Б. М.БРАСЛАВСКИЙ, канд. техн. наук (ГНЦ “Строительство); Е.П.ХАРИТОНОВА канд. техн. наук (НИИЖБ), Висячие конструкции и их применение в строительстве
В 1886 г. на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде русский инженер В.Г. Шухов перекрыл четыре павильона различными висячими покрытиями. К сожалению, гениальные идеи талантливого инженера остались не востребован ными.
Первым, кто обратил внимание технической общественности на приоритет нашей страны в области создания, проектирования и строительства висячих покрытий, был организатор и руководитель лаборатории специальных железобетонных конструкций НИИЖБ Исаак Григорьевич Людковский. Взявшись за дело с присущей ему энергией и настойчивостью, ученый классифицировал висячие конструкции, разработал критерии оценки их эффективности, поставил и возглавил проблему экспериментально-теоретических исследований в этой области, которые весьма успешно решались коллективом лаборатории специальных железобетонных конструкций НИИЖБа.
Под руководством и при непосредственном участии И.Г. Людковского сотрудниками НИИЖБ В.Лесниковым, Ф.А.Гохбаумом, Э.Н.Кузнецовым, Т.А.Усачевым, Е.П.Харитоновой, М.А.Ивановым и другими был решен целый ряд задач как исследовательского порядка, связанных с изучением работы вантовой системы, оболочек и совместно с ними опорного контура, так и задач чисто прикладного характера, относящихся к их проектированию и возведению.
Висячие покрытия обладают рядом преимуществ по сравнению с другими конструкциями. Они являются особенно перспективными в отношении использования прочностных характеристик материалов. Если в обычных конструкциях весьма трудно эффективно использовать высокопрочные стали, то для гибких растянутых вант возможно применение материалов практически любой, сколь угодно высокой, прочности. Другим преимуществом висячих покрытий является то, что они могут быть возведены из сборных элементов без лесов и подмостей.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями, выполненными в лаборатории специальных железобетонных конструкций, был выявлен ряд особенностей работы, присущих только висячим покрытиям. Было доказано, что опорный контур не может потерять устойчивость в своей плоскости при практически имеющих место нагрузках на покрытие. При несимметричной нагрузке на покрытие в опорном контуре возникают сравнительно небольшие изгибающие моменты за счет перераспределения усилий через посредство центрального узла. При превращении вантовой системы в железобетонную оболочку, нагружаемую неравномерной нагрузкой, изгибающие моменты в опорном контуре становятся минимальными. Следствием из этого является вывод о том, что при расчете опорного контура висячей оболочки несимметричное расположение снеговой нагрузки на покрытии может не учитываться. В вантах и во внутреннем кольце действуют в основном растягивающие усилия, а внешнее опорное кольцо работает в основном на сжатие, что позволяет для их изготовления с наибольшей эффективностью использовать прочностные свойства железобетона и стали.
Проведенные исследования позволили рекомендовать висячие железобетонные оболочки для возведения различных большепролетных сооружений. Важное преимущество таких оболочек заключается и в том, что их монтаж может быть осуществлен без лесов, а форма поверхности получается естественным образом. Эти конструкции позволяют перекрывать без промежуточных опор очень большие пролеты и получать форму поверхности без дополнительных затрат, что и было убедительно доказано опытом возведения целого ряда зданий и сооружений.
Примером классического решения всего комплекса проблем может служить построенный на территории научного городка в Москве корпус №15, в качестве покрытия которого использована преднапряженная железобетонная оболочка на основе радиально-вантовой системы диаметром 23 м положительной гауссовой кривизны. Конструкция, эксплуатационные качества которой проверяются на протяжении 53 лет, была возведена в 1959 r и эксплуатируется без каких-либо изменений по настоящее время.
Прообразом висячих покрытий на основе радиально-вантовых систем отрицательной гауссовой кривизны может служить здание павильона с центральной опорой, построенное в г. Люберцы Московской обл. в 1960-е годы и эксплуатируемое до настоящего времени.
В 1965-67 гг. НИИЖБом были разработаны и впоследствии построены резервуары для воды емкостью около 5000 м3 для возведения на подрабатываемых территориях. Использование покрытия шатрового типа позволило практически полностью разгрузить стены резервуаров и с целью минимизации неблагоприятного влияния неравномерных осадок сосредоточить всю вертикальную нагрузку в центральной стойке. Резервуары этой конструкции были возведены и успешно эксплуатируются в Луганской обл.
В 1966 г. на территории пансионата в Нальчике было возведено здание столовой, перекрытое висячей железобетонной вогнутой оболочкой диаметром 35 м. Ванты этого сооружения были изготовлены из стержневой стали, а наружное кольцо — из железобетона. 22 насосные станции с висячим покрытием в виде вогнутой железобетонной оболочки диаметром около 20 м начиная с 1967 г. были возведены на канале Иртыш- Караганда. Монтаж вант и плит покрытия производился в навес, что было особенно важно, так как монтировать леса при высоте помещения около 20 м и крайне ограниченном свободном пространстве из-за наличия насосов практически не представлялось возможным.
