Пространственные большепролетные конструкции и сооружения 1922-1965 гг. Постройки и основы линейной теории тонких оболочек

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ПОЯВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, СТРУКТУР И ОБОЛОЧЕК И ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТОНКИХ ОБОЛОЧЕК.

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • образцы первых куполов, построенных в Западной Европе, России, Азии и Африке;
• • основы дифференциальной геометрии кривых и поверхностей;
• • основы классической теории расчета тонких оболочек, включая расчет оболочек по безмоментной теории и расчет осесимметричных оболочек вращения в линиях кривизны;
• • условия существования безмоментного напряженного состояния тонких оболочек;
• • имена наиболее известных инженеров и ученых-механиков, внесших значительный вклад в разработку методов расчета пространственных сооружений;
• • существующие численные методы расчета оболочек;

уметь

• • разбираться в результатах компьютерного расчета тонких оболочек, опираясь па знание параметров внутренних силовых факторов;
• • находить самостоятельно необходимую научную и техническую литературу по статическому расчету тонких оболочек;

владеть

• • пространственным воображением для создания виртуального геометрического объемного образа сооружения;
• • навыками задания и геометрического описания срединных поверхностей оболочек;
• • информацией об истории развития строительной механики оболочек с XIX в. до наших дней;
• • навыками приближенного расчета оболочек по безмоментной теории;
• • основами методов статического расчета тонких оболочек на примере осесимметричных оболочек вращения.

Начальный этап строительства оболочек: купола, своды и зонтичные оболочки (I-XVIII вв.)

Уже в начале своей деятельности строители установили, что купольные конструкции являются наиболее выгодной конструктивной формой, так как в них возникают сжимающие напряжения. Купола обычно возводили на круглом плане, а форма купола принималась в форме поверхностей вращения. Нижний край оболочки купола опирался на растянутое кольцо, воспринимающее распор. Купола бывают замкнутые в вершине или незамкнутые с центральным отверстием для светового или аэрационного фонаря. Приведем определения некоторых геометрических форм оболочек, использовавшихся в разные времена:

• • свод — цилиндрическая разомкнутая оболочка, ось которой параллельна земле;
• • купол — оболочка, очерченная по поверхности вращения;
• • крестовый свод — оболочка, получаемая при пересечении двух круговых цилиндрических сводов с эллиптическими диагональными ребрами;
• • ненарушенный свод — это, но сути крестовый свод, но диагональные ребра заменены более простыми полуциркульными абрисами;
• • парусный свод — отсутствуют диагональные ребра.

История проектирования и строительства куполов насчитывает уже 2000 лет. Она весьма поучительна и интересна. Их строили практически во всех древних государствах мира. Рассмотрим хотя бы некоторые из них.

Обзор начнем с наиболее совершенного, лучше всех сохранившегося храма-ротонды Пантеона в Риме (около 125 г.), с диаметром купола 43,2 м (рис. 7.1). В Пантеоне блестяще решены конструктивные и художественные задачи создания крупнейшего в Риме сооружения с непревзойденным до XX в. большепролетным куполом. Сферический купол выполнен из горизонтальных слоев бетона и обожженного кирпича. Для облегчения веса купола его толщина постепенно уменьшается к вершине. Купол опирается на цилиндрическую стену толщиной 6 м, а наверху его толщина — 1,5 м. Общая масса купола — около 5000 т. Сферический купол имеет в центре круглое, обрамленное бронзовым бордюром отверстие диаметром 9 м, это — единственный источник освещения. Купол поднимается над ротондой на 22 м.

Рис. 7.1. Сферический купол храма-ротонды (Пантеон). Италия, г. Рим, 125 г.

Европейскую историю применения параболоида вращения можно начать с купола собора Святого Петра в Риме. В дальнейшем многие архитекторы брали за основу формы своего творения образец купола собора Святого Петра. Римские своды возводились по деревянным кружалам.

