Конструкции на големи отвори

поглед зад спиращите дъха архитектурни идеи

Като един съвсем ориентировъчен критерий за определяне на "голям отвор" е прието, че ширината на отвора е повече от 40 метра. Такива отвори се предвиждат при определени промишлени сгради - за самолетостроене и машиностроене, при постройки със специално предназначение - хангари, гаражи, депа и др. В най-общия случай това са сгради с така наречената „едноотворна” носеща конструкция, при която колоните са разположени по дългите страни и няма междинни опори заради специфичните технологични процеси или нуждата от разполагане на големи машини. При общественозначимите сгради големите отвори са обусловени както от експлоатационни, така и от архитектурни изисквания. Има сгради, при вида на които ни обгръща усещането за красота, величие и завършеност. И не можем да отминем факта, че зад реализирането на всяко такова творение стои трудът на много хора, че уникалната архитектура сияе в деликатно единство с носещата конструкция. Именно затова съществуват най-разнообразни конструктивни решения.

Спортни зали, изложбени павилиони, покрития на басейни и стадиони, концертни зали - много са случаите, когато е необходимо впечатляващо покрито пространство без междинни колони, но всяко покритие се нуждае от носеща конструкция. Тъй като натоварването от собствено тегло е определящо, непрестанно се правят проучвания за нови, по-леки материали, с подходящи якостни и деформационни характеристики, за да се увеличат възможностите за преодоляване на големи отвори. В същото време се търсят нови конструктивни схеми. По-точно казано, изследват се не просто невиждани досега схеми, а такива, които по категоричен и адекватен начин се интегрират в архитектурата за оптимален резултат.

Конструкциите за покриване на големи отвори се разделят основно на две групи - равнинни и пространствени. Разликата е в характера на статическата им работа. При равнинните конструкции натоварените елементи работят в една равнина. При пространствените конструкции елементите работят съвместно в две равнини. Именно това ще проследим - кои са схемите за работа на елементите, при които се постигат повишаване на носещата способност на конструкцията, снижаване на разхода на материал, а резултатът е покритие на голям отвор.

Равнинни конструкции
За премостване на големи отвори с равнинни елементи най-удачни се оказват прътовите конструкции – т.н. ферми. Гредовите и рамковите прътови равнинни системи са много подходящи при сгради с правоъгълно очертание в план. Те могат да бъдат изпълнявани от различни материали, но най-често са стоманени.

При отвори над 40m височината на фермата при гредова схема е около 1/6 до 1/8 от отвора, а това означава височина над 5m и създава проблеми при транспортирането. Трудно се унифицират опорите, тъй като едната опора трябва да е подвижна, за да не се предава разпор върху вертикалните носещи елементи.

При рамковите схеми височината на ригела намалява, а и до 50m отвор рамките могат да се изпълняват пълностенни, най-често двуставни. Това води до намаляване на вложения труд и улеснява транспортирането. Фундирането се облекчава, като разпорът се поема от обтегачи под пода, на нивото на опорните стави. Преодоляването на отвори между 60÷100m изисква използването на рамки с ригели и колони от прътови решетки. Тези рамки се изпълняват или двуставни, или запънати. Запъването в опорите води до мощни фундаменти, но е почти неизбежно при отвор 120÷150m, когато намаляването на огъващите моменти в ригела е особено необходимо. За постигане на минимален разход на материал се приема, че оптималното съотношение между височината на ригела и отвора за премостване е от 1/12 до 1/20. И при рамковата схема обаче след определена ширина на сградата височината на ригела усложнява транспортирането. Налага се разработване на много отделни блокове, а това увеличава разхода на труд, материали и време за монтаж.

