Металлодеревянные купола двоякой кривизны для индивидуального строительства

к.т.н. Исмагилов А.О., к.т.н. Подтележникова И.В.

Применение стрельчатых куполов

В современном строительстве индивидуальных домов используется обширный арсенал архитектурных элементов и конструкций для создания неповторимого облика индивидуального жилья.

В частности среди них часто встречаются купольные конструкции различной конфигурации, которые, в сочетании с традиционными скатными кровлями, подчеркивают отдельные выступающие части зданий (эркеры, башни и пр.) и предают им неповторимый архитектурный облик (рис. 1). Такие купола, в основном, носят декоративный характер и имеют, как правило, ограниченное функциональное значение.

Одним из таких решений являются стрельчатые купола, представляющие собой шпилеобразную кровлю (либо многогранную, либо оболочечного типа). Венчают эти купола декоративные шпили, которые в большинстве имеют флюгерные механизмы для указания направления ветра. Шпили также могут выполнять функцию молниепримеников системы молниезащиты здания.

Наиболее похожие по форме купола встречаются в викторианском стиле «украшенной готике» (XV век). Также подобные стрельчатые купола и другие архитектурные элементы (стрельчатые арки, высокие крыши с крутыми скатами, витражи) являются элементами неоготической архитектуры, которая вошла в моду в середине XVIII в. одновременно с сооружениями неоклассицизма в Англии. Этот период увлечения готикой принято называть «готическим возрождением».

Основателем данного стиля стал граф Хорас Уолпол (1717—1797 гг.), литератор, автор первого романа ужасов «Замок Отранто». В 1746—1790 гг. он перестроил в готическом стиле свою виллу в усадьбе Строуберри-хилл [4]. Она стала своего рода реальным воплощением выдуманного замка Отранто (рис. 2). Постройка в готическом стиле, по мысли Уолпола, была замечательным украшением пейзажного парка. Она навевала исторические ассоциации, заставляя зрителя воображать себя участником давних событий.

Также аналогичные по форме купола можно увидеть на башнях замков Золушки, Спящей красавицы и Магического королевства в знаменитых парках Уолта Диснея (рис. 3).

Рис. 2. Вилла в усадьбе Строуберри-хилл (Англия)
Рис. 2. Вилла в усадьбе Строуберри-хилл (Англия)

Рассмотрим некоторые особенности проектирования и возведения стрельчатых куполов на конкретном примере из инженерной практики.

Проектирование и возведение металлодеревянного купола

В соответствии с архитектурным заданием на реконструкцию индивидуального дома в г. Харькове была поставлена задача проектирования и возведения купола стрельчатой формы (рис. 4). Запроектированный купол — гиперболический (двоякой кривизны). Уравнение криволинейной образующей купола относительно вертикальной оси симметрии имеет вид:

y=0,0238х3-0,1168х2+0,4383х-0,0217,                          (1)

где х и y – координаты образующей купола относительно оси симметрии купола, соответственно по вертикали и горизонтали.

Основные технико-экономические характеристики данного купола представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технико-экономичские показатели конструкции купола

Характеристика конструкцииЕдиницы измеренияПоказатель
1. Высота башенной конструкции купола от основания до низа шпилям6,93
2. Высота шпиля флюгерам1,0  
3. Высота купольной частим5,75  
4. Относительная отметка верха купола (без учета шпиля) относительно уровня чистого пола первого этажам13,75
5. Площадь поверхности купола
м2
63,1
6. Металлоемкость куполат1,95
7. Расход древесины на куполм30,73  
8. Собственный вес куполат3,04
9. Фактическая трудоемкость изготовления и монтажа конструкции куполачел.-смен85,0  
10. Фактическая машиноемкость изготовления и монтажа конструкции куполамаш.-смен2,0

Конструкция купола и его характеристики

Рассмотренный купол запроектирован и выполнен металлодеревянным. В качестве несущей пространственной конструкции купола принята металлическая многогранная башенная конструкция из прямоугольных труб (рис. 5 и 6а). Соединение элементов каркаса — сварные. Опирание и закрепление каркаса купола осуществляется на опорный контур — кольцевой монолитный железобетонный пояс (рис. 5). Опорный контур предназначен для восприятия распорных усилий от элементов купола и для распределения давление от опорных частей купола на газобетонные стены здания.

