Пространственные формы в зданиях и сооружениях

Пространственные конструкции используют при назначении современных форм зданий с целью повышения архитектурной выразительности и визуальной привлекательности (рис. 6.26). Формы зданий часто соответствуют определенным типам оболочек — цилиндрической, складчатой, в форме купола, конической, и т.д.

Пространственные конструкции зданий во многих случаях отличаются и экономичностью, и высокой прочностью ввиду применения оболочек. Как показывает опыт, в зданиях можно применить многие формы оболочек и их сочетаний. Такие железобетонные здания можно рассчитывать только с использованием компьютерных программ, основанных на применении метода конечных элементов.

Подпорные и шумозащитные стены — оболочки. Эффективность подпорных и шумозащитных стен — оболочек определяется их значительно сниженной материалоемкостью, визуальной привлекательностью, и озеленением лицевой поверхности. Грунт, контактирующий с тонкостенными оболочками, сообщает им дополнительную жесткость, поэтому отпадает необходимость обеспечения устойчивости конструкций. Пространственные конструкции хорошо воспринимают поперечные силы, вследствие чего не требуется увеличения их толщины у опор. В связи с преимущественной работой на сжатие возможно применение высокопрочных материалов при небольшой толщине. Пространственные конструкции позволяют получать визуально привлекательные решения лицевой поверхности стен (рис. 6.27).

Автором предложены оболочки, момент сопротивления горизонтального сечения которых возрастает сверху вниз в соответствии с ростом эпюры изгибающих моментов. Этим свойством обладают оболочки типа гиперболического параболоида и коноида. Наряду с ними возможны более складчатые оболочки, которые не обладают упомянутыми свойствами изменения момента сопротивления, но технологичнее при изготовлении, так как состоят из отдельных плоских плит, контактирующих гранями. В контрфорсных подпорных стенах могут быть использованы цилиндрические, параболические и коноидальные оболочки. Эти типы оболочек в направлении волны работают преимущественно на сжатие с небольшими краевыми моментами, что позволяет практически исключить рабочую арматуру и значительно снизить толщину оболочки.

В коноидальных оболочках стрела подъема возрастает сверху вниз пропорционально росту активного давления грунта, поэтому оболочка равнопрочна во всех сечениях. Автором предложены озеленяемые подпорные стены с лицевыми плитами в форме оболочек, имеющих горизонтальные площадки с открытым грунтом, в котором высаживают вьющиеся растения и получают озелененную поверхность фасада.

Озеленяемые подпорные стены — это пространственные полифункциональные конструкции, поддерживающие откосы в выемках и насыпях, и одновременно имеющие такое конструктивное решение, которое позволяет озеленять их лицевую поверхность. Озеленение возможно благодаря тому, что на лицевой стороне создаются проемы, заполненные открытым растительным грунтом: небольшие отверстия для тонких стен или большие проемы — для заполненных грунтом типов стен (рис. 6.28).

Озеленяемые шумозащитные стены (экраны) обычно состоят из железобетонных элементов, соединенных таким образом, чтобы после монтажа образовались полости, заполняемые грунтом с частично открытыми для озеленения поверхностями. Озеленяемые шумозащитные стены экологичны, как и озеленяемые подпорные стены, но они обладают еще и повышенным эффектом шумогашения. Эффект шумогашения озеленяемых стен (экранов) складывается из нескольких факторов (рис. 6.29):

1. Удлинение пути звукового луча от источника шума (двигателя автомобиля) к объекту — наружной стене здания. Обычно это удлинение, вследствие которого происходит затухание шума, более всего сказывается на гашении шума для нижних этажей, для которых оно наиболее актуально. Для этого экран должен иметь достаточную высоту Н.

2. Затухание шума в массивном грунтовом заполнении экрана.

3. Переориентация звуковых волн в пространстве вследствие неровной поверхности экрана (для этого лицевая поверхность экрана, обращенная к автомобильной дороге, должна быть неплоской, с глубоким рельефом).