В 1968 г. на центральной улице Владивостока было закончено строительство двухзального кинотеатра “Океан, который в перспективном плане застройки являлся одним из важнейших градообразующих факторов центра города. Основной объем здания, имеющего эллиптическое очертание в плане с осями 64x38 м, был перекрыт сборно-монолитной преднапряженной висячей оболочкой вогнутого типа с плоским железобетонным опорным контуром. Геометрическое очертание сетки вант было выбрано из условия безизгибной работы опорного контура при максимальной нагрузке, когда, кроме собственного веса, на покрытие действует нагрузка от подвесного потолка и оборудования, снеговая нагрузка, а ванты подходят к центральному кольцу горизонтально. Как и следовало ожидать, изгибающие моменты при нагрузках с одной осью симметрии по схемам, когда центральный узел смещается по горизонтали,оказались на порядок меньше, чем при других схемах нагружения. Оригинальной была схема монтажа покрытия - при помощи крана, установленного в центральном кольце.
Крытая стоянка автобусов в Киеве, перекрытая радиальным шатровым висячим покрытием диаметром 160 м, была возведена в 19711975 гг. Впервые в мировой практике строительства была использована конструкция комбинированной гауссовой кривизны: у контура - положительной, а в центральной зоне - отрицательной.
Шатровое покрытие стоянки автобусов диаметром 102 м, возведенное в Новгороде, имело характерную особенность, которая впервые была применена при строительстве такого типа зданий - центральная колонна, воспринимающая практически всю вертикальную нагрузку, была разделена сферическим шарниром по высоте на две части. Такое решение позволяло практически полностью исключить появление изгибающих моментов во внешнем опорном контуре и, как следствие этого, снизить расход материалов. Впервые на сооружениях подобного типа были проведены замеры вертикальных перемещений вант, вел ичины отклонений центральной колонны от вертикали и фактические усилия в вантах. Все результаты достаточно хорошо согласовывались с полученными теоретическим путем.
В работе [1] сформулированы предпосылки получения наряду с железобетонными висячими оболочками экономичных и легко возводимых вогнутых стальных оболочек- мембран, выполненных из тонких листов различных материалов. Здесь рассматриваются задачи и их решения на возведении покрытий из тонких стальных листов, воспринимающих действие нагрузки исключительно усилиями растяжения в пролетной конструкции. Такие конструкции можно осуществлять, в основном используя два технологических приема: приданием отдельным элементам заранее необходимой формы с последующим их соединением между собой с помощью шаблонов или передвижных лесов; первоначальным созданием плоских мембран и приданием им двоякой кривизны под действием собственного веса и временной нагрузки. Очевидно, что второй способ обладает целым рядом технологических преимуществ, позволяющих минимизировать стоимость возведения конструкции. Предварительные расчеты висячих конструкций мембранного типа позволили выявить их весьма высокую несущую способность, что связывалось с двухосной работой материала при практически равных величинах напряжений в ортогональных направлениях [2].
Основные результаты, полученные при изучении работы висячих мембранных покрытий, опубликованы в статьях И.Г.Людковского, М.А.Иванова, А.А.Филякина, Б.М.Браславского, Е.Ш.Фельдмана, А.В.Пасюты и других. Теоретически задача о работе сферической мембраны с учетом деформации опорного контура была решена в работе [3] и в кандидатской диссертации М.А. Иванова.
Первый опыт возведения мембранной висячей оболочки кругового очертания в плане был получен при строительстве экспериментального покрытия здания на территории НИИЖБа в 1968 г Пролетная конструкция этого покрытия, диаметр которого превышал 20 м, была изготовлена на специально подготовленной площадке на поверхности земли из листов кровельного железа толщиной 0,67 мм, сваренных дуговой сваркой полуавтоматами в защитной среде углекислого газа. После присоединения оболочки к железобетонному опорному контуру покрытие было поднято на проектную отметку домкратами системы подъема этажей, установленными на верху колонн. Покрытие было испытано на нагрузку 3 кПа и показало достаточно высокую несущую способность. Впоследствии в течение ряда лет конструкция эксплуатировалась в качестве покрытия здания и была заменена в связи с недостаточной коррозионной стойкостью.
Практически все построенные до 1977 г. сооружения, пролетная конструкция которых выполнялась в виде тонколистовой безмоментной оболочки, имели круговое или близкое к нему очертание в плане. В ряде работ отечественных и зарубежных авторов подчеркивалось, что контуры квадратного и тем более прямоугольного плана должны воспринимать изгибающие моменты такой большой величины, что запроектировать покрытие конкурентоспособным по сравнению с покрытием кругового очертания невозможно.
