Стержне-вантовые резильянсовые конструкции

Стержне-вантовые резильянсовые конструкции // Технологии строительства. 2002. №1. C.150-151

В 60-х годах XX века во всем мире возрос интерес к естественно-научным исследованиям на стыке различных технических наук, кибернетики, архитектуры и биологии, имевшим целью изучение самого Человека, а также его взаимодействие с природным миром. Тогда и появился термин ?бионика?, в архитектуре означающий, прежде всего, подражание естественно-природным формам, а в инженерном конструировании - моделирование при помощи современных материалов отдельных элементов конструкций по аналогии с внутренними структурами растений, животных и человека. Этот конструктивный прием называют иногда архитектурной бионикой и биотектоникой.



Все природные объекты, включая и человека, отличаются большим разнообразием форм, однако в основе их формообразования лежит ?пневматика?. Под этим словом понимается структура, состоящая из гибкой внешней оболочки и внутреннего жидкого или газообразного наполнителя. Располагается такая оболочка в окружающей воздушной или водной среде. Любая клетка состоит, прежде всего, из мембраны (оболочки) и протоплазмы (наполнения). Водопроводящая система растений, сосудистая, пищеварительная и легочная системы животных и человека - это все пневматические системы. В пространстве такая оболочка удерживается благодаря достаточно твердому костно-хрящевому скелету, образованному мягкими тканями, в которых постепенно накопился костный коллаген. Например, новорожденный ребенок имеет преимущественно мягкую хрящевидную ткань. По мере роста ребенка в хрящевидной ткани накапливается кальций, в результате чего она превращается в твердую костную ткань. Губчатая структура костной ткани воспринимает преимущественно сжимающие и изгибающие усилия, в то время как гибкая внешняя оболочка воспринимает растягивающие усилия.

Из известных современных материалов на растяжение лучше всего работают металл и тканевые структуры. В строительной практике для восприятия растяжения используют оцинкованную ленту, гладкокатанную арматуру или вантовые канаты. Изучение работы стебля пшеницы, выдерживающего большие ветровые нагрузки при небольшой площади поперечного сечения, привело к созданию высотных вантовых сооружений, таких, например, как Останкинская телебашня. Натянутые тросы, расположенные по периметру центрального ядра, надежно удерживают башню в вертикальном положении. Надежность такой конструкции продемонстрировал пожар, несколько лет назад полностью уничтоживший около 30% тросов. Для восприятия сжимающих усилий в строительстве обычно применяют стержневые элементы, в том числе деревянные или изготовленные из различных пластмасс. Они имеют небольшой вес, круглое или прямоугольное сечение, способны работать на изгиб и легко монтируются. Стержневые конструкции, соединенные при помощи вантовых канатов в пространственные структуры, получили научное название стержне-вантовых и стали использоваться для перекрытия больших пролетов, особенно в мостостроении.

Наиболее известный научно-производственный центр по исследованию таких структур расположен в Германии при Университете города Штутгарта и долгое время возглавлялся профессором Отто Фреем. В нашей стране в этой области работала лаборатория архитектурной бионики под руководством Ю.С. Лебедева. Одной из интереснейших разработок этой лаборатории стали резильянсовые (упруго-податливые) стержне-вантовые системы, способные без разрушения прогибаться под действием внешней нагрузки с последующим возвратом в первоначальное состояние. Эти конструкции чем-то напоминают спортивный батут - чем сильнее давишь на него, тем больше он подбрасывает тебя вверх. Однако, в отличие от последнего, они являются самонесущими и способны стационарно располагаться в пространстве. В основе конструкции лежит аналог позвоночного столба человека и животных. Деревянные мелкоразмерные бруски (позвонки)нанизаны на стальную вантовую нить (скелетные мышцы) и образуют плоскую гирлянду. С соседней гирляндой она соединена при помощи распорок (ребер), закрепленных по всей ее длине и расположенных с некоторым шагом. Ванты при этом работают на растяжение, а деревянные бруски на сжатие. Конструкция может иметь любое количество секций, изготавливаться индустриально, а потом в сложенном, компактном состоянии доставляться к месту строительства. Благодаря натяжению вант она разворачивается в пространстве и постепенно принимает наиболее рациональную параболическую форму оси.

Существует довольно большое количество вариаций этой стержне-вантовой структуры. Например, в Петербурге профессор В.Г. Темпов разработал конструкцию - аналог суставного соединения бедерной и тазовой костей животных и человека. Его вариант гирлянды состоит из более крупных поперечных деревянных элементов, чередующихся с деревянными же продольными элементами круглого сечения (слегами). Поперечные элементы соединены оцинкованными лентами или вантами, располагаемыми снизу и сверху. Продольные элементы, неразрывные и имеющие ограничения по длине (6-8 м), проходят сквозь пазы, образованные при соединении торцов поперечных элементов. Экспериментальный утепленный домик такой конструкции прошел испытания на дрейфующей льдине ?Северный полюс-25? и показал свою высокую мобильность и надежность.

Прошла испытания в ЦНИИСК (Москва) и показала свою хорошую несущую способность небольшая стержне-вантовая конструкция Ю.С. Лебедева. В Ногинске по заказу МЧС в течение полусуток была осуществлена сборка такого стержне-вантового домика, продемонстрировавшая быстроту и удобство его возведения. Покрытие было изготовлено из брезентовой ткани, под которой располагался рулонный утеплитель. Домик предназначался для исследователей и строителей Севера: спасателей, геологов, нефтяников. В дальнейшем этот вид конструкции был взят за основу в проектах трансформируемых теплиц, гаражей, небольших домиков и комплексов для вахтовиков нефте- и газодобычи. В начале 90-х годов Ю.С. Лебедевым вместе с архитекторами из Словакии был собран достаточно светлый внутри жилой домик общей площадью 24 м2 с несущими стержне-вантовыми арками. Обшитый изнутри деревом, он не требовал тяжелых фундаментов - его можно было установить на утрамбованную площадку или врытые в землю деревянные столбики. В качестве покрытия для дома такой конструкции можно использовать любой гибкий листовой или рулонный материал ? тентовое, пленочное или пластиковое покрытие, напоминающее искусственную кожу. Минераловатный утеплитель закладывается в межарочном пространстве и делает всю конструкцию теплой.

Область применения легких стержне-вантовых конструкций очень широка. Учитывая их широкую вариабельность, это могут быть различные торговые павильоны, вахтовые трансформируемые комплексы для нефтяников и газовиков, кафе и садовые домики. Основное преимущество подобных конструкций ? их стоимость. Например, стержне-вантовый торговый павильон как минимум в 3 раза дешевле равного по площади павильона, собранного из металлических конструкций. В окрашенном порошковой краской металло-стеклянном павильоне с внутренней ПВХ отделкой ощущаешь себя как в исследовательской станции на другой планете. Один их глянцево-конструктивистский вид способен вызвать аллергию. Добыча металла, его весьма вредное для окружающей среды производство, а также невозможность полной утилизации отслуживших конструкций существенно ухудшают экологическую обстановку. В стержне-вантовых же конструкциях основной элемент каркаса ? мелкоразмерные деревянные элементы, длиной до метра, которые являются отходами большинства крупных строек и в настоящее время просто сжигаются на строительной площадке. Кроме того, дерево способно к воспроизводству, а также не требует переработки по истечении срока службы.

Применение стержне-вантовых конструкций позволяет существенно снизить расходы на монтаж сооружения и сократить сроки ввода его в эксплуатацию.

Об использовании этих конструкций в большепролетных сооружениях ? спортивных и торговых комплексах, производственных помещениях и ангарах ? будет рассказано в следующей статье.