Конечно, речь не идет, предположим, о растеске оконных проемов Поганкиных надаг в Пскове из-за того, что их нынешние окна не обеспечивают достаточной естественной освещенности. Но замена окон столярной работы прошлых веков в обычном здании гражданской архитектуры окнами индустриального изготовления с лаконичным рисунком переплетов, не повторяющим оригинал, а учитывающим только императив композиционных соображений «hic et mme» («здесь и сейчас» -лат.), на наш взгляд, полностью допустима и должна быть освобождена от давления догм, какую бы высокую культурную цель они ни преследовали.
Бесспорно, форма и размер оконных проемов, рисунок переплетов отражают технические и стилистические особенности архитектуры своей эпохи, и составляют неотъемлемую часть художественного образа здания. И это относится не только к таким окнам, форма которых представляет наиболее активный элемент фасада (архитектура готики или модерна ), но и к окнам «рядовым», претендующим не более чем на утилитарную роль, ибо стилистическая целостность формируется гармонией художественных акцентов и фонового ряда.
Подобные обстоятельства и составляют основу соображений, табулирующих для реконструируемых зданий модернизацию формы и конструкции оконных проемов, хотя последние наиболее выпукло демонстрируют факт обновления функционального и комфортного содержания здания, да и весьма немногие архивные проекты имеют разработку оконных кадров — во всяком случае ни в увражах А.Палладио, ни в архитектурных альбомах М.Казакова нет и намека на рисунок переплетов. И, возможно, беспереплетное остекление окон в реставрируемых зданиях и есть наиболее тонкий и точный ответ на вопрос о стилистическом соответствии окна проектной идее в целом. Очевидно, впрочем, что стандартных рецептов в стилистических играх при разработке проектов реставрации или приспособительной реконструкции не существует.
При всем том достаточная технологическая гибкость в индустриальном производстве оконных конструкций в принципе может обеспечить имитацию любых форм и материалов. Но возникает вопрос, нужны ли эти эстетизированные упражнения человеку современного менталитета, уже с иронией воспринимающего ностальгические эксперименты в архитектуре, к тому же недостаточно грамотные? И не будет ли лучшим доказательством преемственности в архитектуре просвечивающий сквозь новые окна исторического фасада деловой интерьер современного офиса.
Решение, подсказанное конкретной ситуацией, созревает при творческом суммировании исходной информации с оценкой культурно - исторического статуса сооружения, функционального задания и профессионального такта проектировщиков.
Одним из характерных признаков современной строительной деятельности является реконструкция сложившейся застройки, особенно актуальная в городах, фокусирующих деловые интересы в центральных кварталах исторической застройки высокой плотности. Основное требование городских властей (в архитектурном аспекте) к арендаторам исторических зданий - их реставрация (реконструкция) в состояние, адекватное времени их сооружения. Идеалистичность этого требования очевидна, так как длительному времени существования здания сопутствовали многочисленные перестройки, перепланировки, перебивки декора и изменения окраски фасада, имеющие в ряде случаев не меньшую историческую ценность, чем стартовый вариант его архитектуры. Эта ситуация предоставляет возможности как для волевых действий, так и внимательного подбора такого решения, которое позволит вписать сооружение в стилистический комплекс городского ансамбля безотносительно сложившимся стереотипам реставрационных кодексов.
Произошел перелом в эстетической трактовке «новоделов» — благодаря ряду удачных архитектурных решений, в т. ч. реконструкции Павелецкого вокзала в Москве, где был использован и развит архитектурный код здания дореволюционной постройки.
Выяснение отношений с формальными параграфами реставрационных канонов имеет смысл для преодоления предпроектных препятствий в работе с объектами, имеющим статус памятника архитектуры. Приспособительные работы по таким объектам нередко наталкиваются на невозможность обеспечения современных комфортных условий в их интерьерах без радикальной перепланировки.
Светопрозрачные ограждающие конструкции предназначены для обеспечения необходимой естественной освещенности помещений и возможности визуального контакта с окружающей средой. К основным светопрозрачным ограждающим конструкциям гражданских зданий относятся:
окна и остекленные двери (входные и балконные),
витражи и витрины,
остекленные стены фасадов,
элементы остекления крыш (фонари и наклонные остекленные поверхности), ограждения зимних садов, торговых павильонов и др.
Конструкции светопрозрачных ограждений подвержены нагрузкам и воздействиям. К нагрузкам относятся все действия и причины, которые приводят к возникновению в конструктивном элементе внутренних напряжений и, соответственно, деформаций. К ним относятся прежде всего эксплуатационные нагрузки, такие как давление ветра, снеговая нагрузка и температурные напряжения, а также технологические нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировке и монтаже конструкций. Кроме этого необходимо учитывать косвенные напряжения, возникающие в герметичных стеклопакетах при перепаде давлений, температур и влажности.
Все воздействия имеют несиловую природу, и не приводят к возникновению в элементах конструкций напряженных состояний. Вместе с тем, они представляют из себя некоторую совокупность климатических факторов, оказывающих влияние на человека, находящегося в помещении. К ним относятся: перепады температур и влажности наружного и внутреннего воздуха, шум, естественное освещение от небосвода, солнечная радиация, обеспечивающая инсоляцию и дополнительный нагрев помещения, пыль и атмосферные осадки, водорастворимые химические примеси в атмосферной влаге. К воздействиям также можно отнести видимость — визуальную связь внутреннего и внешнего пространства.
