое, таким образом, двутавровое сечение наклонных граней складки имеет тонкую сплошную стенку, которая раскрепляется постановкой соответствующих ребер жесткости. Железобетонные волнисто-складчатые купола могут быть утеплены шлакобетоном, пенобетоном и пр.
В качестве гидроизолятора здесь может быть применен любой штучный кровельный материал. Последний прикрепляется к специальным рейкам (рабочему настилу), пришиваемым к ребровым доскам прокладки и уложенным между отдельными плитами утеплителя.
Высокая технико-экономическая характеристика волнисто-складчатых форм при больших габаритах купольных покрытий и создаваемые ими оригинальные архитектурные образы позволяют рекомендовать их как одно из лучших решений, которое, безусловно; в ближайшие годы найдет себе широкое применение в капитальном строительстве нашей страны.
Рис. 27. Проект волнисто-складчатого купола покрытия цирка d = 90 м, на 15 тыс. чел.; разрез и план
Рис. 27а. Проект волнисто-складчатого купола покрытия цирка d = 90 м, на 15 тыс. чел.; фасад и перспектива
Рис. 27б. Проект волнисто-складчатого купола покрытия цирка d = 90 м, на 15 тыс. чел.; интерьер
БАЛОЧНО-КАРКАСНЫЕ ФОРМЫ ШАТРОВ И КУПОЛОВ
Балочно-каркасные формы шатров и куполов в архитектурном отношении дают возможность резко разграничить функциональность отдельных элементов покрытия. Если с наружной стороны они имеют в основном совершенно гладкое легкое кровельное покрытие, то интерьер их характеризуется четко выраженным каркасом, состоящим из отдельных прямолинейных балочных радиально расположенных стержней, раскрепленных между собой поперечными связями.
Рис. 28. Балочно-каркасный купол-шатер в типовом решении
Балочно-каркасные формы куполов и шатров являются первичными и простейшими решениями каркаса вообще, который позволяет создать только внешнее куполообразное очертание малой кривизны. Осуществить в камне балочно-каркасные формы куполов не представляется возможным ввиду плохой работы на поперечный изгиб каменных материалов и значительного веса рабочих элементов.
Деревянные балочно-каркасные схемы широко применяются в строительстве и являются группой, весьма богатой разными конструктивными вариантами. Однако на практике они применяются не столько в ответственных сооружениях, сколько в покрытиях малого пролета с небольшим сроком службы. В основном рабочие элементы каркаса могут представлять собой простые балки в виде бревен, брусьев и досок, раскрепленных поверху достаточно жесткой пластинкой-кровлей. При таких элементах максимальный диаметр шатра будет около 12—16 м. Эти формы деревянных куполов и шатров осуществлены у нас в покрытиях сельскохозяйственных сооружений: силосов, ям, башен и пр., а также в ряде специальных промсооружений. Много водяных, нефтяных резервуаров, бассейнов и спецхранилищ имеют деревянные балочно-каркасные формы, являющиеся для этих сооружений незаменимыми типами покрытий. При больших габаритах в последних можно применять ребра в виде балок составного сечения, как прямоугольного, так и двутаврового, с перекрестной стенкой. Балки рассматриваются в статическом отношении как элементы простой плоскостной трехшарнирной схемы и могут быть с параллельными и гнутыми верхними поясами. Во всех случаях последней форме балок следует отдавать предпочтение. Применение в качестве рабочих элементов сквозных ферм, хотя бы и сегментного очертания, дает одно из возможных решений деревянных каркасно-балочных форм при значительных диаметрах покрытия. В Германии эти схемы были применены даже для покрытия квадратных и прямоугольных очертаний плана, как опытные покрытия при незначительных габаритах.
Рис. 29. Деревянный балочно-каркасный шатер покрытия сельскохозяйственных силосов, d = 5 м (в типовом решении)
Все ребра-балки должны быть хорошо раскреплены из плоскости своей работы, что достигается постановкой поперечных второстепенных балок, прогонов или же подкосов. Последние надлежит хорошо закреплять у ребер жесткостей в нижних панелях основных рабочих наклонных балок (каркас шатра). Верхние концы подкосов закрепляются у прогонов, несущих кровлю.
Внизу балочные элементы опираются в специальное растянутое кольцо, а вверху сходятся у правого ключевого шарнира.
При отсутствии нижнего растянутого кольца распор должен восприниматься опорами или стенками, которые приходится делать в этом случае с надежными контрфорсами.
В этих каркасных формах кровля совершенно не участвует в работе основных несущих элементов, являясь, таким образом, только нагрузкой.
Неплохое конструктивное решение купола дает пятишарнирная плоскостная схема, состоящая из двух опорных наклонных балок, подпертых вертикальными стойками. В своих верхних шарнирах они несут нормальную трехшарнирную арку из балочных элементов. Эта схема мыслится не только из цельных элементов, но также из балок составного сечения, позволяющего перекрыть купол до 60 м в диаметре.
Металлические балочно-каркасные шатры могут иметь рабочие ребра как из цельнопрокатного профиля (тавры, двутавры и швеллера), так и составного сечения, обычно двутавровой формы со сплошной или со сквозной решеткой.