Арките се оказват по-изгодни от гредовите и рамковите схеми по разход на материал. Различни по своите очертания, те са достатъчно впечатляващи и подходящи за спортни зали, изложбени павилиони и др. Теоретично една арка, очертана по квадратна парабола, е най-икономична, обаче практиката е доказала, че при очертание по дъга от окръжност няма съществено увеличаване на усилията, но пък има значително опростяване на конструирането, изработката и монтажа. Ако статическата схема е със запъване при опорите, разпределението на огъващите моменти по протежение на конструкцията е оптимално, но се налагат тежки фундаменти и отчитане на напреженията от температурни въздействия. Именно затова най-разпространени са двуставните арки - те се деформират леко поради свободното завъртане в ставите при опорите, а това не позволява съществено увеличение на усилията от температурно въздействие и поддаване на фундаментите. Самото фундиране не е тежко, а поставянето на обтегач под нивото на пода допълнително го облекчава. Ако арката е над стени, разпорът може да се поеме или с обтегач, едновременно служещ за окачване на тавана и за предварително напрягане на арката, или с контрафорси - това най-често са напречни стени, трибуни и други помощни елементи от конструкцията. Независимо дали арката е пълностенна или решетъчна, височината на сечението не е голяма, тъй като огъващите моменти са относително малки. Ориентировъчно височината на пълностенна арка се приема между 1/50 и 1/80 от отвора, а на решетъчната - между 1/30 и 1/60 от отвора. Поради големите дължини, арките се конструират на отделни елементи, удобни за транспорт, които се свързват на място при монтажа.

Преход между равнинни и пространствени конструкции
В процеса на оптимизиране на равнинните ферми се достига до идеята за пространствено кръстосани прътови системи. Те са съставени от линейни елементи, пресичащи се под ъгъл от 35° до 50°, така че се образува структурна решетка с мрежа по долна повърхност, мрежа по горна повърхност и междинни пръти. Обикновено се сглобяват на терена и след това се вдигат на проектна кота. Съвместната пространствена работа на пресичащите се елементи повишава коравината и устойчивостта на конструкцията - за покриване на един и същ отвор височината на кръстосано-прътовата конструкция се намалява повече от два пъти в сравнение с обикновеното покритие от отделни равнинни гредови елементи, и е в рамките на 1/16 до 1/20 от премоствания отвор. Тази система е целесъобразна при покриване на площи, близки до квадрат, кръг или правилен многоъгълник. За облекчаване на основното поле се използват разтоварващи конзоли, достигащи до 0.20÷0.25 от размера на полето, или вантова система, на която се окачва структурната плоча. Използването на тръбни профили и високоякостни стомани осигуряват търсената икономия на материал.

Известни като "структури", тези конструкции се прилагат за реализиране на плоски покрития. При тях принципът за концентрация на материала е заменен с принципа на взаимосвързаност на системата. Наличието на многобройни възли води до специфично изготвяне и повишена трудоемкост при монтаж, и това донякъде ограничава използването им. Всъщност, структурите могат да се разгледат като съставени от ферми, разположени в две или в три направления. Всяка структура се състои от многократно повтарящ се обемен елемент, наречен "кристал". Интересното е, че "кристалът" при структура с ферми в три направления е статически неизменяем, което є дава много голяма коравина. Естествено, структурите работят най-добре при концентрирано натоварване, и тогава са най-икономични.

Пространствени конструкции
В съвременната строителна практика пространствените конструкции се изпълняват от стоманобетон, предварително напрегнат стоманобетон, торкрет бетон, стомана, и често се наричат "черупки". Тънкостенната черупка удивлява при уникалните сгради - музеи, изложбени зали, опери. Цилиндричният свод е пространствена конструкция, но от най-елементарен вид - може да се каже, че е съставен от множество арки. Образувателната на свода е права линия, която "обикаля" по направляваща дъга. С този свод се покрива правоъгълно в план поле. Когато е от стоманени елементи, цилиндричната повърхност се получава лесно, като отделните пръти се свързват в мрежа с различна конфигурация. Една от най-простите схеми е ромбовидната, но липсата на надлъжни елементи не осигурява нужната коравина в надлъжно направление, и конструкцията работи като свод само в напречно направление. Товарите се предават на надлъжни стени, и също като при отделната арка се изисква поемане на разпора - било с обтегачи, било с контрафорси. При включване в решетката и на надлъжни елементи коравината на конструкцията се увеличава, и тя може да бъде разглеждана като черупка, подпряна в ъглите на четири опори. Самата решетка може да бъде еднослойна, или двуслойна - да си спомним "структурната" конструкция. Криволинейните решетъчни повърхности поемат усилията, а съединяващата решетка осигурява коравината. С двуслойна стоманена черупка може да се покрие отвор до 500m, и то с използване на обикновени горещовалцовани профили. Усилията в цилиндричната черупка са най-добре разпределени, ако покритата площ е квадрат. По краищата си черупката трябва да се опре на корава диафрагма - стена, ферма, арка с обтегач и т.н. При пресичане на два цилиндрични свода с еднаква височина се получава интересният "кръстообразен" свод, подпрян на четири опори.

