Канчели - Строительные пространственные конструкции

Канчели В.Н.

Строительные пространственные конструкции: Учеб. пособие. М: Издательство АСВ, 2003.-112 стр.

Книга содержит информацию и приближенный расчет широкого круга  пространственных строительных конструкций. Книга поможет проектировщикам ознакомиться с конструктивными  особенностями различных систем и выбрать наиболее подходящую из них для конкретного  архитектурно-функционального назначения объекта. Книга предназначена для широкого круга проектировщиков и студентов строительных ВУЗов.

УДК 624

© Издательство АСВ, 2003

© Канчели Н.В., 2003

К ЧИТАТЕЛЯМ

Книга, которую Вы раскрыли, носит, казалось бы, утилитарный характер: в  задачу автора входили «увеличение объёма информации и приближенный расчёт широкого круга строительных конструкций». Другими словами, книга должна помочь начинающему инженеру или студенту соприкоснуться с миром пространственных  конструкций и по возможности понять его.

Таково от книги первое впечатление. Правильнее же её понимать как исповедь инженера, посвятившего свою жизнь поиску и воплощению «логичных конструкций».

Эта формулировка, придуманная автором, даёт повод читателю самому расшифровать ее. Самому потому, что «логичная конструкция» в книге неотделима от личности ИВ. Канчели, а ему объяснять, что такое конструктивная логика - это значит выявить свою сущность, а этим заниматься не всегда хочется. Автору и так всё ясно. А как быть читающим? Надо вникать в суть каждого авторского решения, за которым выбор  несущей конструкции для того или иного сооружения. И тогда многое станет ясным. В том числе, что конструкция - часть целого, часть архитектурного произведения. Как часть она менее значима, чем сооружение в целом, но, вместе с тем, конструкция определяет его целостность, и потому её значение вырастает до масштаба целого объекта.  Конструкция - материально оформленный смысл сооружения, одухотворённый авторским талантом. Станет, наконец, понятным, что логичная конструкция - это конструкция  рациональная, поскольку материала в ней столько, сколько необходимо. Ни больше, ни меньше.

Конструкции, сочинённые автором, дают возможность осознать, что поиски  рациональной, логичной конструкции - основной принцип работы инженера, смысл его деятельности, которая связывает рациональность с эстетикой, логику инженера - с  художественной утончённостью архитектора. В книге автор подробно показывает работу инженера на начальных стадиях  проекта. Именно в это время особенно ярко проявляется его способность нестандартно мыслить, находить решения в сложных ситуациях, главное - увидеть в начальных  набросках будущую конструкцию, оптимально, то есть с наименьшими затратами,  воспринимающую внешние воздействия, почувствовать «игру сил» в ней и  конструктивными приёмами «втащить» её в структуру здания.

Поэтому важнейшие качества, которые отличают хорошего конструктора от  заурядного - врожденная способность к анализу профессиональных предчувствий,  интуитивное понимание работы конструкции - всё то, что предшествует сначала  приближенным, а затем точным компьютерным расчетам. Н.В. Канчели одарён свыше этими качествами. Он блестяще использует их в  своих работах, а теперь ещё хочет донести свой опыт и знания до собратьев по профессии, приобщающихся к сочинению пространственных конструкций. Остаётся пожелать  читателям интересного чтения, а Н.В. Канчели - новой книги, в которой будут  представлены новые проекты, время осуществления которых не за горами.

Ноябрь 2002 г. д.т.н. Н.Н. Никонов

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

С появлением персональных компьютеров резко изменился набор информации, которым должен обладать конструктор для принятия оптимальных решений при  выборе конструкции и её разработке.

В докомпьютерную эпоху существовали только ручные расчеты весьма  ограниченного круга пространственных конструкций. В основном это были оболочки,  поверхность которых описывалась простыми уравнениями. Для выполнения этих расчетов проектировщик должен был обладать глубокими и широкими теоретическими знаниями.

Расчеты более сложных систем были практически невыполнимы, а,  следовательно, их нельзя было запроектировать и построить. Компьютер позволяет рассчитывать любую систему.

