UMBRELLA TYPE SURFACE FOR A SPORTS CENTER

Abstract


The practical examples of umbrella-type shells and domes, methods of their genesis are given in the article, the prospects for future application are considered. Two innovational umbrella type surfaces of six equal elements, proposed for adaptation by Strength of materials department of PFUR, their application illustrated by the sports center roof.


ВведениеПоверхностью зонтичного типа называются циклически симметричные по- верхности, состоящие из нескольких тождественных элементов [1]. Полная по- верхность зонтичного типа и все поверхности составляющих ее тождественных элементов описываются одним и тем же явными, неявными или параметриче- скими уравнениями.Известные в настоящее время поверхности зонтичного типа можно подраз- делить на следующие виды:поверхность с радиальными волнами, затухающими в центре, образованная параболами;поверхность с радиальными волнами, затухающими в центре, образованная кубическими параболами;крестообразный желоб;волнистая эллипсоидальная поверхность;линейчатая поверхность Скидана;поверхность зонтичного типа с синусоидальной образующей;волнистая поверхность с псевдоверзиерами на круглом плане;гофрированный параболоид вращения;волнистая поверхность из кубических парабол;поверхность зонтичного типа на циклоидальном плане, образованная ку- бическими параболами.Все эти поверхности заданы уравнениями, описаны их формы в зависимости от значения их геометрических параметров и представлены визуально посред- ством Microsoft Word в [1-5].Самопересекающиеся поверхности зонтичного типа можно получить также из параметрических уравнений задания поверхности Сиверта, если брать опре- деленные пределы изменения геометрического параметра u [1].Зонтичные оболочки иногда также называются волнистыми, волнообразными или волновыми. В некоторых работах их относят к поверхностям конгруэнтных сечений, которые несут на себе непрерывное однопараметрическое семейство плоских линий.Зонтичный купол (купол с распалубкой) - циклически симметричная про- странственная конструкция, образованная из нескольких тождественных эле- ментов, в результате пересечения срединных поверхностей которых получаются кривые, являющиеся образующими некоторой куполообразной поверхности вра- щения.Аналитические уравнения зонтичных поверхностей крайне редко указывают- ся в источниках литературы архитектурного направления, поэтому в большинстве случаев можно только примерно предположить, к какому типу зонтичной по- верхности относится тот или иной пример реального сооружения.Зонтичные купола можно увидеть в таких древних сооружениях, как, напри- мер, построенная в 134 г. вилла в Италии (рис. 1) или мавзолей XI-XII вв. Бабад- жа Хатун в Казахстане (рис. 2), в покрытии которого применен 16-реберный зон- тичный купол на конической круговой контурной поверхности.Рис. 1. Вилла в Тиволи (Италия, 134 г.) [Villa in Tivoli (Italy, 134 year)]Рис. 2. Мавзолей Бабаджа Хатун (11-12 вв.) [Mausoleum of Babaj Khatun(11-12 century)]Более современные примеры зонтичных оболочек дал Феликс Кандела (27.01.1910-07.12.1997), который использовал проектную архитектуру тонко- стенных железобетонных оболочек сложных форм и стремился преобразовать объекты в выразительные формы, исходя из идей со сводчатыми конструкциями по аналогии со своими коллегами, знаменитыми архитекторами и инженерами А. Гауди и Э. Торрохи. Ф. Кандела запроектировал около трехсот зонтичных про- странственных оболочек, например ресторан в Хочимилько в Мексике (1957- 1958 гг.).Примерно в то же время Н.В. Лебедев [6] активно занимался изучением зон- тичных куполов и предлагал классифицировать их по виду контурной поверх- ности, по виду кривой, образующей срединную поверхность тождественных эле- ментов и по соотношению главных размеров (диаметра и высоты купола). Мо- розов А.П. и др. [7] предложили выделить зонтичные купола из зонтичных оболочек.В 2007 году идея применения зонтичных оболочек была поддержана молоды- ми учеными Рынковской М.И., Алборовой Л.А. и Емельяновой Е.М. (рис. 3) в научно-исследовательской работе «Формообразование неканонических оболочек применительно к сооружениям на Земле и во Вселенной». Эта работа получила по результатам конкурса молодежных инновационных проектов «Полет мысли: авиация и космонавтика» в рамках VIII Международного авиационно-космиче- ского салона (МАКС-2007) 3-е место. В проекте было показано, что при проек- тировании сооружений в виде поверхностей зонтичного типа в условиях повы- шенного внешнего давления из материалов типа железобетона целесообразно применять оболочки выпуклого контура, чтобы конструкция испытывала сжи- мающие напряжения, а при строительстве в условиях меньшего по сравнению с атмосферным давления, например на Луне, по тем же причинам предпочтитель- нее использовать вогнутые зонтичные оболочки (рис. 4, а, б).Рис. 3. Победители конкурса в рамках МАКС-2007 [Winners of the contest MAKS-2007]a бРис. 4. Зонтичные оболочки с выпуклым (а) и вогнутым (б) контуром [Umbrella shells with (a) convex and (б) concave contour]Помимо прочего к преимуществам поверхностей зонтичного типа можно от- нести следующее: они состоят из тождественных элементов; обладают повышен- ной жесткостью, устойчивостью, архитектурной выразительностью; просты в изготовлении; возможно применение робототехники.В работе [8] были показаны новые формы зонтичных циклических поверх- ностей для большепролетных покрытий сооружений.В 2011 году в рамках проекта спортивно-развлекательного комплекса, в фор- мообразовании которого решено было применить минимальное количество пло- скостей и прямых линий, для покрытия части здания было предложено исполь- зовать три новые оболочки, в том числе со срединными зонтичными поверхно- стями [9].Математическое обоснование построения оболочек со срединными зонтич- ными поверхностями рассматривается в работе [10], в которой была показана возможность конструирования зонтичных оболочек из отсеков циклических по- верхностей переноса, ограниченных опорными меридианами базовой сферы. Было доказано, что каждый элемент поверхности представляет собой цикличе- скую поверхность, а совокупность элементов - зонтичную поверхность. В статье [3] были собраны воедино все известные на то время описания зонтичных по- верхностей и поверхностей зонтичного типа и предложены новые их формы.