Геодезические купола

Рис 5-6 – План реконструкции вокзала Кингс-Кросс в Лондоне

 

Рис. 6-7 – Вокзал Кингс-Кросс в Лондоне после реконструкции (2012 год)

Рис. 8 – двойная сетчатая оболочка нового Пекинского оперного театра от Поля Андре

 

3. Оболочки

      Оболочка — строительная конструкция перекрытий зданий и сооружений. В архитектурной практике используются выпуклые, висячие, сетчатые и мембранные оболочки из железобетона, металлов, древесины, полимерных, тканых и композиционных материалов. Для расчёта таких конструкций используется специально разработанная теория оболочек.

     Сетчатые перекрытия-оболочки впервые внедрил в мировую практику российский инженер и архитектор В. Г. Шухов в 1896 году. Тогда же он запатентовал эти конструкции и разработал основы теории оболочек.[7]

     До середины XX века перекрытия-оболочки использовались редко ввиду сложности расчёта, повышенных требований к качеству материалов и соблюдению технологий монтажа. Яркий пример — парусообразные двухслойные перекрытия-оболочки оперного театра в Сиднее, которые из-за недостаточной технической компетенции архитектора Йорна Утзона возводили более 10 лет.

Рис. 9 – Оперный театр в Сиднее (Австралия)

      Перекрытия-оболочки использовали в своем творчестве знаменитые архитекторы Антонио Гауди, Пьер Нерви, Эро Сааринен, Оскар Нимейер, Кэндзо Тангэ, Бакминстер Фуллер, Норман Фостер, Фрэнк Гери, Николас Гримшоу, Сантьяго Калатрава. Полное признание и широкое распространение в прогрессивной архитектуре перекрытия-оболочки получили в течениие последних двух десятилетий благодаря внедрению компьютеров в практику расчёта конструкций и появлению новых строительных материалов и технологий.

       В российском климате безаварийно эксплуатируются стальные сетчатые и стальные висячие мембранные оболочки перекрытий зданий и сооружений.

Доверие к железобетонным оболочкам в России было сильно подорвано в 2000-е годы из-за ряда аварий (Трансвааль-парк и Басманный рынок), произошедших из-за недостатков проектирования и эксплуатации зданий.

Рис. 10 – Трансвааль-Парк в Москве (проект и последствия)

 

 

В Лондоне перекрыт самый большой двор в Европе - Большой Двор Королевы Елизаветы Британского музея. Проект реконструкции принадлежит перу Нормана Фостера, который в очередной раз не изменил себе и предложил применить ультрасовременную светопрозрачную конструкцию в комбинации со скрупулезной реставрацией исторического здания (см. реставрацию берлинского Бундестага).

Рис. 13 – Вид из двора на круглый объем Читального зала. Ажурная оболочка не только не разрушает композиции середины XIX века, но и, кажется, ее завершает.

      Здание  Британского музея было построено  в первой четверти XIX века по  проекту архитектора Роберта  Смайка (Robert Smirke). Изначально оно представляло собой четыре крыла с внутренними галереями, которые располагались по периметру большого прямоугольного двора размерами 92x73 м. К середине XIX века возникла необходимость в дополнительных площадях и хранилищах. Тогда в 1854-1857 гг. в центре Большого двора было построено круглое в плане (42,7 м в диаметре) здание Читального зала и несколько книгохранилищ, присоединенных к нему.

Рис. 14 - Интерьер отреставрированного Читального зала.

       Примечательно, что все эти здания проектировал брат Роберта Смайка - Сидней. Для середины XIX века здание Читального зала имело довольно прогрессивную конструкцию - в ее основе лежал рамный каркас из 20 стальных ребер, которые были связаны снаружи кирпичным барабаном. Кроме оригинального конструктивного применения кирпичная кладка одновременно выполняла и ограждающую функцию. По существу она являлась внешней стеной с прорезанными в ней арочными окнами. На высоте 19 м от уровня пола двора располагалась так называемая "Снежная галерея" - плоская кровля шириной 2 м, которая окружала покрытый медными листами купол. В центре полусферического купола на высоте 32,3 м над уровнем пола располагался световой фонарь диаметром 12,2 м. За почти полуторавековую историю Читального зала исторические конструкции изрядно поизносились, да и справиться с новыми нагрузками от покрытия двора им было явно не под силу.

 

 

 

Рис. 15 – Вид сверху на здание Британского музея, перекрытое стеклянно-металлической оболочкой.

