Конструкции покрытия магазина «Универсам» в Киеве
В новом жилом массиве Киева Никольская Борщаговка построен первый в столице Украины магазин «Универсам» (рис. 1). В основу архитектурно-планировочного решения здания положены рациональные технологические и конструктивные схемы. Особое значение при проектировании и строительстве придавалось тектонике и эстетике, специфической выразительности интерьеров торговых залов, освещаемых естественным светом.
Совокупность задач и условий, предъявляемых к сооружению данного назначения и класса, привела к созданию квадратной в плане ячейки покрытия 12X12 м, симметричной во всех направлениях.
Конструкция ячейки покрытия, названная «модулем», представляет собой пространственную шпренгельную систему, в которой верхний пояс, набранный из девяти железобетонных ребристых плит 4X4 м в плане, сжат, а нижний в виде пространственной сетки растянут, что соответствует физико-механическим свойствам этих двух материалов. Вся система опирается на 4 колонны по углам квадрата 12X12 м (рис. 2).
Нижний пояс представляет собой сетку из круглой арматурной стали. Горизонтальный участок имеет форму квадрата в квадрате, двенадцатью растяжками он шарнирно крепится к диагональным ребрам четырех угловых плит верхнего пояса.
Ажурная сетка естественным образом входит в объем сооружения, что дает возможность считать строительной высотой покрытия только толщину ребристых плит верхнего пояса модуля.
Сечения стержней шпренгельной сетки, подобранные в соответствии с действующими усилиями, изготавливались из углеродистой стали обыкновенного качества марки ВСтЗоп категории 5, диаметром 30, 45, 53 и 63 мм. Соотношение диаметров шпренгельной системы отражает действительный характер работы всей конструкции.
Связь между верхним и нижним поясом осуществляется также через опорные стойки, расположенные в узлах пересечения стержней горизонтальной сетки (рис. 3).
Опорные стойки выполнены вертикально-раздвижными, что дает возможность напрягать конструкцию, придавая ей пространственную жесткость и создавая строительный подъем на величину предполагаемого прогиба всей системы от эксплуатационных нагрузок.
Шарнирное крепление растяжек сетки нижнего пояса к диагональным ребрам угловых плит позволило осуществить замкнутый цикл усилий всей системы в целом, передавая на колонны только вертикальную нагрузку от собственного веса конструкции, наслоений кровли и временной нагрузки.
Верхний пояс конструкции представляет сборную ребристую плиту, которая собирается из девяти квадратных плит с диагональными ребрами и ребрами по периметру с помощью инвентарного кондуктора (набранная из формочек решетчатая система 12X12 м в плане, весом 5 т). Кондуктор устанавливается па оголовки четырех колонн, и кран сквозь его решетчатую конструкцию подтягивает заранее разложенные в проектное положение ребристые плиты, которые с помощью анкерных болтов закрепляются к нижнему поясу кондуктора. При этом шарнирное соединение анкерных болтов с кондуктором позволяет корректировать положение плит, обеспечивая точное и надежное сопряжение отдельных элементов в единую ребристую плиту.
По контуру каждого модуля устраивается парапетная стенка из керамического кирпича с выносом на 50—60 см за грань колонны. Вынос парапетной стенки осуществляется при помощи кронштейнов, приваренных к закладным деталям на ребрах плит.
В качестве утеплителя применялся газобетон в виде жестких плит толщиной 120 мм. Вентиляция кровли осуществлялась при помощи волнистых асбоцементных листов, уложенных поверх слоя теплоизоляции. Каналы, образованные при этом, способствуют отводу водяных паров, накапливающихся под гидроизоляционным ковром.
Кровля каждого модуля имеет 1-%-ный уклон в сторону лианестока в виде специальной конструкции, предусматривающей не только отвод ливневых вод с одного уровня на другой, но и установку автоматических клапанов в системе вентиляции торгового зала.
Расположение модулей покрытия на различных отметках дало возможность создать неповторяющиеся архитектурно-пространственные композиции с естественным освещением, удовлетворяющие инженерным, эстетическим и строительным требованиям современного сооружения.