Цель работыВ настоящее время решены многие теоретические вопросы по формообразо- ванию и заданию рассматриваемых поверхностей. Цель работы - показать воз- можность внедрения данных поверхностей в реальных сооружениях, пути реше- ния задачи построения зонтичного купола по заданным геометрическим пара- метрам (размерам) и показать возможность их расчета на прочность (рис. 5).Рис. 5. Фасад спортивного центра (проект) [Fachade of the sports center (project)]Материалы и методыВ зависимости от применяемых материалов и технологий зонтичные оболоч- ки обычно бывают из монолитного или сборно-монолитного железобетона, а также тентовые и пневматические. Известны случаи возведения предварительно напряженных зонтичных оболочек (например, Олимпийский плавательный бас- сейн, построенный в 1982 г. в Люксембурге), а также различных легких палаток (для зимней рыбалки и т.д.).Область использования и применения тентовых покрытий в современной ар- хитектуре с каждым годом расширяется в связи с необходимостью перекрытия все больших площадей, а также стремлением к постоянному обновлению ланд- шафта в соответствии с конкретным культурно-массовым мероприятием. На пер- вый план выходят такие качества сооружений, как легкость, экономичность, бы- строта монтажа/демонтажа, комбинаторные свойства и способность к эстетиче- скому многообразию. На практике одним из наиболее популярных видов таких покрытий стали модульные зонтичные оболочки, но возможности их формо- образования пока мало изучены, что в целом ограничивает спектр возможностей применяемых форм и материалов.Зонтичный купол занимает не последнее место в архитектуре нашего времени, например, в 2009 г. в Пуэрто-Рико был построен ресторан в форме зонтичной оболочки, отличительной особенностью которой стало соотношение основных геометрических размеров оболочки (диаметр примерно соответствует высоте, хотя обычно принимается значительно больше высоты).В качестве одного из примеров инновационного применения зонтичных обо- лочек авторами предлагается проект спортивного центра, части покрытия кото- рого выполнены в форме двух типов оболочек с зонтичными срединными по- верхностями (см. рис. 5). Некоторые варианты внешнего вида покрытий пред- ставлены на рис. 6.a бРис. 6. Две зонтичные оболочки для части покрытия спортивного центра (проект) [Two umbrella casings for part of the sports center roof (project)]Результаты и обсуждениеВ работе показаны конкретные варианты применения двух инновационных типов зонтичных оболочек с круговыми образующими одного радиуса примени- тельно к конструкциям покрытия спортивного центра.Если рассматривать зонтичные оболочки с точки зрения развития конструкций из сборного железобетона, то они могут оказаться достаточно интересными, по- скольку позволяют создавать необычные формы и перекрывать большие про- странства без применения уникальной и дорогостоящей опалубки, путем соеди- нения тождественных сборных элементов.В то же время с появлением параметрической архитектуры и программных комплексов, позволяющих ее реализовывать (Rhinoceros), а также с развитием строительных технологий (3D печати зданий) и материалов, в том числе компо- зитных, вопрос о дальнейшем распространении зонтичных оболочек самых за- мысловатых типов, выполненных из монолитного железобетона (и других видов материалов) также представляется достаточно перспективным.Однако в связи с крупными авариями и разрушениями конструкций покрытий в виде различных типов оболочек (авария в аквапарке в 2004 г. в Москве и др.) [11], повлекшими за собой гибель людей, необходимо очень серьезно подходить к расчету таких конструкций с учетом принципов образования поверхностей, условий работы и фактической прочности используемых материалов.Так, в 2006 г. С.М. Докула [12] писал, что «в проектировании конструкций от- сутствуют совершенные принципы образования поверхностей зонтичных купо- лов, а также точные методы их расчета. Те нестрогие определения зонтичной поверхности, как поверхности, образованной из куполов вращения путем члене- ния их «вздутыми» и «ложкообразными» распалубками, не могут служить ни цели создания поверхности зонтичных куполов, ни, тем более, цели достаточно точ- ного их расчета. … Тем не менее, зонтичная форма куполов неизменно интере- совала и интересует архитекторов и строителей и они, не ожидая способа обра- зования и метода расчета, предпринимают попытки осуществления, в наше вре- мя подобных куполов, трактуя их как модуляцию сводов двоякой кривизны». В то же время в 2008 году профессором Ивановым В.Н. была успешно предпринята попытка расчета напряженно-деформированного состояния покрытия торгово- го центра в форме оболочки зонтичного типа вариационно-разностным методом [13].Можно сказать, что мягкие зонтичные оболочки обладают самым главным преимуществом над всеми оболочками: при той же площади покрытия количество опор уменьшено, но в организации наружного ограждения требуется специаль- ный каркас. По этим причинам эти оболочки применяют только в тех сооруже- ниях, где отсутствует необходимость наружных ограждений (временные пави- льоны, летние кафе).ЗаключениеВ дальнейшем авторами планируется произвести расчет конструкции пред- ставленных двух инновационных типов зонтичных оболочек численным мето- дами для дополнительного анализа полученных результатов. В случае успешного завершения данной работы может быть подтверждена актуальность использова- ния данного вида оболочек в современном мире.В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что зонтичные обо- лочки имеют достаточно хорошие перспективы для развития как с точки зрениясовершенствования методов расчета [4] и технологий строительства [10], так и с точки зрения архитектуры [13; 14].© Козырева А.А., Рынковская М.И., Тупикова Е.М., 2017