Таким образом, компьютер многократно расширил область возможного при  проектировании пространственных систем. Конструктор, желающий заниматься проектированием зданий с применением пространственных систем, должен уметь выбрать из множества возможных систем  оптимально удовлетворяющую требованиям функции и архитектуры сооружения, а также достаточно экономичную. Для этого он должен обладать информацией о работе  широкого круга конструкций и методах их приближенного расчета. Умение же выполнять аналитические расчеты достаточной степени точности с появлением компьютера от  него не требуется. Расчет конструкции любой сложности выполнит компьютер.

Предлагаемая книга, содержащая информацию о геометрии и статике широкого набора классов конструкций и методах их приближенного ручного расчета, призвана расширить кругозор проектировщика.

Книга рассчитана на читателя, знакомого с математикой и теоретическими  дисциплинами в объеме курса строительных ВУЗов. Многие утверждения и  доказательства даны без должной строгости, благодаря чему удается довести до читателя  достаточно глубокие идеи работы широкого круга пространственных систем в весьма сжатой форме, не загружая его сложными выкладками.

Такое изложение, по мнению автора, резко расширит круг студентов и  инженеров, которым она может принести пользу. Автор выражает глубокую благодарность своему товарищу, доктору технических наук Никонову Николаю Николаевичу за внимательное прочтение книги и сделанные замечания, своему другу и однокашнику Юрию Самуиловичу Тимянскому, профессору МИСИ, за оказание помощи при написании книги, а также приносит глубокую  благодарность своим учителям, старшим товарищам и соратникам, внесшим неоценимый вклад в формирование автора как инженера-конструктора и в реальное воплощение многих сооружений: Петру Леонтьевичу Пастернаку, Асиру Абрамовичу Левенштейну, Виктору Викторовичу Ханджи, Эдуарду Натановичу Кузнецову, Алексею Петровичу Морозову, Олегу Александровичу Курбатову, Исааку Григорьевичу Людковскому,  Виктору Ивановичу Трофимову, Георгию Константиновичу Хайдукову, Павлу Георгиевичу Еремееву, Константину Николаевичу Илленко, Владимиру Ильичу Травушу, Евгению Николаевичу Владимирову, Борису Марковичу Гурьевичу, Михаилу Дмитриевичу  Филиппову, Николаю Алексеевичу Короленко, Юрию Сергеевичу Рузякову, Михаилу Исааковичу Кельману, Михаилу Михайловичу Митюкову.

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. О специальности «Строитель»

Эстетика строительства.

Создателем архитектурных сооружений, теперь уже в далеком прошлом, был зодчий. Он определял объемно - планировочную композицию, удовлетворяющую  функциональному назначению объекта, разрабатывал конструкцию и детали сооружения,  находил пропорции элементов здания и его цветовое решение и, более того, выступал организатором строительства.

Развитие строительного производства разделило функции зодчего на три  основных составляющих - архитектора, конструктора и строителя, занимающихся решением различных задач архитектуры и строительства. Такое разделение приводило зачастую к плохому взаимопониманию  специалистов, делающих общее дело.

Архитектор часто считает конструктора ремесленником и не желает понимать требований конструктивной логики. Конструктор, в свою очередь, зачастую не хочет считаться с разумными требованиями архитектора. Эта проблема взаимоотношений главных участников проектирования может быть решена только воспитанием у  архитекторов понимания общих принципов работы конструкций, а у конструкторов - понимания основных принципов гармонии при создании искусственных пространств.

Любое творение рук человеческих, кроме, пожалуй, чистого искусства (музыки, живописи и т.д.), может быть оценено по трем основным характеристикам: степень  удовлетворения функциональному назначению изделия или сооружения, его стоимость и красота.

Степень удовлетворения функции и стоимость достаточно понятны (удобные и дешевые стул, лопата, дом и т.д.). Красота же объекта, по мнению автора, есть  ощущение человека, воспринимающего гармонию окружающего мира, которая в свою очередь отражает законы материального мира.

Красота океанских волн - это в каждое мгновение абсолютное подчинение их  законам аэрогидродинамики и гравитации; золотая пропорция в архитектуре, как  доказано, отражает некоторые глубинные закономерности природы, которой подчиняются многие явления.