С целью обеспечения пространственной жесткости, пространственный каркас купола усилен связевыми дисками, расположенными в вертикальных плоскостях на отм. 8,145; 10,205; 11,455 и 12,745 м (рис. 5). Элементы связевых дисков также выполнены из прямоугольных металлических труб.

Покрытие кровли купола из битумной черепицы по жесткому криволинейному настилу, усиленных деревянным каркасом (рис. 6).

В качестве несущей обшивки (криволинейный настил) по деревянным прогонам была выбрана древесностружечная плита QSB (construction board) толщиной 6 мм, которая с двух сторон покрыта водоотталкивающим лаком. Выбор в пользу этого материала связан, прежде всего, с необходимостью создания криволинейной поверхности обшивки купола (QSB плита хорошо пилится и гнется). Несущая обшивка купола выполнена двухслойной из QSB плит различных размеров. Крепление обшивки к деревянным элементам купола осуществлялось при помощи металлических винтов-саморезов.

Укладка битумной черепицы (рис. 6в) производилась с учетом изменения сечения купола по высоте. Для этого гонты битумной черепицы разрезались на отдельные элементы, которые при укладке подгонялись под размер специальной подрезкой. Каждый фрагмент кровли закреплялся к несущей обшивке ершенными гвоздями и при помощи холодной битумной мастики.

Учитывая пространственный характер работы данной конструкции, то ее расчетная схема принята также пространственной, практически полностью повторяющей конструктивную схему сооружения. Расчет сооружения выполнен с применением вычислительного комплекса SCAD [3]. В статических расчетах учитывались различные схемы загружения купола, в частности рассматривалась возможность неравномерного снегового загружения (в нижней части купола – на его свесах).

Для выполнения деталировочных чертежей КМД использовалась трехмерная компьютерная модель сооружения.

Представленный гиперболический купол двоякой кривизны реконструируемого здания является сложной в изготовлении конструкцией. Трудозатраты на изготовление, и в конечном счете, стоимость  купольных конструкций можно значительно уменьшить при изготовлении конструкций с использованием так называемого блочного монтажа, который был реализован на данном объекте (рис. 7). Конструкции изготавливаются на специально организованной площадке, вблизи возводимого объекта с последующим их монтажом в проектное положение при помощи кранового оборудования.

В условиях стесненного строительства такой монтаж также возможен. В этом случае сборка и отделка купольной конструкции может производится на перекрытии возводимого здания (рис. 6).

Общие выводы.

  1. Как показал практический опыт, для возведения куполов двоякой кривизны в построечных условиях наиболее целесообразно использовать комплексные, металлодеревянные конструкции.
  2. С целью уменьшения трудоемкости изготовления и монтажа подобных конструкций рекомендуется использование блочного монтажа. В стесненных условиях строительства блочный монтаж может производиться на перекрытии возводимого здания.

Литература

  1. Тур В.И. Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие. — М.: Издательство ЛСВ, 2004. — 96 с.
  2. Металлические конструкции. Справочник проектировщика (под ред. В.В.Кузнецова). — М., 1998. — т. 1, 2 и 3. 504 с.
  3. Вычислительный комплекс SCAD / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, А.А. Маляренко, А.В. Перельмутер, М.А. Перельмутер — М.: АСВ, 2004. – 592 с.
  4. Вебресурс http://www.2uk.ru/culture/kulture12

Ключевые слова: купол, шпиль, башня, кровля, металлодеревянные конструкции, блочный монтаж, индивидуальное жилье.

Аннотации:

У статті розглянуті питання, пов’язані з архітектурним, конструктивним і технологічним проектуванням куполів гіперболічної форми, які застосовуються в якості архітектурних елементів, що створює неповторний вигляд індивідуальної житлової будівлі.

В статье рассмотрены вопросы, связанные с архитектурным, конструктивным и технологическим проектированием куполов гиперболической формы, которые применяются в качестве архитектурных элементов, создающий неповторимый облик индивидуального жилого дома.

The questions, related to the architectural, structural and technological planning of domes of hyperbolic form, that are used as architectural elements, are considered in the article, creating the unique look of individual dwelling-house.

Довідка про авторів:

  1. Ісмагілов Андрій Олегович, к.т.н., доцент кафедри «Будівельні матеріали, конструкції та споруди» УкрДАЗТ, тел. (057) 730-10-63, (057) 730-10-65.
  1. Подтележнікова Інна Володимирівна, к.т.н., доцент кафедри «Будівельні матеріали, конструкції та споруди» УкрДАЗТ, тел. (057) 730-10-63, (057) 730-10-65.