Купольные оболочки представляют собой поверхность вращения вокруг вертикальной оси некоторой геометрической кривой (кругового сегмента, параболы и т. д.). В большинстве купольные оболочки представляют собой часть поверхности шара, опирающегося по всему периметру или на отдельные точки, расположенные по контуру. Купольная оболочка наиболее проста и экономична по расходу материала. Монолитный железобетонный сферический купол театра в Новосибирске, имеющий диаметр у основания 55,5 м, выполнен толщиной 8 см (1/685 пролета), а купол диаметром 95 мм. перекрывающий стадион в Пуэрто-Рико, имеет толщину 150 мм (1/630 пролета).
При устройстве сборных куполов их разрезают горизонтальными и меридиональными швами на элементы, имеющие форму сферических трапеций, или решают как многогранник, разбитый на элементарные треугольники.
Разрезка сфер купола на треугольники минимального количества типоразмеров разработана в Московском архитектурном институте проф. М. С. Туполевым. Такие купола можно выполнять как сплошную оболочку из треугольных ребристых плит, как пространственную сетчатую раму из жестких стержней (например, труб) или как комбинированную конструктивную систему из жестких сжатых и гибких растянутых элементов.
Сборный железобетонный купол монтируют с соблюдением тех же условий жесткости всех стыков, как и во всех рассмотренных выше оболочках.
Металлический сетчатый купол из труб или проката монтируют с использованием типовых узловых крепежных деталей на болтах с гайками и контргайками, на сварке или автозаклепках. По сетчатой системе купола укладывают легкие кровельные панели или (в сезонных постройках) подвешивают тент, напрягаемый специальными устройствами.
Купол запроектирован в Московком архитектурном институте проф. М. С. Туполевым в виде сборной системы из металлических прокатных профилей, составляющих плоские шестиугольники и пятиугольники, усиленные диагональными элементами. Как вариант, предложено заполнить все просветы либо предварительно напряженными тросовыми конструкциями по типу велосипедного колеса, либо воздухонаполненными дисками с подушками из синтетических тканей, либо утепленными настилами из гофрированного алюминия.
Складчатые купола монтируют из армоцементных пространственных скорлуп, расположенных в один или два яруса. Скорлупы можно изготовлять в земляной форме.
Оболочки с поверхностью гиперболоида вращения (гипара) чаще всего применяют для покрытия помещений, прямоугольных в плане. В этих случаях гипар представляет собой слегка перекрученный в виде пропеллера прямоугольник, у которого все линии, параллельные контурным сторонам, прямолинейны. Это позволяет членить такие покрытия на почти одинаковые прямоугольники, что в значительной мере облегчает сборность конструкции за счет небольших изменений в ширине швов.
Бочарные оболочки в отличие от цилиндрических имеют продольную ось, изогнутую по кривой с выпуклостью . кверху, которая чаще всего очерчена по окружности. В этом случае оболочка имеет форму тора, у которого отношение диаметра кольца к диаметру его продольного сечения выражается числом не менее пяти. Бочарные оболочки работают и в поперечном, и в продольном направлении подобно сводам. Мощные затяжки, подвешенные под продольными ребрами или находящиеся под землей на уровне опор, воспринимают распор в направлении пролета.
В поперечном направлении распор от оболочки воспринимают диафрагмы жесткости и бортовые элементы, а в смежных оболочках этот распор взаимно погашается соседними элементами. Поперечные сечения бочарных оболочек обычно по всей длине свода, за исключением опорных зон, принимают круговыми. В опорных зонах оболочка большого пролета заканчивается коноидальным элементом, обеспечивающим переход от кругового поперечного сечения средней зоны к прямоугольному но линии опирания. В сборных оболочках плиты промежуточных зон монтируют на металлических решетчатых опорах. По этой системе в Ленинграде построено покрытие над автогаражом пролетом 96 м, состоящее из 12 сводов шириной 12 м каждый. Все покрытие разрезано продольно температурно-осадочным швом, делящим конструкцию на две самостоятельные части с шестью сводами в каждой. Приведенный расход бетона на 1 м2 покрытой площади указанного гаража составляет 12 см, а расход стали 24 кг/м2.