Первые отвечают малым размерам купола-шатра и соответствуют диаметрам от 5 до 30 м. Большие габариты шатрового покрытия могут быть осуществлены, однако, только при сложном составном сечении несущего ребра. По этим покрытиям может быть уложена деревянная или железобетонная кровля, либо осуществлено сплошное остекление всей поверхности шатра. Строительство за рубежом дает много возведенных в металле смелых и оригинальных балочно-каркасных схем куполов-шатров.
Каркасное шатровое покрытие старой Биржи в Антверпене было осуществлено в 1852 г. арх. Маргеллисом. В плане была перекрыта площадь в 40×30 м. Верхнее отверстие размером 14×19 м служит опорой для центрального светового фонаря. Ребра отлиты из чугуна и имеют декоративную художественно-скульптурную обработку, совершенно скрывающую характерные очертания сквозной решетки. Исаакиевский собор в Ленинграде, построенный в 1818—1858 гг. архитектором Монфераном, также имеет балочное каркасное покрытие с литыми чугунными ребрами, облегченными наличием в стенке нескольких овальных проемов. Каждое ребро состоит из четырех сборных балочных и арочных элементов, устойчивость которых обеспечивается внутренним распорным кольцом. Последнее раскрепляется второстепенными балочными элементами, прикрепляемыми к первому и второму ярусу кольцевых наружных связей. Вся конструкция является только шатровым каркасом, поддерживающим центральный световой и вентиляционный фонари и несущим наружную куполообразную кровельную оболочку.
Рис. 30. Металлический балочно-каркасный шатер покрытия цирка Наполеона в Париже
Балочно-каркасный купол покрытия цирка Наполеона в Париже, построенный по проекту архитектора Шкиндорфа, имеет диаметр около 40 м и несет наверху вентиляционный и световой фонарь. Несущие металлические балки-ребра имеют решетку в виде стоек и взаимно перекрещивающихся раскосов, которые стоят через одну панель, что в настоящее время, конечно, не может быть признано типовым решением.
Покрытие цирка Ота в Берлине пролетом 35 м также имеет металлический балочно-каркасный шатер, состоящий из 20 рабочих наклонных элементов с крестообразной решеткой, раскрепленных между собой двумя рядами второстепенных балок с арочным нижним поясом. К этой группе следует отнести и купол-ротонду центрального павильона всемирной выставки в Вене, возведенный в 1873 г. по проекту инж. Шведлера. Большие габариты сооружения диаметром в 107 м понизу, при верхнем сжатом кольце пролетом в 31 м, несущие еще 10-метровой высоты световой фонарь, — не превзойдены в реально осуществленных купольных сооружениях и по настоящее время.
В советском промышленном строительстве металлические балочно-каркасные купола при малых габаритах были применены в большом масштабе в холодных шатровых покрытиях под резервуарами.
Железобетонные балочно-каркасные схемы шатровых покрытий впервые были осуществлены в Германии в промышленных сооружениях, перекрывая главным образом прямоугольные в плане помещения. Железобетонный балочный каркас обычно имеет рабочие элементы прямоугольного или двутаврового сечения. Их двутавровая форма позволяет перекрывать большие пролеты. Железобетонный каркас шатра несет обычно и легкую железобетонную кровлю. Деревянная конструкция кровли-оболочки в сочетании с балочным каркасом шатра является хорошим покрытием для целого ряда производственных помещений. Примером железобетонного балочного шатра может служить покрытие шахты «Людвиг» в Германии, имеющее пролет в 18 м.
Большого внимания заслуживает балочно-каркасный шатер покрытия гаража в Аахене в Германии, осуществленный из сборных железобетонных балочных элементов.
Балочно-каркасные формы, выполненные в железобетоне, имеют значительные поперечные сечения, большой собственный вес и отличаются сложностью возведения, чем они во многом и уступают сплошным купольным формам железобетонных конструкций.
РАМНО-КАРКАСНЫЕ ФОРМЫ ШАТРОВ
Рамно-каркасные шатры позволяют воспроизвести своеобразную архитектурную форму сооружений, в которой верхнее куполообразное покрытие и стены составляют единую жесткую схему каркаса. Поверхности кровли и стен могут соединяться под разными углами наклона, отчего зависит необходимая резкость или большая плавность и мягкость очертаний. Наиболее характерным освещением для этих решений являются обыкновенные вертикальные поверхности окон, находящиеся в плоскости вертикальных стен.
Рассматриваемая архитектурно-конструктивная форма является промежуточным решением каркаса и воспроизводит характерную переходную стадию развития купольно-шатровых покрытий.
Выполнить в камне рамно-каркасные формы шатровых покрытий невозможно, поскольку нельзя создать жесткий узел, соединяющий ригель с ногой, работающий как плоскостная конструкция (восприятие изгибающих моментов переменного знака).
Деревянные рамно-каркасные схемы при малых габаритах могут быть решены только из цельных брусьев и досок. Жесткий узел в этом случае конструируется при помощи двух накладок, пришиваемых гвоздями или болтами. Получаемая таким образом простейшая деревянная рамочка является несущим каркасом шатровых покрытий, применяемых в типовых силосных башнях диаметром от 3 до 7 м. Обычно непосредственно по радиально расположенным рамочкам нашивается сплошной кровельный настил, покрываемый затем толем, черепицей, щепой или этернитом.