        В 1998 году на проект реконструкции Британского музея был объявлен конкурс. Победил вариант, предложенный тандемом двух коллективов, - Norman Foster and Partners (архитектурное решение) и Buro Happold (комплексный инженерный проект). По предложенному ими проекту реконструкции книгохранилища были разобраны (Британская библиотека была перемещена в новое здание), а здание Читального зала в центре было отреставрировано и оставлено в виде, близком к историческому. Прямоугольный Большой двор было предложено перекрыть изогнутой сетчатой конструкцией со стеклянным заполнением. При этом внешним своим краем светопрозрачная оболочка должна была опираться на внутренний периметр четырех крыльев музея, а в центре - на круглое здание Читального зала. В результате перед архитекторами и инженерами возникли две довольно нетривиальные задачи - геометрическая и конструктивная. Геометрическая сложность заключалась в том, одновременно с криволинейным, "выпуклым" очертанием самой оболочки, нужно было обеспечить плавный переход от прямоугольного внешнего периметра к круглому опиранию в центре. Эта проблема была решена с помощью применения специальной компьютерной программы, которая позволила сгенерировать необходимую форму оболочки.

    

Рис. 16 – Аксонометрия расчетной схемы покрытия.

      Получившаяся тороподобная форма с радиусом кривизны около 50 м соответствовала как архитектурным, так и конструктивным требованиям. Дополнительной сложностью для конструкторов было то, что помимо расчетов самого покрытия необходимо было провести усиление несущих конструкций Читального зала, на который в результате приходилась значительная доля нагрузки от новой прозрачной кровли. Каркас сетчатого покрытия решено было опереть на 20 колонн, окружающих Читальный зал. Существующие колонны были заменены на своего рода композитную конструкцию: внутрь 20 стальных труб, внешним диаметром 457 мм, была помещена арматура и в образовавшуюся таким образом несъемную опалубку залили бетон.

Рис. 17 – Вид из двора на новое покрытие.

      Следующей  конструкцией, претерпевшей кардинальное  усиление, стала кирпичная Снежная  галерея. Она, так же как и старые  колонны, была разрушена, после чего  была заменена на железобетонную  копию со скользяшим опиранием  ее на колонны. Таким образом, образовалось жесткое железобетонное кольцо, которое позволяло использовать его как диафрагму жесткости для опирающейся на него сетчатой оболочки. Скользящее же опирание железобетонного кольца позволило убрать опасные для исторического каркаса горизонтальные нагрузки. Для сведения к минимуму горизонтальных усилий в местах опирания оболочки, опоры решено было сделать шарнирными.

Рис. 18 – Узел опирания оболочки покрытия двора на балку внешнего периметра.

     Для этого  по внешнему, прямоугольному периметру  за портиками были устроены специальные площадки, на которые шарнирно опирались конструкции кровли. Тем самым практически были исключены изгибающие силы и моменты в существующих кирпичных стенах - вся нагрузка от покрытия приводилась к вертикальной.

   Правда, подвижность опор означала, что для того, чтобы кровля могла поддерживать свою форму, внешние элементы конструкции вблизи прямоугольного периметра должны были работать под одновременным воздействием изгибающих и сжимающих усилий. Этот эффект должен был распространяться через узлы во всех направлениях. Такая схема статической работы отразилась на сечении элементов. Они имеют наименьшее сечение около Читального зала, а наибольшее - вблизи фасадов внешнего периметра. Кроме того, во избежание возникновения мгновенной кинематической изменяемости всей системы в целом, в направлении каждого из четырех углов были добавлены жесткости в виде натянутых тросов.

    

Рис. 19 – Узел опирания оболочки на Снежную галерею Читального зала.

  Линии самой сетки  формировалась как радиальные элементы, переброшенные между Читальным залом и фасадами внешнего периметра двора. Многократно пересекаясь в двух направлениях, эти элементы и начинают работать, как сетчатая оболочка. Каждый элемент в пределах одной ячейки имел коробчатое сечение, изменяющееся от элемента к элементу. Это было необходимо для того, чтобы плавно перейти от более тонкого сечения элементов около Читального зала к более толстому - у внешнего периметра. В результате, несмотря на то что вся конструкция симметрична, получилось 1826 элементов с абсолютно индивидуальными размерами. Все технологические сложности с лихвой компенсировались легкостью и изящностью получившейся конструкции. За счет эффективной формы и взаимодействия всех элементов оболочки, она стала работать аналогично куполу, испытывающему преимущественно арочное сжатие.