Перекрытие должно быть прочным, т. е. выдерживать действующие на него постоянные и временные нагрузки, включая собственный вес. Недостаточно жесткое перекрытие создает под влиянием временной нагрузки значительные прогибы. Прогиб чердачных перекрытий не должен превышать 1/200 пролета, а прогиб междуэтажных перекрытий 1/250 пролета. Высоту конструкции междуэтажных перекрытий следует делать минимальной, так как увеличение высоты перекрытия неоправданно увеличивает кубатуру и повышает стоимость здания.
Требования теплозащиты предъявляют к перекрытиям чердачным, над проездами, над подпольями и над неотапливаемыми подвалами. Сопряжение перекрытий с наружными стеками необходимо конструировать так, чтобы не создавались мостики холода.
Для обеспечения необходимой изоляции помещения от воздушного и материального переноса звука из смежных помещении вес перекрытия должен быть более 300 кг/м2 и, кроме того, должны отсутствовать щели и неплотности. При устройстве легких перекрытий снижение их звукопроводности достигается применением слоистой конструкции из материалов, обладающих разными коэффициентами звукопроводности. Неплотности в конструкции, швы между элементами перекрытия и места примыкания их к стенам уплотняют тщательной пригонкой элементов, промазкой или прокладкой плотных упругих материалов. Материальные звуки от ударов и трения (ходьба, передвижение мебели и др.) поглощаются древесноволокнистыми, древесностружечными, асбестоцементными и другими плитами, устраиваемыми под покрытием пола в виде сплошного основания или отдельных ленточных прокладок и в местах примыкания его к стенам, а также непосредственно упругими материалами пола (тапифлекс-линолеум на упругом основании, поливинилхлоридные плитки, джутовые ковры и др.). Перекрытия должны также удовлетворять требованиям: противопожарным, биостойкости (деревянные перекрытия), индустриальности, экономичности и технологичности производства работ.
По видам конструкций различают перекрытия балочные, плитные и монолитные.
Что касается стоимости алюминиевых сплавов, то в связи с расширением и совершенствованием алюминиевой промышленности и удешевлением электроэнергии, необходимой для производства алюминия, можно предполагать, что цена алюминиевых сплавов будет падать, а объем производства этого прогрессивного материала — увеличиваться.
В настоящее время конструкции покрытий из алюминиевых сплавов выгодно применять при использовании легких плит покрытий в большепролетных конструкциях, так как уменьшение их веса дает экономию в расходе материала на опорные элементы и фундаменты. Кроме того, расходы по содержанию алюминиевых конструкций значительно меньше, чем расходы по содержанию стальных конструкций, которые надо периодически окрашивать. Поэтому алюминиевые сварные балки выгодно применять над пролетами от 12 до 18 м, а фермы — с 30 м и выше. Особенно удобно использовать эти конструкции в северных малодоступных районах нашей страны, где в связи с малым весом и морозостойкостью конструкции из алюминиевых сплавов часто представляют единственное технически и экономически оправданное решение. При проектировании конструкций покрытий из алюминиевых сплавов следует иметь в виду, что непосредственное соприкасание их с другим металлом, деревом, бетоном и иными строительными материалами не допускается: возможна коррозия алюминия в этих местах. Изоляцию разнородных материалов в местах соприкасания выполняют специальными прокладками из полиизобутилена и тиоколовой ленты, а помимо этого еще цинкованием или кадмированием стальных поверхностей, пропиткой антипиреном деревянных деталей, соприкасающихся с алюминием, и покрытием щелочеупорным битумным лаком частей конструкций, опирающихся на бетон.
Железобетонные и стальные балки и фермы применяют в покрытии крупных помещений в одноэтажных гражданских зданиях и в верхних этажах многоэтажных зданий высокой капитальности (1 класса и зданий вне класса).
Предварительно напряженные железобетонные балки таврового и двутаврового сечений перекрывают пролеты 12 и 18 м. Высоту таких балок принимают от 1/10 до 1/12 пролета. При пролетах 18 и 24 м используют составные предварительно напряженные балки, которые монтируются на стройке из двух половин или из более мелких элементов. На концах балок в верхнем поясе размещают закладные детали, которые при монтаже сваривают. В нижнем поясе составных балок предусматривают каналы для пропускания арматуры, которую закрепляют на одном конце, производят необходимое удлинение электронагревом или натяжением домкратами и потом закрепляют на другом конце балки. После этого канал заполняют цементным раствором, подаваемым с одного конца или посередине балок под давлением. Выход раствора соответственно на противоположном конце балки или на обоих концах свидетельствует о заполнении всего канала.