Применяя рамы двутаврового сечения с перекрестной, а для теплых помещений фанерную стенку на гвоздях, мы имеем возможность осуществить в дереве шатровые покрытия диаметром до 40 м. Эти новейшие схемы деревянных шатров, выявленные в процессе разработки темы, позволяют решить в очень оригинальной композиционной трактовке целый ряд сельскохозяйственных сооружений: тракторные мастерские, скотные сараи, павильоны, рестораны, клубы, театры и т. п. Они воспроизводят сборно-разборные схемы, простые в производственном отношении как при заготовке, так и при сборке. Необходимо придать прямолинейному ригелю соответствующий архитектурно-конструктивный подъем, устраняющий, ввиду пластичности дерева, чрезмерное провисание конструкции. В деревянных рамно-каркасных формах является весьма желательным наличие консоли и образуемого ею наружного кольцевого карниза для изоляции ног рам от увлажнения косым дождем. Из сквозных типов деревянных рамно-каркасных покрытий, осуществленных у нас, следует отметить четырехгранник пролетом в 50 м. Основные несущие диагонально расположенные сквозные рамы соединены здесь многими поперечными симметрично сходящимися второстепенными, прямолинейными, наклонно расположенными сквозными прогонами.
Рис. 32. Верхняя часть железобетонного балочно-каркасного шатра покрытия в Аахене (Германия), d = 26 м
Шатровое покрытие меньших размеров из сплошных балок двутаврового сечения с перекрестной стенкой на гвоздях возведено в покрытии сцены летнего закрытого театра в парке культуры и отдыха им. Горького в Москве в 1923 г. и имеет пролет 18 м со стрелой подъема в 2,5 м.
Металлические рамно-каркасные формы могут быть осуществлены во многих вариантах как в сплошных цельнопрокатных двутавровых рамах составного сечения, так и в рамах со сквозной решеткой. Сплошные металлические рамы позволяют решить шатровое покрытие пролетом до 60 м, в то время как при сквозных рамах имеется полная возможность осуществить пролеты более 100 м.
Характерным примером этих архитектурно-конструктивных форм является покрытие городского павильона в Ганновере (Германия). Сооружение возведено в 1912 г. по проекту архитекторов Бонату и Шоллер. Оно имеет диаметр в 35 м и состоит из сквозных металлических рам с ломаным, как бы арочным, ригелем и консолью. Интерьер помещения оформлен подвесным потолком наподобие Пантеона в Риме.
Железобетонные рамно-каркасные шатровые покрытия позволяют оптимальным образом разрешить ряд промсооружений специального назначения. В гражданском и транспортном строительстве эти формы сооружений также могут найти широкое применение. Возможность осуществления любой формы рамы в железобетоне позволяет создать много интересных оригинальных вариантов этих рамно-каркасных форм.
Рис. 33. Рамно-каркасный шатер-купол в типовом решении
АРОЧНО-КАРКАСНЫЕ КУПОЛА
Эти купола характеризуются плавностью очертания внешней купольной поверхности, возможностью получения любой ее кривизны и резко выраженной скелетно-каркасной структурой интерьера с четко вырисовывающимися на фоне меридиональными ребрами; кроме того, возможность получения полной светопрозрачности всего покрытия, возможность подчеркивания большей или меньшей массивности и монолитности, путем применения сплошного сечения ребра, или большей или меньшей ажурности и легкости при сквозных арочных ребрах — являются основными моментами, уточняющими архитектурную сторону рассматриваемых типов куполов.
Арочно-каркасные формы куполов представляют собой высшую стадию развития плоскостного каркаса и позволяют создать при средних габаритах довольно рациональное решение в металле и в дереве.
Каменные арочно-каркасные купола, вообще говоря, принципиально вполне возможны. В натуре уже существует немало возведенных покрытий, в которых в той или другой степени выявлена тенденция образования настоящей архитектурно-конструктивной формы. В этих решениях основным конструктивным затруднением является устройство поперечных раскрепляющих связей между отдельными каменными арками, имеющими не вертикальную, а наклонную основную рабочую плоскость.
Деревянные арочно-каркасные купола, как и балочно-каркасные, следует причислить к наиболее древним формам. Большое количество конструктивных типов деревянных арок-ребер позволяет именно в дереве выполнить эту архитектурно-конструктивную форму купола во многих возможных вариантах.
Рис. 34. Арочно-каркасный купол в типовом решении
Одним из первых простейших решений следует признать купола-шатры, применяемые в качестве жилья разными кочевыми народами. Купола-жилища негров, купола-шатры киргизов, скифов, печенегов, половцев, эскимосов, татар и т. п. в основном уже имеют все элементы арочного каркаса, изготовляющегося из отдельных гибких прутьев и жердей разных растений (ивы, бамбука, орешника и пр.).
Более совершенной форме деревянного арочного каркаса куполов будет соответствовать досчатая конструкция арок из отдельных косяков-кружал (арки системы Делорма), скрепленных между собой нагелями, болтами, гвоздями и пр. Однако это решение позволяет перекрыть тоже незначительные пролеты, не превышающие 30 м, так как габариты досок шириною в 26 см не дают возможности увеличить рабочую высоту арок. Последние состоят обычно из 2—5 слоев скрепленных косяков, стыки которых должны быть расположены вразбежку по продольной оси арки. Устойчивость кружальных арок обеспечивается рабочими настилами кровли, которые крепятся непосредственно к верхнему поясу.