Эстетика сооружения складывается из гармонии пропорций и цветового  решения, а также из воспринимаемой логичности конструктивного решения. У сооружений типа телебашен, мостов, залов с большепролетными покрытиями и т. д. основную лепту в эстетику вносит конструктивная логика.

Логичная конструкция практически всегда красива и экономична. Эта связь  красоты и экономичности - важнейшее свойство конструкций. Настоящим произведением строительного искусства сооружение становится, когда в нем гармонично все: функция, пропорции, цвет и логичная конструкция. Некоторые аспекты развития проектирования и строительства. Процесс проектирования конструкций можно разбить на несколько последовательных составляющих: замысел, расчет конструкции, конструирование.

Первая компонента зависит от таланта, профессионального мастерства и  эрудиции автора; вторая - от уровня развития теории расчета сооружений и уровня  теоретической подготовки автора; третья - от возможностей строительной индустрии. Все компоненты проектирования строительных конструкций плавно  развивались вплоть до 70-х годов 20-го века - начала эры широкой компьютеризации.

Талантливые и эрудированные инженеры существовали всегда, а общий уровень строительной науки и производства неуклонно совершенствуется. До внедрения компьютеров расчеты необходимо было выполнять, решая  уравнения строительной механики и теории упругости. Эти уравнения в замкнутом виде или приближенными методами решались только для самых простых систем: стержневых конструкций, оболочек простой формы (поверхности второго порядка, оболочки вращения), простых плитных систем и т.д.

Системы сложной формы с геометрически и физически нелинейной работой, с участками нарушения принципов безмоментности рассчитывались лишь приближенно. Многие конструкции появились благодаря совершенствованию строительной  индустрии.

С начала 70-х годов в процесс проектирования стремительно ворвался  компьютер, который не только помогает выполнить расчет сооружения, но и открыл новые  возможности для творческих фантазий автора. Компьютерные методы позволяют  рассчитать конструкцию самой произвольной формы. Однако автор считает, что  приближенный расчетный анализ конструкций является необходимым при разработке проекта.

Так была открыта дорога для создания огромного разнообразия новых  конструктивных систем. С помощью нелинейных программных средств стало возможным формировать оптимальные поверхности оболочек над сооружениями любых планов, моделировать с высокой степенью точности процесс испытания конструкции с учетом деформаций, возникновения разрушений и изменения жесткости конструкций, доводя ее до  виртуального разрушения. Это позволило определять надежность систем и частично  отказаться от испытания моделей и натурных испытаний.

Перспективы развития конструктивных систем, по мнению автора, связаны в  основном с двумя аспектами: созданием новых строительных материалов, а также  сокращением разрыва между современными возможностями компьютера и способностью конструктора их использовать.

Трудно себе представить, насколько расширились бы возможности  строительства и упростилось конструирование, если бы, например, появился материал с  прочностью на сжатие и растяжение около 200 кгс/см2 по всем направлениям, упругий, с  объемным весом около 500 кг/см2, не подверженный коррозии, несгораемый и легко формуемый при строительстве.

Значительную часть плит, балок, стен зданий, оболочек можно было бы  изготавливать из этого материала без армирования. Материал с такими свойствами - это мечта, к которой надо стремиться.

Здания из такого материала или монолитного железобетона можно  конструировать как единую пространственную систему. Очевидно, в будущем такой подход к проектированию сооружений из монолита должен стать нормой, что приведет к созданию новой архитектуры. Компьютерная оптимизация пространственных покрытий с подчинением формы их поверхности перекрываемым планам сооружений позволит расширить область  применения оболочек и повысить их архитектурную выразительность. Современному конструктору нет необходимости обладать умением точного  ручного расчета конструкций, но он должен знать основные законы статики и динамики, чувствовать «игру» сил в сооружении, знать принципы работы разнообразных  конструктивных систем и уметь оценить результаты расчета. Не зная, к примеру, принципа работы оболочки в форме гиперболического параболоида, мембранных оболочек и  других пространственных конструкций, инженер-конструктор не сможет применить их в нужный момент.

Настоящая книга призвана решить проблему расширения кругозора инженера-конструктора.