Тонкостенные оболочки в строительстве¶

Тонкостенные оболочки в строительстве — это пространственные несущие конструкции, образованные криволинейными или плоскими поверхностями, толщина которых значительно меньше двух других геометрических размеров (пролёта и ширины). Основным принципом работы таких конструкций является передача внешней нагрузки преимущественно за счёт усилий, действующих в плоскости поверхности (мембранное напряжённое состояние), что обеспечивает высокую несущую способность при малом расходе материала.

¶История развития

Идея использования криволинейных поверхностей в архитектуре восходит к древним постройкам — куполам и сводам. Однако классические каменные и кирпичные своды работали преимущественно на сжатие и имели значительную толщину. Настоящее развитие тонкостенных оболочек началось в XX веке с появлением железобетона, который позволил воспринимать не только сжатие, но и растяжение.

Пионером в этой области считается испанский инженер Эдуардо Торроха, построивший в 1935 году оболочку рынка в Аламеде (Испания). Значительный вклад в теорию и практику внёс Феликс Кандела, создавший в 1950-х годах в Мексике серию гиперболических параболоидов (гипаров). В СССР и России разработкой оболочек занимались В. З. Власов, А. А. Гвоздев, А. И. Овечкин. Крупными проектами советского периода стали павильоны ВДНХ и Олимпийский велотрек в Крылатском (1979 год), перекрытый оболочкой пролётом 168 метров.

¶Классификация оболочек

По геометрической форме поверхности оболочки подразделяются на несколько основных типов:

• Оболочки двоякой кривизны положительной гауссовой кривизны — купола, сферические и эллиптические оболочки. Они обладают наибольшей жёсткостью и устойчивостью.
• Оболочки отрицательной гауссовой кривизны — гиперболические параболоиды (гипары), коноиды. Эти поверхности легко образуются из прямолинейных образующих, что упрощает опалубочные работы.
• Оболочки нулевой гауссовой кривизны — цилиндрические (бочарные) своды, конические поверхности. Они работают как арки в одном направлении и как балки-стенки в другом.

По конструктивной схеме различают гладкие оболочки, ребристые (с рёбрами жёсткости по краям или в теле), а также оболочки с бортовыми элементами — опорными контурами, воспринимающими распор.

¶Материалы и конструктивные особенности

Наиболее распространённым материалом для монолитных тонкостенных оболочек является железобетон. Толщина таких конструкций обычно составляет от 6 до 15 сантиметров при пролётах до 100 метров и более. Армирование выполняется сетками или отдельными стержнями, расположенными по направлениям главных кривизн.

В современном строительстве широко применяются также:

• Металлические оболочки (листовые конструкции) — используются в покрытиях большепролётных зданий, резервуарах, газгольдерах.
• Деревянные клеёные оболочки — применяются для покрытий спортивных сооружений и выставочных павильонов.
• Мембранные и тентовые оболочки — из тканевых и плёночных материалов, работающих только на растяжение.
• Композитные оболочки на основе стеклопластиков и углепластиков — используются в уникальных архитектурных объектах.

Ключевой проблемой при проектировании тонкостенных оболочек является потеря устойчивости — выпучивание поверхности при сжатии. Для её предотвращения применяют увеличение кривизны, рёбра жёсткости, а также расчёт по деформированной схеме.

¶Методы расчёта

Расчёт тонкостенных оболочек базируется на безмоментной (мембранной) теории, которая справедлива для участков, удалённых от опорных контуров и мест приложения сосредоточенных сил. Вблизи краёв и в зонах разрыва кривизны возникают изгибные (краевые) эффекты, требующие применения моментной теории.

В настоящее время основным инструментом расчёта являются численные методы, прежде всего метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программных комплексах (ANSYS, ЛИРА-САПР, SCAD Office). Они позволяют учитывать физическую и геометрическую нелинейность, ползучесть бетона и сложные условия опирания.

¶Применение

Тонкостенные оболочки находят применение в строительстве зданий и сооружений с большими безопорными пространствами:

• спортивные арены, стадионы и бассейны;
• выставочные павильоны и торговые центры;
• ангары, эллинги и промышленные цеха;
• резервуары, силосы и градирни;
• театры и концертные залы.

Экономическая эффективность оболочек проявляется при пролётах свыше 30–40 метров, где традиционные балочные или ферменные конструкции становятся чрезмерно материалоёмкими.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам тонкостенных оболочек относятся высокая несущая способность при малой собственной массе, архитектурная выразительность, возможность перекрытия больших пролётов без промежуточных опор, снижение расхода стали и бетона по сравнению с плоскими конструкциями.

Недостатками являются сложность изготовления криволинейной опалубки, трудоёмкость армирования, чувствительность к неравномерным осадкам опор и температурным воздействиям, а также сложность размещения инженерных коммуникаций и подвесного оборудования на криволинейной поверхности.