Более совершенным типом, безусловно, является гнутая форма арок (принцип Эми), которые в поперечном сечении могут быть прямоугольной и двутавровой формы с составной гнутой стенкой. Простота выгибания тонких досок и реек, возможность получения мощного составного сечения рабочих элементов значительных размеров, более рациональное распределение и использование материала — являются наиболее важными положительными качествами гнутых деревянных арок. Эти схемы конструируются с использованием разных типов сопряжений, к которым следует отнести призматические шпонки и гвозди (проволочные, пластинчатые и звездчатые), долбленые и сверленые нагели и, наконец, инженерные клеи. Зарубежный опыт дает несколько примеров реального строительства куполов с клееными арками, которые в типовом решении, разработанном мною для строительной выставки в Москве, воспроизводят одну из оптимальных схем для отапливаемых помещений при средних габаритах.
Одним из новейших оригинальных решений деревянных гнутых арок следует отметить серповидные формы их прямоугольного и двутаврового сечения на пластинчатых и звездчатых гвоздях, которые могут быть применены при диаметрах до 60 м. Оптимальным решением сплошных арок двутаврового сечения для куполов еще больших пролетов будет конструкция с перекрестной и фанерной стенкой на гвоздях.
Серповидные арочные сквозные элементы трехшарнирной схемы купольного покрытия имеют нормальную переменно направленную решетку. За последние годы у нас в Союзе возведено несколько весьма большого пролета купольных покрытий цирков, которые состоят из серповидных арок типа Гау. Построенный в 1929—1930 гг. в Саратове цирк пролетом в 46,4 м при стреле подъема в 15 м состоит из серповидных арок, опирающихся на растянутое железобетонное кольцо, поддерживаемое на отдельных стойках. Аналогичное купольное покрытие диаметром 54 м и стрелой подъема в 24 м осуществлено в 1933—1934 гг. в цирке в Иванове; здесь отдельные арки каркаса опираются непосредственно на грунт.
Рис. 36. Деревянный арочно-каркасный купол с цельными арками из кружальных досок, d = 9,6 м, Франция
Оптимальным решением сквозной деревянной серповидной арки является конструкция с гнутыми поясами и переменно направленной досчатой решеткой на гвоздях.
Испытанные на моделях и возведенные (правда, при пролетах в 20 и 35 м), эти конструктивные схемы дали хорошие результаты, на основании чего они могут быть рекомендованы как типовые решения.
Металлические арочно-каркасные купола нашли большое применение в гражданском и промышленном строительстве. Одним из первых примеров может служить многокупольное покрытие читального зала Национальной библиотеки в Париже, возведенной в 1861 г. архитектором Лабрустом. Эти купола состоят из отдельных несущих железных арок, опирающихся на кольца. Последние соединены между собой и передают распор через веерообразную капитель на очень тонкую чугунную колонну. Купола несут сплошную стеклянную кровлю и, таким образом, используются как фонари для освещения. Металлические арки могут быть также цельнопрокатного профиля, составного двутаврового сечения, а также со сквозной решеткой.
Арочно-каркасные металлические купола с несущими элементами из цельного прокатного материала швеллеров, тавров и двутавров широко применяются в специальных промсооружениях, к которым следует отнести купола газгольдеров, резервуаров и пр. Требуемая кривизна достигается изгибом элементов в горячем состоянии на специальных станках. Оболочка купола представляет собой тонкое покрытие, склепанное и сваренное из отдельных листов и обычно совершенно свободно лежащее на арочном каркасе купола. Не исключена из практики возможность устройства по аналогичному каркасу нормального кровельного покрытия из других материалов. Сплошные металлические арки составного двутаврового сечения дают хорошие решения как в клепаных, так и в сварных конструктивных формах. Арка разбивается по оси, в зависимости от габаритов покрытия, на 2—6 частей, которые соединяются монтажными стыками. Собирать арки можно внизу, а уже затем в готовом виде поднимать и устанавливать в покрытие. Многие осуществленные за рубежом металлические арочно-каркасные купола монтировались со стационарных лесов непосредственно на месте установки. Одним из лучших примеров является праздничный павильон во Франкфурте на Майне, возведенный в 1907—1909 гг. по проекту архитектора Фридриха Тирш. Купол перекрывает в плане эллипс, большая ось которого равна 62,5 м при стреле подъема купола 30,5 м. Покрытие имеет с двух сторон боковые пристройки, увеличивающие полезное пространство помещения.
Основные арки представляют собой массивное клепаное двутавровое сечение со сплошной стенкой, в которой имеются, однако, многогранные отверстия для облегчения веса конструкции. По фасадной части арки напоминают изогнутую железобетонную балку типа Веренделя.
Арочно-каркасные металлические купола со сквозными элементами возводились в большом количестве в конце прошлого и в начале настоящего столетия и осуществлены на ряде капитальных архитектурных памятников.