     

Рис. 20 – Типовой узел сочленения элементов сетчатой оболочки. Все прямоугольные профили привариваются к стандартной стальной пластине. Причем каждый элемент, в зависимости от местоположения узла, может иметь индивидуальное сечение.

     Причин тому  было несколько - привычная высокая  прочность при относительно низкой  стоимости, легкость монтажа (сварка  и болтовые соединения), относительно  высокая коррозионная стойкость  после окраски. Большинство соединений решено было сделать сварными. Для сведения к минимуму риска брака сварных швов решено было применить специальную сталь сорта D. Стали такого класса очистки обычно применяются в кораблестроении или в производстве нефтехимического оборудования. Масса всех стальных конструкций составила приблизительно 420 т, или 75 кг/м2. Уложенные сверху панели двойного остекления добавили еще 60 кг/м2, в результате чего вся конструкция стала весить около 760 т. Монтаж сетчатого покрытия производился по временному деревянному настилу, который был собран над всем Большим двором. Из-за отсутствия места для хранения все элементы оболочки на строительную площадку привозились мелкими партиями и сразу шли в работу. После возведения всех стальных несущих конструкций начался монтаж остекления. Только когда большая часть его была собрана, временный деревянный остов был демонтирован. В сентябре 2000 года Британский музей был открыт для посетителей. Новое покрытие двора по существу стало дополнительной достопримечательностью и без того популярного среди туристов места. Статистикам еще предстоит посчитать, какое дополнительное количество туристов привлекло новое "техническое чудо" от Нормана Фостера.

      Но есть  примеры проектов, где в роли  центрального ядра выступает мощная сетчатая оболочка,  получается одна пространственная оболочка внутри другой.

Рис. 11 – 12 Комплекс планируют построить в Киеве

 

 

 

 

 

4. Геодезический купол

4.1 Определение купола

Ку́пол (итал. cupola — купол, свод, от лат. cupula, уменьшительное от cupa  — бочка)— пространственная несущая конструкция покрытия, по форме близкая к полусфере или другой поверхности вращения кривой (эллипса, параболы и т. п.). Купольные конструкции перекрывают преимущественно круглые, многоугольные, эллиптические в плане помещения и позволяют перекрывать значительные пространства без дополнительных промежуточных опор. Образующими формами служат различные кривые, выпуклые вверх. От вертикальной нагрузки в купольных конструкциях возникают усилия сжатия, а также горизонтальный распор на опорах.

Рис. 13 – Разрез купола Пантеона

4.2  Историческая справка

История куполов началась ещё в доисторические времена, они встречаются в доисторических памятниках Галлии, Сардинии (они представляют собой круглую каменную платформу, на которой стоит обыкновенно конический столб с округлённой вершиной, в котором находятся несколько камер, расположенных одна над другой; камеры эти перекрыты каждая ложным сводом), в сокровищницах первобытной Греции (например, сокровищница Атрея в Микенах),

Рис. 14 - Сокровищница Атрея (вид изнутри)

в этрусских погребальных склепах, в нубийской пирамиде Курна; но более всего они были в употреблении, по-видимому, у древних халдеев и персов, как о том свидетельствуют дошедшие до нас изображения их построек и археологические раскопки, произведённые в местах нахождения их давно исчезнувших городов. Древние купола были ложными. В них горизонтальные ряды каменной или кирпичной кладки нависали один над другим и не передавали стенам горизонтальных усилий. Зодчество классической Греции почти не прибегало к форме купола; тем не менее её представляет монолит, покрывающий собою небольшой хорагический памятник Лисикрата в Афинах.

Технологически сложные и большие каменные купола правильной сводчатой конструкции стали сооружать после изобретения бетона во время Римской архитектурной революции при строительстве храмов и больших общественных сооружений. Римляне, разработав приёмы кладки купола, в период расцвета своего искусства смело пользовались им для перекрытия без опор весьма обширных центрических пространств. Считается, что самый древний купол из ныне существующих расположен в римском Пантеоне, возведённом примерно в 128 году нашей эры. Здесь полусферический купол, снабжённый вверху круглым отверстием для пропуска света, перекрывает круглое здание 43½ м в диаметре. У древних римлян купол украшался изнутри разделкой в виде выступающих вперёд вертикальных и горизонтальных рёбер, образующих кессоны.