Стальные балки имеют двутавровое сечение и проектируются как прокатные или составные для. пролетов до 12 м (реже до 18 м). Высота их принимается 1/10—1/15 пролета, ширина полок от 1/3 до 1/5 высоты балки, ширина вертикальной стенки 1/100—1/140 той же высоты, но не менее 8 мм. В балках длиной более 6 м следует устраивать ребра жесткости с шагом.
Стальные балки, так же как и другие металлические конструкции: фермы, колонны, рамы, должны быть надежно защищены в случае возникновения пожара от непосредственного соприкосновения с огнем, так как металл под воздействием огня очень быстро теряет несущую способность, а это может вызвать обрушение всего покрытия. В этих целях стальную конструкцию в зданиях либо обетонивают, либо ограждают специальными бетонными плитами, несгораемыми подвесными потолками и т. п.
Многоэтажные крупноблочные здания имеют свои конструктивные особенности. В жилых крупноблочных зданиях большой этажности и в общественных зданиях при крупном планировочном шаге применяют монтажные краны грузоподъемностью до 5—7 т. Это позволяет применить для наружных стен крупноблочных зданий легкобетонные блоки весом 4—5 т и больше с двухрядной разрезкой, в системе которой основными являются простеночные блоки и блоки-перемычки. На глухих (безоконных) участках стен вместо перемычек применяются поясные блоки. Толщину легкобетонных блоков наружных стен принимают 400, 500 и 600 мм в зависимости от климатических условий строительства. Внутренние стеновые блоки выполняют из тяжелого бетона с вертикальными круглыми пустотами, используемыми для вентиляции. Пустоты во внутренних стенах, не используемые для вентиляции, при монтаже целесообразно засыпать сухим песком для улучшения звукоизоляции стен.
В многоэтажных крупноблочных зданиях жесткие связи в пересечении внутренних и наружных стен обеспечиваются установкой стальных накладок на сварке с замоноличиванием швов. Настилы, сопрягаемые на несущих стенах, скрепляют попарно анкерными связями из стальных стержней диаметром 10 мм. В многоэтажных крупноблочных домах через каждые четыре этажа в горизонтальных швах над поясными блоками по периметру наружных и внутренних стен укладывают арматурные пояса из круглых стальных стержней диаметром 10 мм (так же, как в кирпичном доме), производят анкеровку перекрытий и устраивают набетонку по арматурной сетке для создания жестких дисков перекрытий, образующих в комплексе со стенами жесткий остов здания.
Железобетонные панели увеличенных пролетов (до 12 м) могут перекрывать здание на всю ширину от одной наружной стены до другой, что создает большие удобства для свободной планировки этажей, не стесняемых внутренними стенами или столбами.
Каменные материалы, обладающие большой объемной массой, имеют высокую теплопроводность, а потому их по теплотехническим соображениям приходится устраивать значительной толщины — от 38 до 77 см, что вызывает увеличение веса, стоимости и трудоемкости возведения зданий. Вес каменных зданий в зависимости от вида стеновых материалов и климатического режима места строительства составляет 450—700 кг/м5 внешнего объема, а трудоемкость возведения—1,1—1,4 чел.дн. на 1 м3. Прочность же толстых каменных стен в верхних этажах не используется. Для облегчения слабонагруженных наружных стен их иногда выполняют из облегченной кладки с заполнением эффективными теплоизоляционными материалами — минераловатными плитами, фибролитом, ячеистым бетоном, поропластом или легкими засыпками (шлаки, трепел, опока, керамзит, перлит), смоченными гипсовым молоком для избежания осадки сыпучего материала.
Можно также устраивать отдельные теплоизоляционные стенки с воздушным прослойком между ними и каменной кладкой, но в этом случае необходимо устраивать изнутри помещения надежную пароизоляцию для устранения конденсата влаги внутреннего воздуха в воздушном прослойке стены.
Толщина стен в нижних этажах домов выше 6 этажей увеличивается для повышения их несущей способности, а в некоторых случаях для этой цели в нижних этажах устраивают специальные местные утолщения стен (пилястры) или железобетонные колонны, работающие совместно с каменной кладкой.