Купол-шатер Большого дворца в московском Кремле есть одно из характерных решений арочных металлических каркасов, возведенных в нашей стране. Большого внимания заслуживает шатер, возведенный для освещения внутреннего помещения гостиницы «Метрополь» в Москве, который перекрывает в плане помещение 30×20 м. Он имеет жесткую, сквозную, арочно-каркасную конструкцию и несет сверху холодную стеклянную кровлю. Ребра его состоят из металлических арок со сквозной решеткой.
Железобетонные арочно-каркасные купола впервые были осуществлены в Германии (не только в своих монолитных, но даже и в сборно-разборных решениях). Прямоугольное и двутавровое сечение, а также сквозная решетка дают неплохое решение арочных серповидных элементов для основного каркаса куполов.
Особого внимания заслуживают арки двутаврового сечения с отверстиями в стенке наподобие балок типа Вазантини и Веренделя, которые позволяют при пролетах до 50 м осуществлять даже сборные конструкции.
По этим куполам можно делать кровельное ограждение из других материалов. Имеется несколько железобетонных куполов небольшого размера арочно-каркасного типа, которые покрыты теплой и холодной деревянной кровлей. Обеспечение устойчивости железобетонных арок достигается устройством поперечных кольцевых связей-прогонов, имеющих верхние грани в одной поверхности с наружными гранями несущих арок.
Характерным примером железобетонного арочного каркаса является перекрытие зрительного зала Лирического театра в Италии, построенного в 1929 г. Он несет снизу легкий подвесной потолок, с совершенно гладкой ровной поверхностью, которая служит экраном для отражения софитового света, расположенного по нижнему кольцу купола.
Рассматриваемая архитектурно-конструктивная форма не является для железобетона оптимальным конструктивным решением купольных покрытий.
ШАРНИРНО-СТЕРЖНЕВЫЕ ФОРМЫ КУПОЛОВ
Легкость и ажурность шарнирно-стержневых форм куполов с архитектурной точки зрения являются весьма важными условиями, которые позволяют смягчить резкость внешних очертаний. Нижние и боковые поверхности отдельных стержней могут быть окрашены в разные тона и цвета, иметь правильные и приятные гармонические сочетания и пропорции.
В основном рассматриваемая архитектурно-конструктивная форма куполов воспроизводит всегда только многогранную наружную поверхность.
Шарнирно-стержневые архитектурно-конструктивные формы куполов являются одной из первичных и простейших пространственных, каркасных и статически наиболее совершенных сквозных схем купольных покрытий, позволяющих при средних габаритах создать в металле одно из оптимальных решений.
Воспроизвести рассматриваемое, решение в камне не представляется возможным ввиду малого сопротивления камня поперечному изгибу, даже под влиянием только собственного веса, и характерной массивности и монолитности каменной конструкции.
Деревянные шарнирно-стержневые купола не получили широкого применения на практике. Основная причина этого кроется в сложности конструирования в дереве узлового сопряжения при значительном числе (не менее 6) сходящихся в нем элементов. Для всех стержней может быть применен бревенчатый или брусчатый лесоматериал, что позволяет перекрыть пролеты в 25—30 м. Иностранная практика дает только несколько примеров возведения куполов подобной архитектурно-конструктивной формы. У нас в Союзе впервые такой купол был осуществлен в покрытии павильона Всесоюзной с.-х. выставки в 1923 г., ныне Городок науки и техники в Центральном московском парке культуры и отдыха им. Горького. К этим же стержне-каркасным куполам могут быть отнесены и простейшие формы деревянных наслонно-стропильных шатровых покрытий.
Рис. 39. Основные формы шарнирно-стержневых куполов в типовом решении с однонаклонной решеткой
В отличие от деревянных, металлические шарнирно-стержневые купола представляют собою вообще одну из наиболее характерных, широко применяемых форм металлических конструкций. Несущий каркас изготовляется преимущественно из прокатного железа. Купола покрытий многих газгольдеров и резервуаров с малой стрелой подъема при пролете 10—50 м имеют в качестве оптимальных решений рассмотренные выше металлические стержне-каркасные архитектурно-конструктивные формы.
Рис. 42. Основная форма шарнирно-стержневого купола в типовом решении с восходящей двураскосной решеткой
В гражданских сооружениях эти купола были осуществлены в покрытиях ряда цирков, театров и церквей. Наиболее характерный пример — купол цирка Сарасани в Дрездене. Он перекрывает в плане круглое помещение диаметром в 45 м со стрелой подъема в 13 м и имеет четко выраженный стержне-каркасный металлический купол с крестообразно пересекающейся решеткой. Один из конструктивных типов куполов рассматриваемой формы пролетом 13 м осуществлен в Германии в 1913 г. в покрытии синагоги в Берлине. Он имеет ясно выраженный каркас из меридионально расположенных ребер, связанных кольцевыми элементами, раскрепленных крестообразными связями, расположенными в шахматном порядке по всей поверхности купола. При абсолютно шарнирном решении узловых пересечений такая система решетки купола не обеспечивает полного статического равновесия, требуя жестких конструкций узлов. Простейшая решетка шарнирно-стержневого купола имеет диагональную решетку с направлением раскосов в одну сторону.
Рис. 43. Основная форма шарнирно-стержневого купола в типовом решении с нисходящей двухраскосной решеткой
Не исключена возможность осуществлять решетку с переменным направлением раскосов по системам, изображенным на рис. 40—43.
