Возникновение и развитие железобетонных оболочек
Первыми железобетонными оболочками, возведенными в 20-е годы 20 В., были тонкостенные монолитные купола планетариев в Вене, Берлине, Нюрнберге и Ганновере. Купола, а позднее цилиндрические своды-оболочки были осуществлены фирмами «Цейс» и «Диккергоф-Видман (Дивидаг); главную роль в их создании сыграли ФР. Дишингер, А. Бауэрсфельд и У. Финстервальдер. Расчеты этих конструкций в основном по безмоментной теории были изложены Фр. Дишингером в 1928 г. Идея купола, находящегося под действием основных нагрузок в безмоментном напряженном состоянии, была использована в конструктивной форме цилиндрического свода. На основании опыта проектирования таких оболочек стало возможно по-иному конструировать покрытия зданий с круглым планом. Посредством пересечения нескольких цилиндрических сводов-оболочек были получены практически первые в истории развития пространственных конструкций составные железобетонные оболочки с многоугольным планом, названные Фр. Дишингером многоугольными куполами. В решениях этих конструкций в круглый план здания вписывался многоугольник, и план получался многоугольным, достаточно близким к кругу. Такие покрытия по сравнению с куполами позволяли иметь редкую расстановку колонн и более интересное архитектурное решение. Криволинейные грани в пролете между ребрами в местах пересечения поверхностей работали как своды-оболочки между диафрагмами и рассчитывались по ранее разработанным методам; ребра находились преимущественно в безмоментном состоянии. Выполнение цилиндрический поверхностей граней из монолитного железобетона было значительно проще, чем куполов.
Многоугольные купола в виде сомкнутых и крестовых сводов сочетают особенности куполов и цилиндрических оболочек. Работы по этим оболочкам развили традиции, существовавшие ранее в области каменных конструкций. В 1928-1930 гг. рынки в Лейпциге и Базеле были перекрыты тремя восьмиугольными куполами типа сомкнутых сводов пролетами соответственно 76 и 60 м толщиной 9 и 6 см. Позднее, в 50-ых годах, форма сомкнутых и крестовых сводов была использована при проектировании ряда крупных сооружений в Европе и США. В Париже был построен Дворец выставок французкой промышленности, перекрытый сомкнутым сводом пролетом 205 м. Очертание здания в плане – треугольное. С целью обеспечения устойчивости оболочка была принята двухслойной.
Дальнейшее развитие конструктивных схем оболочек пошло по пути замены крестового свода, образованного сочетанием цилиндрических поверхностей, единой геометрической формой положительной гауссовой кривизны. Опыт проектирования и результаты исследований показали, что в таких оболочках (за исключением угловых зон) напряжения, как правило, несущественны. Оболочки двоякой кривизны характеризуются большей устойчивостью, чем цилиндрические оболочки, пролеты которых оказалось целесообразным ограничить. Одно из первых покрытий такого типа размерами 36Х36 м было построено в Таллинне. В Новосибирске по проекту П. Л. Пастернака возведен монолитный купол оперного театра; в Москве по его же проекту сооружена короткая цилиндрическая оболочка, перекрывающая плавательный бассейн «Динамо».
На рис.2.2 б показаны два характерных примера применения монолитных оболочек двоякой кривизны в многоволновых покрытиях за рубежом. В 1949-1950 гг. в Англии был разработан и построен производственный корпус с покрытием в виде сочетания оболочек с поверхностью параллельного переноса размерами 19Х26 м. В Швейцарии применили пологие оболочки переменной кривизны с плоским контуром размерами до 34Х34 м, очерченные по форме идеальной мембраны.
В СССР развитие оболочек пошло по пути индустриализации строительства. Были осуществлены сборные железобетонные оболочки положительной гауссовой кривизны, длинные и короткие цилиндрические оболочки и другие конструктивные решения, осуществленные в Ленинграде, Красноярском крае, на Украине. Крупные торговые центры пролетами более 100 м с применением сборных оболочек положительной кривизны построены в Челябинске, Минске. Армоцементные складки и своды разрабатывались и исследовались в Москве и Ленинграде.
В 50-60 годах начали проектировать общественные здания с произвольной формой плана. Наиболее простыми конструктивным решением можно считать оболочки положительной гауссовой кривизны, очерченные по единой поверхности на многоугольном центрическом плане с 3, 5, 6, 8 опорами.
Наряду с тенденцией отклонения от круговой или прямоугольной формы плана получили развитие оболочки произвольной формы с геометрической поверхностью, которая не описывалась аналитическими выражениями. Два примера таких конструкций – выставочного павильона в Нью-Йорке и административного здания фабрики в Женеве. Оболочка выставочного павильона имела форму в плане, близкую к трапеции, размерами 100Х55Х23 м, и волнистую поверхность, очерченную по произвольными кривым, с изменением кривизны с отрицательную на положительную. Предварительные расчеты показали, что принятые варианты экономичны по расходу материала, но трудоемки и сложны в исполнении.