Куполът е пространствена форма, която се получава при мисленото завъртане на половин арка около вертикална ос, т.е. образувателната не е права, а дъга, и следователно повърхнината на купола е с кривина в две направления. Дъгата може да бъде част от кръг, елипса, парабола, хипербола, но основното е, че куполът се получава при ротация на дъга около ос. Разновидност на купола е т.н.купол-платно, чиито основи представляват поддържащи арки, а покритието над залата прилича на квадратно платно на кораб, закрепено в четирите ъгъла и издуто нагоре от вятър, духащ отдолу-нагоре. Ако е изпълнен от предварително напрегнат стоманобетон или торкрет бетон, куполът може да бъде с голям брой разновидности на повърхността, нo стоманата е материалът, който дава възможност за покриване на много големи отвори. При използване на стоманена носеща конструкция за куполите, отделни "ребра" се разполагат радиално, така че да се получи сферична повърхност по горните пояси на ребрата. Така оформеният ребрен купол е познат и като "купол-чадър". Във върха му се разполага пръстен, към който ребрата се захващат, и в някои случаи това дава основание всеки две срещуположни ребра да се разглеждат като триставна арка. По принцип ребрените куполи реагират като арки - в долния им край се появява разпор. Поемането му става или с подходящо конструирани стени, или със специален опорен пръстен от стоманобетон или стомана. В план опорният пръстен може да има очертание на окръжност или на многоъгълник. При необходимост, ребрените куполи се допълват с пръстени и в междинни нива по височина на купола, така че да се получи една закоравена пространствена система. Една красива разновидност е решетъчният купол - между ребрата и пръстените се монтират диагонали, и тогава елементите се натоварват само с осови сили, което позволява да се намалят напречните сечения на ребрата и пръстените. Ако конструкцията на купола е двуслойна, носещата способност и коравината са изключителни, а размерите на площите, които могат да се покрият, са на практика неограничени.

Плитките черупки са с височина много по-малка от ширината. Те са с двойна положителна Гаусова кривина, което означава, че центровете на кривините на двете повърхнини са от едната страна на черупката. Повърхността на плитките черупки се получава, ако една крива се движи по друга крива, и равнините на двете криви са взимно перпендикулярни. За разлика от ротационното образуване на куполите, при плитките черупки повърхината се създава транслационно. Двустранната кривина придава по-голяма коравина на плитките черупки в сравнение с цилиндричните черупки.

Всъщност, плитките черупки могат да бъдат и с отрицателна Гаусова кривина. Всеизвестно е, че покривът на Спортната зала във Варна е "хиперболичен параболоид". Това сложно наименование има просто обяснение - достатъчно е да си представим как една парабола с разклонения, насочени надолу, се плъзга по друга, разположена перпендикулярно, и с разклонения, насочени нагоре. Едната кривина е положителна, а другата - отрицателна, или иначе казано - центровете на двете повърхнини са от двете страни на черупката. Няма да разкрием къде е хиперболата, но ще подчертаем, че хиперболичният параболоид може да бъде образуван с използването на праволинейни елементи. Това улеснява например поставянето и напрягането на армировка. При комбиниране на части от различни параболоидни повърхнини могат да се получат наистина невероятни покрития.

Черупките с двойна кривина са конструкции, при които винаги има разпор. При повечето видове разпорът е насочен навън, но при хиперболичния параболоид е навътре. Това означава, че при черупки с двойна кривина трябва да се поставят обтегачи, като при арките, или стъпването им да е върху мощни опори, подсилени с контрафорси. Използването на стоманобетон и метал за сводове-черупки с положителна и отрицателна Гаусова кривина позволява да се създават нови, изключително леки и оригинални архитектурни форми.