Развитие купольных композиций храмов является важнейшим вкладом Византии в историю мирового зодчества V—XV вв. Здесь появились новые типы структур — купольная базилика, купол на восьми опорах (V-XIII вв.) и крестово-купольная система (XIII-XV вв.). Стены обычно складывались из кирпича или тесаного камня, а также из кирпича с каменными прокладками или из камня с прокладками из кирпича. Своды делались из кирпича или камня. Кирпичи укладывались на растворе. Наиболее часто употребляемый кирпич имел размеры 35,5? 35,5 X 5,1 см. Кладка сводов и куполов велась отдельными кольцами с наклонными рядами кирпича без применения дорогостоящих лесов. Купола и своды покрывались черепицей или свинцовыми листами. При строительстве сводов применялись металлические или деревянные затяжки. В куполах закладывали растяжные кольца из дубовых брусьев или полосового железа. В восточных областях империи применялись кладки из тесаных камней на растворе, из известняка и туфа. В растворе использовали известь с добавками мелко истолченного кирпича. Раствор укладывался горизонтальными слоями толщиной в несколько сантиметров. Здесь своды и купола возводились по кружалам^[1].

Наиболее грандиозным и самым выдающимся произведением византийского зодчества является купольная базилика собора Святой Софии в Константинополе, построенная греческими архитекторами Анфимием из Трал и Исидором из Милета в 532−537 гг. (рис. 7.2). Собор Софии был главным зданием Византийской империи. Для облегчения купола его ребра и заполнение между ребрами выкладывались из пемзовых кирпичей. Купол назвали восьмым чудом света.

Купол собора Санта-Мария дель Фьоре (Флоренция, 1462 г., диаметр — 42 м) построен архитектором-инженером Филиппе Брунеллески. Флорентийский купол возведен из естественного камня и кирпича, причем строился он без деревянных арок и кружал. Свод подобного пролета никогда не был повторен (рис. 7.3).

Рис. 7.2. Собор Святой Софии в Константинополе. Турция, г. Стамбул.

Источник: Вл. Седов, projectclassica.ru.

Рис. 7.3. Купол собора Санта-Мария дель Фьоре. Италия, г. Флоренция, 1462 г.

Его автор Ф. Брунеллески так и не раскрыл, в чем же заключается секрет возведения кирпичного купола без кружал.

Перенесемся в Среднюю Азию. Купольная конструкция, возводимая на прямоугольном основании, известная под названием «балхи» (афг.), распространена в Средней Азии со Средних веков. Кладка ведется наклонными отрезками от четырех углов. Способ возведения параболического купола назван по месту его первого применения (крупнейший город средневекового Востока, Афганистан).

Мавзолей Саманидов расположен в парке в центре Бухары (рис. 7.4). Мавзолей, который строился между 892 и 943 гг., считается одним из архитектурных шедевров Центральной Азии. Центрально-купольное сооружение, квадратное в плане, выполнено из жженого кирпича. Здание, лишенное излишеств, представляет собой сужающийся к вершине куб со сферическим куполом наверху, является свидетельством позднего зодчества огнепоклонников, претерпевшего изменения под воздействием ислама.

Зонтичные купола также известны с древних времен, например вилла в Тиволи (Италия, 134 г.). Расположенный в Жамбылском районе Казахстана мавзолей Бабаджа Хатун является уникальным архитектурным памятником XI—XII вв. Мавзолей знаменит своим оригинальным 16-реберным зонтичным куполом на конической круговой контурной поверхности (рис. 7.5). Зонтичное ребристое по;

Рис. 7.4. Мавзолей Саманидов. Узбекистан, г. Бухара, IX—X вв.

Рис. 7.5. Мавзолей Бабаджа Хатун. Казахстан, XI—XII вв.

Рис. 7.6. Купол церкви Святой Божьей Матери. Нагорный Карабах, 1201 г.

Рис. 7.7. Бывшая столица Хорезмского региона — г. КуняУргенч на берегу реки Амударьи. Туркменистан, 1321−13*36 гг.

крытие купола не имеет, по существу, прямых аналогов в современной ему среднеазиатской архитектуре. Очень близок по замыслу, по решен иначе зонтичный купол церкви Святой Божьей Матери (рис. 7.6).

Круговые конические оболочки тоже применялись уже в древние времена. Одним из важнейших градообразующих элементов мусульманских городов Востока и Запада являются минареты, встроенные в здания мечетей или стоящие рядом с ними. Именно минареты своими стройными башнями возвышаются над всей остальной застройкой и определяют неповторимый силуэт города. Обычно стволам минаретов придается коническая форма. На рис. 7.7 воспроизведен фрагмент древнего Ургенча, который является яркой иллюстрацией выдающихся достижений в архитектуре, которых достигла древняя цивилизация хорезмшахов.