Шарнирно-стержневые купола могут быть осуществлены и с двухраскосной решеткой, которая может иметь восходящие и нисходящие элементы, симметрично примыкающие к главным меридиональным ребрам.
Рис. 44. Жестко-стержневой купол в типовом решении
Все указанные типы решеток позволяют создать идеальную, статически устойчивую, пространственную многогранную поверхность купола. Узловые сопряжения решаются либо сваркой, либо на заклепках. При наличии болтовых креплений шарнирно-стержневые купола мыслятся в виде сборно-разборных конструкций.
Рис. 45. Жестко-стержневой купол в типовом решении с многогранной поверхностью
Железобетонные шарнирно-стержневые купола возможны не только в монолитных, но и в сборных решениях. В монолитных сооружениях, т. е. возводимых на месте в стационарной опалубке и подмостях, устранена сложность конструирования и осуществления сложных сборных узловых сопряжений. Громоздкость и трудоемкость изготовления опалубки, стационарных лесов и подмостей являются наиболее важными недостатками производственного характера монолитных решений этого типа железобетонных куполов. Этот недостаток устранен в сборных схемах, собираемых на месте из заранее заготовленных готовых элементов, имеющих по концам только монтажные стыки. Следует, однако, отметить, что осуществление рассматриваемых куполов в железобетоне вообще нерационально. Несложность получения необходимой жесткости узловых сопряжений устраняет необходимость устройства диагональных связей решетки, превращая купольные покрытия в жестко-стержневую форму.
ЖЕСТКО-СТЕРЖНЕВЫЕ ФОРМЫ КУПОЛОВ
С архитектурной стороны эти купола отличаются большой выразительностью в отношении простоты, ясности и четкости несущего рабочего каркаса. Замкнутость отдельных граней поверхности между ребрами каркаса создает естественную кессонную структуру внутри покрытия, которая, как всегда, отличается большой художественной декоративностью. Внешнее очертание этих куполов также имеет довольно резкую многогранную поверхность, отдельные грани которой полностью соответствуют кессонной структуре интерьера.
Жестко-стержневые купола характеризуются наличием пространственного каркаса, состоящего из элементов, расположенных только по меридианам и параллелям, устойчивость их достигается жестким соединением их между собою во всех узловых сопряжениях. Рассматриваемая архитектурно-конструктивная форма является при средних габаритах одним из наиболее рациональных решений в металле и в железобетоне.
Рис. 46. Конструктивная деталь железобетонного жестко-стержневого купола покрытия ресторана театра Одеон (Италия)
Осуществить эту конструкцию в камне или дереве невозможно ввиду большого собственного веса камня и плохой его работы на поперечный изгиб, а также невозможности осуществления в дереве идеально жесткого узлового пересечения отдельных рабочих элементов, сходящихся под тупыми углами.
Металлические жестко-стержневые купола могут быть сконструированы из элементов цельного сечения, из прокатных материалов (швеллера, двутавры и т. д.). В покрытиях большого масштаба эти формы куполов требуют рабочих элементов составного сечения, двутаврового сплошного профиля или даже сквозного типа. Последние могут быть с успехом осуществлены как в заклепочных и сварных сопряжениях, так и при помощи болтовых связей, создавая в последнем случае сборно-разборную конструкцию.
Как во всех каркасных купольных покрытиях, так и в рассматриваемых типах кровля является лишь нагрузкой и совершенно не участвует в работе самой несущей конструкции купола.
Примером металлического жестко-стержневого купола является покрытие Хрустального дворца в Лейпциге пролетом 36 м.
Жестко-стержневые купола, благодаря возможности получения абсолютно монолитных узловых сопряжений, решаются в железобетоне во много раз легче, нежели во всех других материалах. Они могут нести теплую или холодную кровлю на деревянной основе, которая возможна в виде отдельных блоков даже в сборно-разборных щитовых решениях.
Рис. 48. Железобетонный жестко-стержневой купол
Самая конструкция купола осуществляется либо как монолитное сооружение прямо на земле, на стационарных подмостях и в неподвижной обычной опалубке, или же собирается из заранее заготовленных элементов. В последнем случае элементы закрепляются временно на сборно-разборных лесах с последующим бетонированием только узловых сопряжений и с использованием быстро схватывающихся и твердеющих высокосортных цементов.
СЕТЧАТО-СТЕРЖНЕВЫЕ ФОРМЫ КУПОЛОВ
В архитектурном отношении сетчато-стержневые купола характеризуются возможностью получения светопрозрачного покрытия с несущим каркасом, образующим квадратную, прямоугольную, треугольную, ромбическую и даже ломано-арочную сетку, которая уже сама по себе обладает большой художественной декоративностью и выразительностью. Эти купольные формы в архитектурном отношении таят в себе большие возможности, выявляя новые формообразующие факторы. Четкая и ясная, геометрически правильно построенная система стержней дает приятное зрительное ощущение с характерной игрой светотени.