Повышение несущей способности каменных стен и столбов может быть также достигнуто путем применения в нижних этажах материалов повышенной прочности (кирпич марок 150—200 на растворе марки 100) или путем армирования швов кладки горизонтальными сетками из проволоки диаметром 4—5 мм.
Свободная длина стен в пределах между поперечными связями по нормам СНиП при замоноличивании сборных перекрытий может доходить до 48 м, а при монолитных железобетонных перекрытиях—до 54 м.
Устойчивость зданий при продольных несущих стенах обеспечивается наличием поперечных стен — торцовых, межквартирных, а в некоторых случаях — специальных поперечных стен жесткости. Горизонтальные усилия от ветра в этом случае передаются через жесткие междуэтажные перекрытия поперечным жестким стенам. В отдельных случаях при устройстве крупных зальных помещений с легким покрытием по металлическим фермам с каменными наружными стенами жесткие горизонтальные диафрагмы отсутствуют, а потому эти стены приходится рассчитывать на горизонтальные нагрузки.
Весьма целесообразно передавать горизонтальные усилия на каменные стены лестничных клеток и лифтовых шахт, являющихся жесткими ядрами в обоих направлениях.
Неполный каркас с каменными столбами применяется в зданиях высотой до 9 этажей для экономии стеновых материалов, а в зданиях высотой более 9 этажей внутренние опоры (колонны) устраиваются из железобетона или металла. Неполный каркас применяется также при наличии в нижних этажах магазинов, ателье и других помещений, планировка которых не допускает устройства часто расположенных стен.
При неполном каркасе панели перекрытий опираются на балки, уложенные по внутренним столбам или колоннам каркаса.
Перекрытия каркасных зданий обычно монтируются из многопустотных панелей толщиной 220 мм при длине до 9 м. Возможно также применение многопустотных панелей пролетом до 12 м, толщиной 300 мм. Ребристые панели типа ТТ могут иметь пролет до 18 м. Монтаж перекрытия начинают с установки, на место и крепления на сварке связевых панелей (распорок), расположенных по линиям колонн, после чего приступают к монтажу основной массы панелей перекрытия. Для образования жестких дисков панелей перекрытия крепятся к ригелям путем сварки закладных деталей. В продольных швах смежных панелей, заполняемых раствором, иногда устраивают распорные шпонки, воспринимающие сдвигающие касательные усилия, так же как в крупнопанельных зданиях.
Наружные стены в каркасных зданиях, как правило, применяют навесного типа. В зданиях высотой до 9 этажей и в нижних этажах зданий повышенной этажности возможно также применение самонесущих крупнопанельных стен.
Навесные стены должны иметь как можно более легкий вес, а поэтому их целесообразно осуществлять из панелей, выполненных из современных листовых материалов (асбестоцемент, алюминиевые листы, стеклопласты) с эффективными утеплителями (поропласт, минер а ловатные плиты, ячеистый бетон, плиты из стекловолокна).
Безбалочные перекрытия могут быть и сборными из отдельных плит, укладываемых на четверть надколонных сборных полос, опирающихся на сборные капители колонн.
При устройстве- безбалочных перекрытий все горизонтальные усилия передаются через плиту на жесткие вертикальные диафрагмы— лестничные клетки, лифтовые и вентиляционные шахты или специальные решетчатые связи.
Сборные стенки жесткости устраиваются из железобетонных панелей, вставляемых в просветы между колоннами и ригелями с жестким креплением к ним со сваркой закладных деталей, не менее чем по два крепления по каждой стороне панели. Такое крепление обеспечивает неизменяемость взаимного расположения вставной панели с несущими колоннами и перекрытиями, между которыми она вставлена. После осуществления жестких креплений швы сопряжений панели жесткости с элементами каркаса должны быть тщательно забетонированы цементно-песчаным раствором. Этот тип жестких связей каркасного остова наиболее индустриален и широко применяется в массовом строительстве зданий высотой до 12 этажей.
Монолитные железобетонные стенки жесткости возводятся на месте в инвентарной опалубке с приваркой арматурных сеток и выпуском арматуры из ригелей и колонн. Иногда внутрь монолитной жесткой стенки для повышения ее прочности вставляют крестовые или треугольные связи, выполненные из круглой стали, стальных прокатных профилей— швеллеров или уголков, расположенных по диагоналям просвета или в виде подкосов.