Невидимый конфликт

Но обратимся к еще одному виду пространственных покрытий, который находит широкое применение в строительстве наших дней. Для них характерно отсутствие кривизны в одном направлении. Наиболее популярный тип таких конструкций — цилиндрические оболочки. Как в далеком прошлом, так и сейчас они широко применяются в качестве конструкций покрытия (в наши дни — для промышленных зданий, складов, ангаров и даже для зрелищных сооружений). Хотя по расходу материала цилиндрические оболочки менее экономичны, чем купола, у них есть одно неоспоримое преимущество — более высокая технологичность, обусловленная линейным характером поверхности в одном направлении. А это имеет большое значение для сборного строительства из стали, поскольку могут использоваться длинные линейные элементы (причем с малым числом соединений), а также в случае железобетона, поскольку значительно облегчается выполнение опалубочных работ.

Рис. 29. Длинная цилиндрическая оболочка. И здесь усилия действуют только в плоскости (а вернее, в поверхности) оболочки

На рис. 29 схематично показана работа цилиндрической оболочки. В областях, достаточно удаленных от краев, состояние конструкции является безмоментным — присутствуют только нормальные и тангенциальные усилия. В работе такой оболочки наблюдается определенная двойственность: в соответствующем направлении конструкция работает как балка — сжимающие напряжения в верхней части и растягивающие в нижней. В другом направлении имеет место эффект свода. Последний, разумеется, зависит от жесткости продольных балок, которые играют роль опор для множества мысленно вычленяемых арок. Чем мощнее эти балки, тем отчетливее проявляется эффект свода, тем большая часть нагрузки стекает в поперечном направлении на балки, которые уже передают ее на опорные колонны. Этот тип работы, однако, нельзя доводить до крайности, поскольку утрачивается пространственное действие, а балки становятся большими и тяжелыми. Но это не значит, что продольные балки следует делать как можно меньше — ведь они значительно ужесточают оболочку и увеличивают ее несущую способность. В продольных балках в основном концентрируются растягивающие напряжения от балочной работы оболочки.

Эти балки работают по сложной схеме: на двойной изгиб, на растяжение и на кручение. Что же касается диафрагм, то в случае пологих оболочек на прямоугольном основании они подвергаются воздействию сдвигающих усилий и работают главным образом на растяжение и изгиб.

В зонах опирания, к сожалению, неизбежно возникают определенные изгибающие моменты. Причина этого кроется в самой системе опирания — балки и диафрагмы ограничивают свободные деформации оболочки, свободное выпрямление ее краев. Точно так же, как ограничение удлинения приводит к усилиям растяжения, а ограничение укорачивания — к усилиям сжатия, ограничение выпрямления приводит к появлению изгибающих моментов.

Рис. 30. Гиперболический параболоид. В определенных направлениях линии, образующие поверхности, не кривые, а прямые. Путем "разрезания" на отдельные части по этим линиям и соответствующего их комбинирования получается один из самых интересных видов пространственных покрытий

Одна из самых современных форм пространственных конструкций — гиперболо-параболическая. Несмотря на двоякую кривизну, у нее есть два направления, где линии всегда прямые. О технологических преимуществах, которые это дает, мы уже говорили. Именно благодаря технологическим достоинствам этот тип покрытия находит самое широкое применение. Различные гиперболо-параболические оболочки получаются путем «отрезания» части основной поверхности (рис. 30) и соответствующего соединения нескольких таких частей в единую конструкцию.

Для выполнения таких конструкций одинаково подходят и железобетон, и сталь, причем не исключается возможность сборных методов строительства. В СССР, например, разработаны типовые проекты покрытий для помещений с сеткой колонн от 12x12 до 42x42 м. Перекрытие таких пространств классическими плоскостными несущими системами связано с серьезными трудностями и в конечном счете может привести к значительному перерасходу материала.

Рис.31. Одна из возможных комбинаций четырех гиперболо-параболических частей

Статически (рис. 31) этот тип оболочки работает почти исключительно на сдвиг. В стальных конструкциях гиперболо-параболическая поверхность получается другим способом — с помощью растягиваемых канатов. При этом одна система канатов образует вогнутую параболическую поверхность, а другая — выпуклую. Таким образом, достигается предварительное напряжение несущей системы, обеспечивающее ее стабилизацию.