ЗОНТИЧНЫЕ ОБОЛОЧКИ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ СПОРТИВНОГО ЦЕНТРА

Полный текст

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

Об авторах

Анна Андреевна Козырева

Инженерная академия Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: kozyrevaanna5@gmail.com

магистрант департамента архитектуры и строительства

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Марина Игоревна Рынковская

Инженерная академия Российский университет дружбы народов

Email: rynkovskaya_mi@rudn.university

кандидат технических наук, доцент департамента архитектуры и строительства

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Евгения Михайловна Тупикова

Инженерная академия Российский университет дружбы народов

Email: emelian-off@yandex.ru

ассистент департамента архитектуры и строительства

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Список литературы