Рис. 49. Сетчато-стержневой купол в типовом решении
Сетчато-стержневая архитектурно-конструктивная форма должна быть признана высшей формой развития статически устойчивого пространственного каркаса купольных покрытий. Эти купола имеют оптимальное конструктивное решение при средних и даже больших габаритах в дереве и в металле. Работа камня только на сжатие делает арочную схему единственно подходящей сеткой покрытия. Арочная схема может иметь замкнуто-кольцевую и ломано-полуарочную систему.
Арочные элементы могут быть расположены непосредственно в основной плоскости купола или же состоять из отдельных полуарок, работающих исключительно в одних вертикальных плоскостях. Примером такого решения является купол капеллы делла Синдоне в Турине, построенный архитектором Гварини.
Деревянные сетчатые купола могут быть возведены как из косяков (lamella) цельного, так и составного двутаврового сечения с клееной брусчаткой на пластичных нагелях и перекрестной или фанерной стенкой на гвоздях.
Ширина наших стандартных пиломатериалов в 26 см ограничивает возможность перекрытия помещений более 25—30 м в диаметре. За последние годы практика Германии дает несколько неплохих решений деревянных куполов с сетчатым покрытием типа Цольбау.
Узловое пересечение рабочих элементов косяков может решаться при помощи болтовой стяжки (старый немецкий вариант), с использованием специальных скоб (типа С. Д. К. ЦНИПС — Центрального научно-исследовательного института промсооружений) на врубках с прямым средним шипом (предложенные инж. Песельником) и, наконец, с косым смещенным книзу зубом (разработаны инженерами Освенским и Плясовым).
Рис. 50. Деревянный сетчато-стержневой купол, промежуточное решение
Эти кружально-сетчатые купола с узловыми сопряжениями на врубках возможны только при малых пролетах.
У нас в Союзе построено несколько таких купольно-шатровых покрытий в холодных и полутеплых сельскохозяйственных помещениях пролетом в 16 и 23 м.
Одним из наиболее интересных примеров сводчато-купольных конструкций, возведенных из цельных деревянных косяков, имеющих сечение 45×8 см, представляет собой покрытие зрительного зала главного здания выставки в Сан Луи в США. Это покрытие, построенное в 1929 г., имеет по концам свода сферические полукупольные поверхности диаметром в 50,29 м со стрелой подъема в 23 м.
Составные косяки двутаврового сечения позволяют перекрыть пролеты в несколько сот метров. Деревянные сетчато-каркасные купольные конструкции создают хорошее архитектурное оформление при покрытии легких летних театров, клубов и стадионов.
Узловые сопряжения должны тогда решаться уже не на металлических связях в виде болтов или скоб, которые ставятся по нескольку штук в каждом узловом сопряжении. Так, один из эскизных проектов цирка-стадиона для Центрального парка культуры и отдыха в Москве разработан в 1931 г. на базе применения деревянных сетчато-стержневых форм.
Рис. 51. Деревянно-сетчатый купол с многогранной поверхностью (типовое решение)
Металлические сетчато-стержневые купола дают возможность осуществить идеальную сборно-разборную конструкцию узлового сопряжения при любом типе сетки и внешнего очертания купола. Косяки при этом лучше выполнять из двутаврового профиля, нежели из швеллеров. При больших габаритах покрытия косяки также должны быть двутаврового, но уже составного сечения и должны решаться на заклепках или со сварными соединениями. Сетчатые купольные покрытия в металле могут перекрыть очень большие пролеты в несколько сот метров.
Рис. 52. Деревянные сетчато-стержневые полукупола покрытия павильона в Сан Луи (США), d = 50,29, 1926 г.
Весьма интересный пример этих решений — выставочный павильон, построенный в Милане в 1926 г. по проекту архитектора Отто Бартинг. По схеме этот павильон представляет собой типичную спиральную сетку системы Цольбау, которая при диаметре купола в 18 м несет легкое кровельное покрытие.
Сетчато-стержневые купола возможны также, когда элементы представляют собой отдельные круглые прутья, скрепляемые простой проволочной обкруткой или, что значительно лучше, электросваркой. На этом основано применение жесткой прутковой металлической арматуры, которая является основным несущим каркасом во время бетонирования оболочки при помощи подвижной опалубки. Так, жесткая арматура купольного покрытия во время возведения планетария в Берлине представляла собой типичный сетчатый стержневой металлический каркас.
Железобетонные сетчато-стержневые купола за последние годы были впервые построены за рубежом и применены в покрытиях отдельно стоящих павильонов, а также как световые плафоны-фонари. В архитектурном отношении для нашего капитального строительства особый интерес представляют именно светопрозрачные железобетонные сетчатые покрытия. Они мыслятся главным образом в своих монолитных формах, когда отдельные иллюминаторные стекла-камни заделываются в железобетонную сетку с мелкими размерами отверстий. Характерным решением такого покрытия является купол-фонарь с прямоугольной железобетонной сеткой, осуществленный во Франции в 1930 г. по проекту инж. Лефевр. Также весьма интересным и оригинальным примером является стеклобетонный павильон, построенный в Кёльне еще в 1914 г. по проекту архитектора Бруно Таут.
КОЛЬЦЕВО-СТЕРЖНЕВЫЕ ФОРМЫ КУПОЛОВ
Разбираемые ниже архитектурно-конструктивные формы куполов отличаются со всех точек зрения высокими качественными показателями. В этих решениях наиболее резко подчеркиваются основные кольцевые плоскости, которые выявляют собою всю архитектурную сущность сооружения. Отдельные кольцевые ярусы с успехом могут быть использованы как плоскости для устройства балконов, площадок и пр.
