Архитектурная бионика

190 Архитектурная бионика нагрузок на центральное сжатие. Конструктивно плиту выполняют из материала, хорошо работающего на сжа ­ тие (например, из железобетона) ; она может иметь в по ­ перечном сечении прямоугольную, трапециевидную, тав ­ ровую и другую форму в зависимости от конкретных условий. Очертание оси (5) опорной плиты в плане опре ­ деляется характеристиками силового поля, создаваемо ­ го несущими (3) и стабилизирующими (4) вантами. Ось 15) плиты (1) может либо иметь ломаное очертание ли ­ бо при достаточно большом числе вант быть очерченной по плавной кривой, например по окружности. Для зак ­ репления в кольце несущих (3) и стабилизирующих (4) вант предусматривают устройство отверстий либо выпусков арматуры и т.п. Несущие ванты (3) передают вес сооружения на опорную плиту (1) и являются растянутыми элемен ­ тами. Стабилизирующие ванты (4) объединяют кон ­ струкцию в неизменную пространственную систему, способную воспринимать изгибающие моменты от сооружения, что достигается предварительным натя ­ жением конструкции в случае необходимости. Несущие и стабилизирующие ванты заанкеривают в опорной плите и в сооружении, где с этой целью также предус ­ матривают устройство отверстий либо выпусков арма ­ туры и т.п. Связи, являясь растянутыми элементами, могут быть изготовлены из стержневой, пучковой либо тросовой арматуры. Если требуется, они могут быть обетонированы и предварительно напряжены. В стебле растения мягкие ткани сердцевины растут быстрее, чем его более жесткая оболочка. В результате возникает предварительно напряженная конструкция: осевая часть стебля стремится растянуться, а оболочка стебля, препятствуя этому, старается сжаться. Чем выше напряжения, тем устойчивее и прочнее становится- конст ­ рукция (до определенного предела) . Другой интересный принцип живой природы — это пружинящие волокна стеблей растений, проходящие вдоль него по периферии. Этот принцип стал основой для разработки каркаса высотного здания или иного башенного сооружения (рис. 13). Цель настоящего решения — повышение уровня ис ­ пользования прочностных свойств каркаса. Достигается оно тем, что в каркасе высотного здания (или башенно ­ го сооружения) , включающем колонны, объединенные в неизменяемую систему стержнями решетки, предвари ­ тельно напряженные ванты, закрепленные в верхней диафрагме и в фундаменте и опирающиеся на ванты пе­ рекрытия и промежуточные диафрагмы, колонны и распо- ложены в плане в углах выпуклого много ­ угольника, и их продольная ось имеет полигональное или криволинейное очертание с выпуклостью наружу каркаса, причем часть перекрытия соединена с колонна ­ ми жесткими или включающимися связями. Кроме то ­ го, возможно выполнение каркаса из секций, причем напрягаемые ванты закреплены в смежных диафрагмах. Вследствие искривленности колонн при предвари ­ тельном напряжении вантовых элементов в стержнях решетки возникают растягивающие усилия, обеспечива ­ ющие неизменяемость каркаса, в котором отсутствуют внецентренно-сжатые элементы. Это обеспечивает мень ­ ший удельный расход материалов на каркас по сравне ­ нию с известными конструкциями. К колоннам (1) крепятся стержни (2) крестовой решетки, которые обеспечивают неизменяемость карка ­ са при действии.вертикальных и горизонтальных нагру ­ зок. Продольные напрягающие ванты (3) закреплены на траверсе (6) и в фундаменте (7). На ванты опира ­ ются перекрытия или диафрагмы (4), некоторые из которых могут быть соединены с колоннами жест ­ кими или включающимися связями (5). Колонны являются основными несущими элемента ­

ми каркаса и воспринимают всю вертикальную нагруз ­ ку от перекрытий, усилия предварительного напряже ­ ния, создаваемые вантами, а также частично восприни ­ мают усилия' от горизонтальных нагрузок. Стержни крестовой решетки являются для колонн постелью, препятствующей их направленной деформации из плос ­ кости наружу здания (или сооружения) . Величина уси ­ лий предварительного напряжения вант выбирается так, чтобы при действии на каркас горизонтальных нагрузок стержни крестовой решетки не выключались из работы. Прогиб колонн принимается порядка 1/50 высоты колонны и подбирается в зависимости от конк ­ ретного соотношения величин вертикальных и горизон ­ тальных нагрузок. Таким образом, колонны рабо ­ тают на центральные сжимающие усилия и практически не могут потерять устойчивости, поскольку взаимно раскреплены стержнями, являющимися по условию всегда растянутыми. При действии на здание (сооружение) симметричных вертикальных нагрузок от перекрытий усилия в ко ­ лоннах возрастают и колонны стремятся увеличить прогиб, чему препятствуют стержни решетки. При действии на сооружение горизонтальных нагрузок, как показывает кинематический анализ, усилия в напрягаемых вантах (3) практически остаются неиз ­ менными, а восприятие нагрузок осуществляется в ос ­ новном колоннами и стержнями (2). При этом благо ­ приятным является тот факт, что при продольно-попе ­ речном изгибе каркаса происходит выравнивание уси ­ лий в стержнях решетки вследствие относительно не­ большой собственной изгибной жесткости колонн. Это исключает возможность перенапряжения отдельных стержней решетки колонн при различных возможных сочетаниях расчетных нагрузок и свидетельствует о рациональном использовании прочностных свойств эле ­ ментов конструкции. Предлагаемая конструкция каркаса представляет собой предварительно напряженную самоуравновешен- ную стержневую систему, в которой усилия в стержнях решетки непосредственно зависят от усилий натяжения продольных напрягаемых вантов. Коэффициент связи (влияния этих усилий) подбирается в необходимых пределах путем подбора кривизны колонн. Этим дости ­ гается оптимальное использование прочностных свойств элементов каркаса. В конструктивном решении башенного высотного сооружения (см. рис. 13) с целью рационального рас ­ пределения усилий предварительного напряжения следу ­ ет разделять каркас по высоте на три секции. Это дает возможность подобрать сечения элементов каркаса и величины предварительного напряжения в зависимос ­ ти от действующих усилий. Аналогичное решение воз ­ можно и для каркасных зданий. В настоящее время предпочтительными матери ­ алами для основных элементов каркаса здания, в част ­ ности колонн, являются сталь или железобетон; для вант рационально применение высокопрочной стали с их обетонированием после монтажа перекрытий и их предварительного напряжения; для стержней крестовой решетки,, жесткость которых на растяже ­ ние определяет в основном изгибную жесткость кар ­ каса, предпочтительно применение сборного предва ­ рительно напряженного железобетона. Для каркасов сооружений типа радио- и телевизионных башен рацио ­ нально применение стали. Предлагаемая конструк ­ ция снижает металлоемкость, увеличивая при этом долговечность и улучшая эксплуатационные качест ­ ва, обеспечивает повышенную пожаростойкость, по ­ скольку несущие колонны и стержни решетки мо ­ гут быть вынесены на достаточно большое расстояние от помещений здания (т.е. возможного очага пожара) ; в связи с этим дополнительная изоляция их может