4. Поглощение звуковых колебаний растительностью на поверхности экрана; особенно эффективно сплошное озеленение верха экрана, затрудняющее прохождение звукового луча, огибающего экран сверху.

5. Увеличивающее высоту экрана H наличие на его верху козырька или кустарника, удлиняющего путь звукового луча.

Озеленяемые шумозащитные стены рекомендуется проектировать таким образом, чтобы отношение высоты к толщине поперечного сечения в нижней части стены Н/В составляло 3:1...5:1.

Железобетонные уголковые подпорные стены-оболочки состоят из лицевой плиты в форме оболочки и фундаментной плиты, которая может быть плоской. Технико-экономический анализ показал, что наиболее эффективны лицевые плиты — оболочки: складчатые (треугольная или призматическая складка), гиперболические параболоиды, коноиды (рис. 6.30).

С точки зрения снижения давления грунта предпочтительнее ориентировка оболочек выпуклостью наружу. Для озеленения поверхности подпорных стен рекомендуется устройство проемов в лицевой плите. Размер проема должен быть таким, чтобы не допустить проникновения грунта обратной засыпки на лицевую поверхность стен. Следовательно, высота hn проема должна быть равной bntg ф, где bn — толщина стены; ф — угол внутреннего трения грунта. В проемы высаживают семена или саженцы вьющихся декоративных растений (винограда, плюща, розы и др.), которые по мере роста закрывают оплошной зеленой стеной лицевую поверхность подпорных стен. Для повышения архитектурной выразительности можно использовать сочетание нескольких типов оболочек, например, гипаров и складок. Сборные стены с лицевыми плитами в форме гипаров и коноидов рекомендуется выполнять с разрезкой на два сборных элемента: лицевую плиту в виде тонкостенной оболочки двоякой кривизны и фундаментную плиту (рис. 6.31).

Максимальная толщина лицевой плиты с учетом обеспечения защитного слоя бетона назначается 100 мм, минимальная может быть 70 мм. Размеры лицевой плиты проектируются с учетом необходимой высоты подпорной стены, грузоподъемности имеющихся механизмов, возможности перевозки сборных элементов, а также изготовления их на предприятиях стройиндустрии. Соотношение между высотой одного сборного элемента, длиной волны и стрелой подъема подбирается исходя из архитектурных соображений, а также с учетом экономии арматуры (рекомендуемые соотношения см. на рис. 6.31, а).

Конструкции фундаментных плит зависят от типа стыка с лицевой плитой. Наиболее технологичен при монтаже щелевой стык.

Порядок расчета уголковых подпорных стен-оболочек аналогичен расчету традиционных подпорных стен уголкового типа из плоских плит:

1. Предварительное назначение размеров по аналогии с типовыми решениями или с ранее выполненными проектами.

2. Определение интенсивности активного оаг и пассивного опг давления грунта в характерных точках по высоте, полного давления и его положения по высоте.

3. Определение всех расчетных и нормативных усилий, действующих на стенку, с учетом коэффициентов надежности.

4. Расчет устойчивости на сдвиг.

5. Расчет на опрокидывание.

6. Проверка прочности основания и положения равнодействующей сил.

7. Расчет лицевой плиты (рис. 6.32).

Принципиальная особенность контрфорсных подпорных стен-оболочек — передача нагрузки от грунта засыпки через пространственные конструкции лицевых элементов на контрфорсы. Контрфорсы могут быть выполнены в виде свай, работающих на горизонтальную нагрузку, стен трапецеидального профиля, столбчатых фундаментов. Сборные конструкции стены обычно разрезаются на два элемента — сборную лицевую оболочку и монолитный или сборный контрфорс (рис. 6.33).

Озеленяемые подпорные стены выполняют в виде конструкций с внутренним заполнением растительным грунтом и наружным сплошным озеленением. Специально сконструированные озеленяемые стены позволяют получить экономию материала (рис. 6.34).

Озеленяемые опоры освещения могут быть выразительны, если они выполнены в виде заполненных грунтом оболочек (рис. 6.35).

Создание дополнительных площадей озелененного грунта благотворно влияет на улучшение внешнего вида этих сооружений.