Нагънатите конструкции са една особена група. Те се състоят от еднакви плоски или криволинейни тънкостенни елементи с триъгълна, трапецовидна или вълнообразна форма на напречното сечение, с едностранна или двустранна кривина. Именно тези наклонени плоскости определят носещата способност на нагънатите конструкции. С тях се покриват големи отвори, до 100m, и архитектите ги харесват заради нетрадиционната им изразителност. За инженерите е важно, че нагънатите конструкции създават разпор, и е задължително предвиждането на корави диафрагми или прътови връзки в краищата.

Висящите конструкции заслужават специално внимание. Основните носещи елементи при тях работят на опън. Това са гъвкави или корави ванти - кабели и въжета от високоякостни материали, огънати профили и др. Повишената деформативност на висящите покрития води до поява и на кинематични премествания, за чието погасяване се проектират специални стабилизиращи устройства, а това намалява ефективността на приложение. При висящите системи от равнинен тип към основната конструкция се окачва ограждащата конструкция на покритието. Тя може да е от монолитен или сглобяем стоманобетон, така че да е осигурено затежняването и да не се допусне обратно огъване на повърхността от "смучене" при ветрово натоварване. При тези системи често за стабилизиране се използва предварително напрягане, чрез полагане върху покритието на допълнително натоварване. След махане на това натоварване кабелите опитват да се върнат към първоначалната си дължина, притискат замонолитеното стоманобетонно покритие и го превръщат във вдлъбната висяща корава черупка. В равнинните висящи системи опорните реакции на успоредно работещите въжета се предават на опорни пилони, които поемат вертикалните усилия и разпора. В този случай разпорът е в посока, противоположна на тази в изпъкналите черупки, и поемането му може да стане с обтяжки, анкерирани в терена така, че да не бъдат изтръгнати. Има случаи, когато някои архитектурни елементи, например трибуни, могат да бъдат използвани за уравновесяване на разпора.

Пространствената висяща конструкция се състои от опорен контур и система кабели, образуващи повърхност, по която може да се положи покритието. Опорният контур от стоманобетон или стомана поема разпора. Вертикалното натоварване се предава на подпорите, поддържащи опорния контур. За стабилизиране често се използва двупоясна система от въжета - работни и стабилизиращи. Въжетата се разполагат по двойки в равнини, перпендикулярни на покритието, и се съединяват едно с друго чрез твърди разпънки, създаващи предварително напрежение във въжетата. При тази система ограждащата конструкция на покритието не участва в статическата работа, и затова може да бъде изпълнявана или върху носещите въжета - провисналите, или върху стабилизиращите, които оформят изпъкнала повърхност.

Често срещан вид висяща конструкция е "седловидната" напрегната мрежа. Вече споменахме, че повърхността, даваща възможност за предварително напрягане на елементи, е хиперболичният параболоид, наричан още "седло". Обикновено мрежата от носещи и стабилизиращи кабели, която оформя повърхнина с двойна кривина, се закрепва към две наклонени параболични стоманобетонни арки или опорен пръстен със сложна конфигурация. Поведението на този вид висяща конструкция е подобно на работата на двупоясната система - външното натоварване увеличава началните опънни усилия в носещите кабели и намалява началното удължение в стабилизиращите. Седловидната повърхнина е много благоприятна за осигуряване на почти еднакви усилия в нишките при равномерно натоварване, и следователно - еднакви сечения на въжетата.

Мембранните черупки са много ефективни висящи конструкции, тъй като съвместяват носещи и ограждащи функции. Те се състоят от тънки стоманени листове с дебелина 2÷5mm, с които се покриват отвори над 200m. Мембраната работи на опън в две направления и това изключва опасността от загуба на устойчивост. Усилията от премостващата конструкция се поемат от затворен опорен контур, работещ съвместно с мембраната, която обезпечава неговата устойчивост. За улеснение на монтажа може да се използват помощни ферми, служещи за полагане на листовете от черупката и за съединяването им, а след това работещи съвместно с черупката, като увеличават коравината ѝ при неравномерно натоварване. Формата на мембранните черупки също е много разнообразна - цилиндрична, сферична, седловидна и т.н., и осигурява пространствената работа на покритието при много изгоден разход на стомана.

Пространствените структури са много повече от покрития на големи отвори - те са шедьоври, те са резултат от сливането на таланта на архитекта-художник с инженерния гений. Каквито и да са проблемите, винаги ще има хора, които ще ги решат.