Кольцево-стержневые формы куполов являются весьма совершенными архитектурно-конструктивными решениями многих большепролетных сооружений. Они позволяют создать ступенчатое очертание при наличии отдельных горизонтальных ярусов с плоской кровлей и вертикального бокового освещения.
Воспроизвести эту форму купола в камне не представляется возможным.
Деревянные кольцево-стержневые купола являются наиболее характерной типовой схемой, позволяющей при больших габаритах сооружений создать одно из оптимальных решений покрытий. Замкнутое кольцо конструируется в виде обычной арки двутаврового сечения с перекрестной стенкой на гвоздях. Пояса этих колец могут быть сделаны из гнутых реек или же выкружаленных досок со стыками вразбежку.
При малых пролетах стойки решаются из брусьев, а при больших — составным сечением из досок. В куполах малого масштаба подкосы могут также иметь цельное сечение в виде бруса, однако большие пролеты неизбежно требуют составного сечения с перекрестной стенкой на гвоздях и из брусьев на пластинчатых качелях. Легкая руберойдная кровля с защитным рабочим настилом утепляется (при теплых покрытиях) плитными органическими заполнителями. В качестве термоизоляции можно применить сплошную обшивку деревянными рейками (пониженного качества) всего межпоясного пространства этих кольцевых элементов. Эти рейки, будучи прикреплены гвоздями к перекрестной стенке, примут на себя часть рабочего усилия, разгружая немного пояса.
Благодаря малому весу отдельных кольцевых звеньев, покрытие может быть смонтировано непосредственно на земле, а затем уже поднято в готовом виде или частями. Одним из первых примеров стержне-кольцевых деревянных куполов следует отметить покрытие гаража для почтовых автомобилей, построенного в 1925 г. на транспортной выставке в Мюнхене. Покрытие имеет пролет в 22 м и 5 ступенчатых колец, упирающихся на составной подкос, сконструированный из досок в виде кружальной арки.
В результате ряда опытных проектировок в настоящее время имеется несколько проектов деревянных покрытий стадионов для Киева и Москвы размерами 220×150 м и 350×210 м. Эти проекты кольцево-стержневых покрытий дают лучшие технико-экономические показатели и имеют значительные архитектурные достоинства.
Металлические кольцево-стержневые купола, как и деревянные, могут перекрыть сооружения очень большого масштаба при абсолютной капитальности сооружения. Рабочие замкнутые кольца должны решаться в основном со сквозной решеткой, значительно облегчающей собственный вес конструкции. Кровля устраивается по железобетонным плитам, настилаемым по специальным прогонам, прикрепленным сверху к кольцевым фермам. Стойки — из обычного прокатного сортамента, в то время как подкосы при больших габаритах требуют составного, преимущественно двутаврового или коробчатого сечения.
Рис. 54. Кольцево-стержневые купола в типовом решении
Железобетонные кольцево-стержневые купола, впервые возведенные в Германии еще в 1912 г., явились основной исходной формой рассматриваемых купольных покрытий. Юбилейный павильон в Бреславле архитектора Макса Берна имеет центральную часть диаметром 65 м со стрелой подъема в 23 м. Купол опирается на четыре пилона кольцевой арочной эстакады и имеет 5 колец-ступеней с боковым вертикальным светом. Внутренние подкосы представляют собой сплошную арку и упираются в верхнее распорное кольцо, напоминая обычную арочно-каркасную схему купола.
Стержне-кольцевые купола могут иметь кольца и подкосы двутавровой формы, позволяющие осуществить покрытия значительных размеров. В железобетоне эти купола будут всегда монолитными решениями.
Рис. 55. Железобетонный ступенчатый купол покрытия юбилейного павильона в Бреславле, d = 65 м, 1912 г.
ВЫВОДЫ
Подводя итоги вышеизложенному, необходимо отметить следующие положения:
1. Проведенное исследование конструкций куполов позволило уточнить основные принципы их конструирования, а равно выяснить и расшифровать отдельные наиболее сложные детали и элементы инженерного характера.
2. Примененная методика анализа построения на базе развития архитектурно-конструктивной формы купольных покрытий, с учетом их осуществления в том или ином основном стройматериале — камне, дереве, металле и в железобетоне, дала возможность более объективно оценить каждое индивидуальное решение.
3. Большинство из основных архитектурно-конструктивных форм куполов может быть возведено в любом основном стройматериале, за исключением всех каркасных решений, которые в камне почти невозможны.
4. Каждая архитектурно-конструктивная форма, однако, при разных габаритах с учетом конкретных условий проектирования и строительства имеет только одно (в редких случаях несколько) оптимальное во всех отношениях конструктивное решение в данном основном стройматериале.
5. При проектировании необходимо делать предпочтение тем купольным конструкциям, которые позволяют создать оригинальное, архитектурно и конструктивно грамотное решение, удовлетворяющее также и требованиям индустриализации строительства.
22 сентября 2026, 13:58
0 комментариев
|
Партнёры
|
Комментарии
Добавить комментарий