На одном из этапов работы над конструкцией лаборатория моделирования НИИСК Госстроя СССР провела экспериментально - теоретическое исследование конструкции покрытия на моделях. Сочетание математических и физических исследований позволило эффективно в сжатые сроки получить максимум информации об исследуемой конструкции.
Для реализации поставленных задач было изготовлено и испытано три модели в масштабе 1 : 10, 1 : 15, 1 : 20.
Путем масштабного уменьшения линейных размеров конструкции, арматурных сеток и каркасов, а также применения масштабных бетонов, обеспечиюающих равенство прочностных и деформативных характеристик бетонов моделей и оригинала, было достигнуто масштабное, структурное и физическое подобие
Напряжение а=2100 кгс/см2 во всех моделях возникло в боковой наклонной растяжке при 7М = 1200—1280 кгс/см2. Эта нагрузка принята разрушающей для натурного покрытия согласно равенства (1). При дальнейшем возрастании нагрузки наступило разрушение наклонных растяжек с последующим разрушением диагональных ребер влиты, возле опор.
При анализе результатов испытании модель т=1/10 условно была принята за оригинал для моделей.
С целью выявления отдельных параметров высоты стоек шпренгельной решетки, жесткости элементов шпренгеля, жесткости ребер железобетонной плиты на напряженно-деформированное состояние конструкции — был проведен математический эксперимент, в котором эти параметры варьировались относительно своих проектных значений.
Анализ результатов математических исследований показал, что наиболее значительное влияние на напряженно-деформированное состояние оказывает высота стоек и жесткость шпренгельной решетки. Влияние изменения жесткости ребер плиты выражено менее ярко. Отсюда следует, что для улучшения работы покрытия необходимо увеличивать высоту стоек шпренгельной решетки и уменьшать сечения железобетонной плиты покрытия.
Параллельно проводимым экспериментально-теоретическим исследованиям конструкция совершенствовалась в части более рационального распределения материалов в сетке шпренгеля в соответствии с полученными усилиями, замены болтовых соединений узлов сварными, увеличения высоты стоек и т. д. В результате удалось получить более экономичную но сравнению с первоначальным вариантом конструкцию и одновременно повысить ее эксплуатационные качества.
Новизна конструкции, предлагаемой для практического применения на конкретном объекте, а также внесенные конструктивные изменения по сравнению с исследованными первоначальными вариантами потребовали проведения испытания натурного образца. Методика испытания оригинала была составлена в соответствии с методикой испытания моделей. Измерительные приборы (прогибомеры, тензорезисторы) устанавливались в тех же точках и сечениях, что и в моделях. В результате проведенных испытаний были определены прогибы и усилия в элементах конструкции при нормативной нагрузке.
Сравнение экспериментальных данных работы оригинала с аналитическими величинами статического расчета показало достаточно хорошую сходимость.
Расхождение значений для прогибов не превышало 15%, а для усилий в стержнях шпренгельной решетки—8,5%. При дальнейшем увеличении равномерно распределенной нагрузки по площади покрытия в боковой наклонной растяжке шпренгельной решетки возникли напряжения, вызвавшие ее текучесть и затем последующее разрушение железобетонной плиты. Характер разрушения плиты идентичен характеру разрушения плиты моделей.
Выводы
Проведенные комплексные экспериментально-теоретические исследования объемно-шпренгельного железобетонного покрытия позволяют сделать следующие выводы:
конструкция покрытия удовлетворяет требованиям СНиП II-B.3-62 и ГОСТ 8829—65 по прочности;
для удовлетворения требования СНиП II-В. 1-62 расчета по деформациям необходимо предусмотреть строительный подъем 20 мм;
расчет покрытия как стержневой системы с достаточной степенью точности отражает действительную работу конструкции;
геометрически и физически подобные модели при однотипных нагрузках работают подобно оригиналу по всем стадиям.
Укрупненный шаг колонн, отсутствие тяжелых ригелей и подвесных потолков обеспечивает удобство в размещении технологического, электротехнического и инженерного оборудования.
Рассмотренная конструктивная схема может быть успешно использована в ряде современных сооружений, где возникает необходимость в создании больших внутренних пространств с естественным освещением всего объема, четкой и ясной архитектурной тектоникой.