Первые сохранившиеся до нашего времени каменные храмы Древней Руси относятся к середине XI в. За основу бралась крестово-купольная система, унаследованная от Византии. Применялись кирпич, камень и известковый раствор. В крупнейших русских городах были построены величественные храмы домонгольской Руси: собор Софии в Киеве (1037), Спасо-Преображенский собор в Чернигове (1036) и Софийский собор в Новгороде (1045−1052, рис. 7.8). Соборы Киева и Новгорода относятся к крупнейшим культовым сооружениям той эпохи. С начала XIII в. на Руси появляется собственный стиль при строительстве храмов, отличный от византийского, например Пятницкая церковь в Чернигове (конец XII — начало XIII в., рис. 7.9).

Рис. 7.8. Софийский собор. Новгород, 1045−1052 гг.

Рис. 7.9. Пятницкая церковь. Украина, г. Чернигов.

Рис. 7.10. Храм Покрова на Нерлн около Владимира (реконструкция ?. Н. Воронина).

Источник: zagraevsky.com.

Нельзя не упомянуть храм Покрова на Перли около Владимира (1165). Это наиболее совершенное творение владимирских зодчих. Для придания легкости зрительного восприятия тяжелого купола его барабан облегчен световыми проемами (рис. 7.10).

Даже столь малое количество упомянутых храмов с куполами Древней Руси показывает высокую культуру строительства русских мастеров и зодчих. Отдельного внимания заслуживает описание кремлевских соборов и дворцов Москвы, которые должны были подчеркнуть значение Москвы как центра могущественного русского государства. Но ограничимся вышесказанным и перейдем к другим регионам мира.

Трулли — это традиционные каменные жилища в городах Апулии (Италия) с коническими крышами, которые строились без применения цемента или раствора. Крыша состояла из двух слоев: нижнего, который выкладывался из блоков известняка, и верхнего, из плоских известняковых плит, который обеспечивал водонепроницаемость конструкции. Стены очень толстые, это обеспечивало прохладу в жаркую погоду и теплоизоляцию от холода в зимнее время. Многокомнатный дом имеет несколько крышконусов (рис. 7.11). Многие трулли находятся под защитой ЮНЕСКО, самые старые из них относятся к XVI в.^[2]

Большепролетные купола и своды применяли также в Месопота;

Рис. 7.11. Трулли. Италия.

Рис. 7.12. Самое древнее сохранившееся буддистское святилище. Индия, г. Санчи, 40 км от г. Бхопала.

Рис. 7.13. Центральный купол мавзолея-мечети Тадж-Махал.

мии, Сирии, Иране. До настоящего времени вызывают восхищение купола Индии (рис. 7.12), ступы Шри-Ланки. Ни одно исследование, посвященное истории строительства куполов-оболочек, не обходится без упоминания Тадж-Махала, мавзолея-мечети, находящегося в Агре (Индия), на берегу реки Джамна. Тадж-Махал, жемчужина мусульманского искусства, считается лучшим примером архитектуры стиля моголов, который сочетает в себе элементы персидского, индийского и исламского архитектурных стилей. Здание начали строить примерно в 1632 г. и завершили в 1653 г. Наиболее узнаваемым элементом всего этого комплекса является купол из белого мрамора (рис. 7.13). Мрамор имеет такую особенность, что при ярком дневном свете он выглядит белым, на заре — розовым, а в лунную ночь — серебристым.

Уже много веков в Центральной Африке строят глиняные жилые купола на одну семью, армированные соломой, в форме параболоида вращения (рис. 7.14).

И в заключение параграфа можно упомянуть купола из снега или снежных блоков, которые веками строили северные народы Канады и России (рис. 7.15).

Рис. 7.14. Африканские купола.

Источник: domesworld.ru.

Рис. 7.15. Яранга эскимосов.

Таким образом, и в Африке, и на Севере строители интуитивно или путем проб и ошибок пришли к самой рациональной форме купола — параболоиду вращения, в котором в основном возникают сжимающие нормальные напряжения. Как показывают приведенные примеры, возведенные тысячу лет назад здания до сих пор вызывают восхищение.

• [1] См.: Архитектура Византии. URL: vpnews.ru.
• [2] URL: fine-archi.blogspot.com/20l0/10/blog-post_l0.html.