Архитектура ХХ век. Развитие строительной техники 3. Пространственное покрытие из металлических труб. Конструкции из листового металла в Колорадо-Спрингс (США). Висячее покрытие аэровокзала (США). Схема висячего покрытия типа «велосипедное колесо». Схема конструкций спортивных сооружений (Япония)
В 50-х годах появился новый метод проектирования металлических конструкций — с применением предварительного напряжения. Предложенный бельгийским профессором Жоржем Маньелем, этот метод получил распространение во многих странах и продолжает развиваться. Он приводит к значительной экономии материала (до 25—45%), но несколько осложняет производство работ.
В конце 50-х годов в США было возведено большое число новых небоскребов со стальными каркасами и навесными стенами — экранами. Эти здания получили распространение повсеместно и, несмотря на варианты в материалах панелей наружных стен (стекло, штампованный алюминий, сталь, пластик) и выявление или маскировку каркаса на фасадах, создали монотонную, нередко обезличенную, архитектурную среду в современных городах.
Наряду с традиционным развитием металлических конструкций с крупными сечениями появилось другое направление, стремящееся создать пространственно работающие несущие конструкции из легких элементов — проката или труб, а иногда из гнутых и штампованных профилей из тонкого листа.
Из стержней и труб собирают пространственные конструкции плит, сводов, куполов и других покрытий, причем прямолинейные элементы, закрепленные шарнирно в узлах, не испытывают изгибающих моментов и работают только на осевые усилия. Пространственные конструкции из стальных труб или стержней получили довольно большое распространение.
В этой области много сделано С. дю Шато, Р. Ле Риколэ, К.Ваксманом, 3.Маковским, Б.Фуллером. Такие системы встречаются в США, Франции, ФРГ, Канаде, Англии, Японии и других странах. Разнообразие форм таких конструкций сделало возможным широкое применение их в архитектуре. Статическим преимуществом их является равномерное распределение усилий между стержнями покрытия, возможность перекрывать большие пролеты стандартными элементами заводского изготовления, осуществляя на строительной площадке лишь сборку, при этом обычно без устройства лесов.
Пространственное покрытие из металлических труб
В начале 60-х годов помимо уже сложившихся систем стали возникать все новые варианты стержневых сетчатых покрытий, также основанных на пространственной работе. Получили распространение горизонтальные покрытия из трехгранных элементов, образующих ортотропные плиты, называемые иногда объемными структурами.
Конструкции из листового металла в Колорадо-Спрингс (Сша). Фирма СОМ
Легкие конструкции из листового металла, эффективно работающие за счет формы, придающей им жесткость, получили применение в складчатых системах различной конфигурации. Простейшими складками в 60-е годы часто стали перекрывать промышленные объекты, аэровокзалы, а более сложные конструкции стали применять для зданий, которым стремились придать повышенную архитектурную выразительность, например для театров, аудиторий и пр.
Применение конструкций из листового металла в промышленной архитектуре привело к большому разнообразию форм резервуаров и различных хранилищ.
В листовых и стержневых конструкциях в 50-е годы получили распространение алюминиевые сплавы. Эти сплавы использовались в строительстве в отдельных случаях еще в начале века, однако широкое применение их началось только после второй мировой войны в связи с интенсивным ростом мирового производства алюминия. Алюминий в 3 раза легче стали, но почти во столько же раз модуль упругости его меньше модуля упругости стали. Алюминиевые сплавы хорошо поддаются обработке, и их часто изготовляли в виде штампованных выпуклых панелей навесных стен. Применяли их также для всех типов указанных выше пространственных конструкций — куполов, трехгранных элементов и пр.
Наиболее важным направлением развития металлических пространственных систем являются появившиеся в конце 40-х годов висячие конструкции. Новые формы, образованные этими конструкциями, оказали большое влияние на архитектурный облик зданий и на архитектуру 60-х годов в целом, поскольку разнообразные типы вантовых покрытий получили быстрое распространение. Последнее обстоятельство было вызвано серьезными техническими преимуществами висячих систем.
Висячие покрытия представляют собой как бы разновидность оболочек; только оболочки работают на сжатие, а висячие покрытия работают на растяжение хотя бы в одном направлении.
Висячее покрытие аэровокзала (США). Э. Сааринен
Тросы, образующие висячие покрытия, испытывают только растяжение — наиболее выгодный вид напряжения для стали. Поэтому применение вантовых конструкций особенно экономично там, где необходимы большие, свободные от промежуточных опор, перекрытия.
Конструкторы, а вслед за ними архитекторы быстро оценили возможности, предоставляемые висячими покрытиями: за короткий срок появилось большое число различных в плане зданий, перекрытых висячими системами всевозможных типов. Покрытия эти различались между собой то опорной конструкцией, то пространственной формой покрытия, то материалом. Внешний вид зданий зависел также и от принятого способа стабилизации покрытия — обеспечения его жесткости при знакопеременной нагрузке (биение при ветре).
Наибольшее распространение получило предварительное напряжение вантовой сетки, образующей седловидную поверхность. Первым крупным сооружением с висячими покрытиями была Ралей-арена в США арх. М.Новицкого, оконченная в 1953 г.
Другим распространенным способом обеспечения жесткости висячих покрытий явилось превращение вантовой системы в висячую оболочку путем бетонирования вантовой сетки или укладки по ней сборных железобетонных плит.
Схема висячего покрытия типа «велосипедное колесо»
Довольно частое применение получила схема висячего покрытия, известная под названием «велосипедное колесо». При этой схеме стабилизация тросов от резонанса покрытия достигается погашением вибрации при помощи второй группы тросов, имеющих другую частоту колебаний, чем основные тросы.
Использование вантовых конструкций открыло возможности для возникновения совершенно новой пластики. Появились неожиданные и не встречавшиеся ранее формы, обладающие при этом высокой экономичностью. Таковы, например, павильоны, построенные в Токио для Олимпийских игр 1964 г. арх. Кензо Танге и инженером проф. Я.Цубои.
Схема конструкций спортивных сооружений (Япония), 1964 г. Кензо Танге, инж. Я. Цубои
Широкое распространение, которое получили вантовые покрытия, связано с возникшей в середине XX в. потребностью в перекрытии больших площадей, а также и с общей тенденцией развития пространственных конструкций (ведь более ранние примеры висячих конструкций, построенные В.Г.Шуховым в 1896 г. в Нижнем Новгороде или Б.Лафаем в 1937 г. в Загребе, не оказали в свое время непосредственного влияния на современников).
В начале 60-х годов принцип максимального использования несущей способности стали на растяжение становится основой совершенно нового типа многоэтажных зданий — с подвесными этажами. Один из первых примеров такого типа — 14-этажное административное здание, построенное в 1963 г. в Антверпене. В нем, так же как и в последующих зданиях, основной несущей конструкцией явились стальные колонны, на которые опираются балки с подвесками, передающими нагрузку от этажей через колонны на фундаменты.
Аналогичные системы висячих этажей стали применяться все чаще, причем иногда вместо стальных колонн и балок встречаются железобетонные. Иногда вместо балок в зависимости от перекрываемого пролета ставили фермы, как это, например, оказалось рациональным сделать при проектировании здания биржи в Нью-Йорке при пролете 27 м.
Во всяком случае, к середине 60-х годов стало несомненным, что здания с подвесными этажами будут применяться и в дальнейшем, развитие их будет продолжаться, и архитектура многоэтажных зданий этой новой конструкции будет сильно отличаться от традиционной.