Anna A Kozyreva

Engineering Academy Peoples’ Friendship University of Russia

Author for correspondence.
Email: kozyrevaanna5@gmail.com
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

student master of of architecture and civil engineering

Marina I Rynkovskaya

Engineering Academy Peoples’ Friendship University of Russia

Email: rynkovskaya_mi@rudn.university
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

PhD in Structural Mechanics, associate professor of department of architecture and civil engineering

Evgeniya M Tupikova

Engineering Academy Peoples’ Friendship University of Russia

Email: emelian-off@yandex.ru
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

assistant professor of department of architecture and civil engineering

  • Krivoshapko S.N., Ivanov V.N. (2010) Enciklopediya analiticheskikh poverkhnostey. M.: LIBROKOM. (In Russ)
  • Krivoshapko S.N. (2005) Geometricheskie issledovaniya poverkhnostey zontichnogo tipa. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. No 1. 11—17. (In Russ)
  • Krivoshapko S.N., Mamieva I.A. (2011) Zontichnye poverkhnosti i poverkhnosti zontichnogo tipa v arkhitekture. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo. 7(1). 27—31. (In Russ)
  • Ivanov V.N. (2008) Joachimsthal’s channel surfaces with the directrix curves of the 2­nd order. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. No 4. 86—89. (In Russ)
  • Ch.A. Bock Hyeng, Krivoshapko S.N. (2013) Umbrella­Type Surfaces in Architecture of Spatial Structures. IOSR Journal of Engineering (IOSRJEN). Vol. 3, Iss. 3. 43—53.
  • Lebedev N.V. (2006) Fermy, arki, tonkostennye prostranstvennye konstrukcii. M.: Arkhitektura­S. (In Russ)
  • Morozov A.P., Vasilenko O.V., Mironkov B.A. (1977) Prostranstvennye konstrukcii obshchestvennykh zdaniy. L.: Stroyizdat, Leningradskoe otd. (In Russ)
  • Ivanov V.N., Rynkovskaya M.I. (2015) Primenenie ciklicheskikh poverkhnostey v arkhitekture zdaniy, konstrukciy i izdeliy. RUDN Journal of Engineering Researches. No 3. 111—119. (In Russ)
  • Krivoshapko S.N., Emelyanova E.M., Mamieva I.A. (2011) Obemno­planirovochnye resheniya sportivno­razvlekatelnogo kompleksa. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. No 4. 46—49. (In Russ)
  • Ivanov V.N., Krivoshapko S.N. (2011) Konstruirovanie zontichnykh obolochek iz otsekov ciklicheskikh obolochek perenosa. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. No 1. 3—7. (In Russ)
  • Krivoshapko S.N. (2015) Vidy avariy i razrusheniy prostranstvennykh struktur i obolochek. Stroitelstvo i rekonstrukciya. 1(57). 22—32. (In Russ)
  • Dokula S.M. (2006) Mesto zontichnykh kupolov v sovremennoy arkhitekture. http://www.rusnauka.com. (In Russ)
  • Romanova V.A. (2015) Vizualizaciya obrazovaniya poverkhnostey s radialnymi volnami, zatukhayushchimi v centralnoy tochke. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. No 3. 4—8. (In Russ)
  • Segal Edward. The thin concrete shells of Jack Christiansen// Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2009, Valencia Evolution and Trends in Design, Analysis and Construction of Shell and Spatial Structures 28 September — 2 October 2009, Universidad Politecnica de Valencia, Spain Alberto DOMINGO and Carlos LAZARO (eds.). 1622—1633.

Views

Abstract - 669

PDF (Russian) - 182

PlumX


Copyright (c) 2017 Kozyreva A.A., Rynkovskaya M.I., Tupikova E.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.