Исследованиям напряженно- деформированного состояния опорного контура мембранных покрытий прямоугольного плана был посвящен ряд экспериментально-теоретических работ, выполненных в лаборатории спецконструкций НИИЖБ. Для решения поставленной задачи предстояло выяснить характер воздействий, передаваемых мембранной пролетной конструкцией на опорный контур. Неизвестными оставались характер работы контура при воздействии неравномерных нагрузок на покрытие, влияние сосредоточенных сил и др. С целью решения поставленных задач исследования проводились на ряде моделей квадратного плана размером от 0,6x0,6 м до 12x12 м, имеющих как недеформируемый, так и деформируемый в горизонтальной плоскости опорный контур различной изгибной жесткости в направлении действия цепных усилий [4]. Параллельно теоретически задача была решена с использованием алгоритмов метода конечных разностей и метода конечных элементов. Задача решалась в геометрически нелинейной постановке. В результате проведенных исследований были выявлены особенности мембранных висячих покрытий прямоугольного плана и сформулированы условия для их проектирования.
Первым объектом, где все эти идеи были осуществлены, явилось построенное в 1977 г. покрытие спортивного зала в п. Некрасовка (Москва) размером 24x27 м. Проект каркаса здания, возведение и испытание покрытия были выполнены лабораторией спецконструкций. Опорный контур был изготовлен из трубы 427x8 мм, заполненной бетоном марки 300. Пролетную конструкцию из листовой стали С 38/23 по ГОСТ 8557-57 толщиной 1,8 мм сваривали на поверхности земли. На отметке 1,2 м от поверхности земли покрытие было испытано на неравномерное и равномерное нагружение нагрузкой 3 кПа при наибольшем перепаде нагрузок 1:3 и при этом были подтверждены величины, полученные расчетным путем. Здание спортзала с мембранным висячим покрытием успешно эксплуатируется и в настоящее время [5].
Идеи, реализованные при строительстве спортивного зала в п. Некрасовка, позволили возводить конструкции, аналогов которых в мировой практике строительства до этого не существовало.
В последующие годы внедрение висячих мембранных покрытий прямоугольного плана было осуществлено на целом ряде объектов. Рекордным по перекрываемому пролету явилось покрытие над цехом № 2 Московского завода Компрессор, имеющее размер в осях 66x81 м. Применение такого покрытия позволило решить еще одну задачу, связанную с реконструкцией этого цеха без остановки производства. Был использован следующей технологический прием: на существующем покрытии смонтированы подмости, по которым уложена мембрана и после ее приварки к трубобетонному контуру демонтированы вначале подмости, а затем и отслужившее деревянное многопролетное покрытие.
Впервые крановое оборудование было подвешено к мембранной пролетной конструкции при возведении покрытия над цехом стекольного завода в г. Уршели Владимирской обл. После этого были построены и в настоящее время эксплуатируются здания с мембранными висячими покрытиями прямоугольного плана размером от 18 до 30 м в Саратове, Сочи, Подлипках, разработан проект покрытий реконструируемых и вновь строящихся цехов АЗЛК (Москва) и др.
Опыт, приобретенный в результате выполненных исследований, проектирования и возведения мембранных висячих покрытий, в полной мере был использован при создании проекта покрытия над трибунами Большой спортивной арены в Лужниках. Работа была выполнена под руководством И.Г.Людковского авторским коллективом в составе архитекторов Л. Гильбурда, А.Симонова, В.Давиденкова, Ю.Евтухова и других, инженеров А.Филякина и М.Иванова [6].
Идеи, реализованные при создании этого проекта, воистину многогранны. Размер перекрываемого пространства без промежуточных опор производил огромное впечатление - 238x298 м. Размер отверстия в центре покрытия был равен размеру футбольного поля, и оно в точности повторяло его конфигурацию. Таким образом, внешний и внутренний контуры покрытия имели прямолинейные вставки, величина которых приближалась к 100 м.
Предполагалось, что покрытие надтрибунного пространства может быть трансформировано в покрытие всего стадиона путем надвижки по прямым вставкам внутреннего опорного контура специальных конструкций. Учитывая то обстоятельство, что перекрыть стадион предполагалось к Олимпийским играм 1980 г. был предложен весьма оригинальный способ зажжения Олимпийского огня с последующим подъемом его специальным механизмом на уровень покрытия. Конструкция, предложенная для перекрытия стадиона, прошла всестороннюю экспериментально-теоретическую проверку, модели ее были испытаны на действие постоянных и временных нагрузок, проверены путем продувки в аэродинамической трубе ЦАГИ, испытаны на действие нагрузок при пожаре и показали высокую надежность.
Приведенные в данной статье конструктивные решения висячих покрытий были найдены и реализованы в лаборатории специальных железобетонных конструкций НИИЖБа под руководством лауреата Государственной премии СССР, доктора технических наук, профессора Исаака Григорьевича Людковского. Его творческий путь был многогранен. В нем гармонично сочетались качества талантливого ученого, выдающегося инженера и замечательного новатора. Его вклад в науку о железобетоне трудно переоценить, он находил ему применение там, где, казалось бы, этому материалу нет места. Особенно плодотворно ученый работал на стыке исследований и инженерии.
Бетон и железобетон, 2002 №4