Как несущие конструкции, светопрозрачные элементы ограждений должны обладать необходимой прочностью и жесткостью при действии всех описанных выше нагрузок.
Как ограждающие конструкции - обладать необходимыми теплозащитными, светотехническими, звукоизоляционными качествами, а также герметичностью при действии всех описанных выше воздействий. При этом понятие герметичности следует относить как к сопряжениям элементов непосредственно в пределах светопро-зрачной конструкции, так и к местам ее примыкания к непрозрачным участкам стен и покрытий.
Конструкции светопрозрачных ограждений должны быть технологичными, легко транспортируемыми и удобными в монтаже, иметь достаточную химическую стойкость и легко поддаваться очистке. Являясь выразительными элементами фасада и интерьера, окна должны обладать хорошими эстетическими качествами и долговечностью, а также быть удобными и доступными для обслуживания при эксплуатации.
По типу открывания окна подразделяются на поворотные, поворотно-откидные, откидные, распашные, раздвижные и глухие; по конструкции переплетов — на одинарные, спаренные, раздельные и раздельно-спаренные.
Кроме того, все светопрозрачные конструкции подразделяются по материалу используемых в них профилей.
Стандартная конструкция оконного блока включает стационарную контурную обвязку — коробку (в ряде источников — раму), подвижно закрепленные на ней элементы — переплеты (в зарубежной технической документации — створки), а также элементы остекления (обычно в виде стеклопакета) и фурнитуру. В зависимости от площади проема и действующей ветровой нагрузки, в конструкцию коробки (рамы) для обеспечения жесткости вводят промежуточные вертикальные элементы — импосты и горизонтальные — поперечины. Дополнительно в оконном блоке могут быть установлены устройства для вентиляции и различные защитные экраны.
Оконные и витражные светопрозрачные конструкции в зависимости от материала и типа сечения оконных коробок и створок относятся к той или иной системе оконных профилей. Под системой оконных профилей будем понимать совокупность профилей различного назначения, подразделяемых на основные и дополнительные и выпускаемых определенным производителем.
В качестве материала для изготовления оконных профилей в традиционных окнах, применявшихся в нашей стране до настоящего времени, использовалось дерево, в современных системах — поливинилхлорид (ПВХ), дерево, алюминий, стеклопластики, а также комбинированные системы — алюминий в сочетании с деревом и ПВХ в сочетании с алюминием. Геометрия и характеристики сечений могут изменяться в зависимости от производителей в отдельных деталях, однако при этом у всех фирм сохраняется единый общий принцип построения как отдельных профилей, так и системы в целом.
Независимо от производителя, по своей конструкции все ПВХ-системы образованы тонкостенными полыми профилями (как основными, так и дополнительными), имеющими несколько камер, заполненных воздухом. В зависимости от предъявляемых требований, могут использоваться основные профили с различным числом камер (как правило, трех-, четырех- или пятикамерные). При этом с увеличением числа камер растет значение термического сопротивления профиля, а также его жесткость. Толщина стенок профиля, в зависимости от расположения, составляет 1.5—3 мм.
Наиболее распространенные в настоящее время профили имеют три камеры (рис. 2.3) — основную камеру (поз. 1), дренажную камеру (в ряде источников — предкамеру) (поз. 2) и камеру для крепления фурнитуры (поз. 3). При этом трехкамерный профиль применяется далеко не всегда. Все крупные производители предлагают вариации профилей, различающиеся по количеству камер (см. рис. 2.3), что дает возможность проектировщику более гибко адаптироваться к конкретным решаемым задачам. Так, например, в профиль может быть добавлена дополнительная камера для повышения его термического сопротивления (рис. 2.3. б), или же, наоборот, одна из камер может быть ликвидирована в пользу более мощного армирования (рис. 2.3. в) для восприятия повышенных статических нагрузок.
Рама и створка могут иметь наружные поверхности, расположенные в одной плоскости или же смещенные друг относительно друга. При расположении рамы и створки вровень, в профиле появляются дополнительные камеры - предкамеры, что дает возможность устанавливать остекление большей толщины. Такие конструкции называются одноплоскостными (рис. 2.3.г).
Рассмотрим назначение каждой камеры на примере комбинации рамы и створки (рис. 2.3).
Основная камера служит для установки усилительного вкладыша (армирующего профиля—в дальнейшем - армирования). Сечение усилительного вкладыша и толщину стенок принимают на основании статического расчета профиля на действие ветровых нагрузок, при этом принимая во внимание возможность температурных деформаций. Армирующие вкладыши, как правило, выполняются из оцинкованной стали, реже - из алюминия и стеклопластика, и предохраняют профили от избыточных прогибов, которые могут иметь место вследствие низкого значения модуля упругости ПВХ(см. Табл. 2.1). Ветровая нагрузка на армирующий вкладыш передается через горизонтальные ребра жесткости в дренажной камере, а также через саморезы, посредством которых осуществляется крепление армирования к профилю. Таким образом осуществляется совместная работа ПВХ и стали в оконном профиле.
За счет наличия армирующего вкладыша, окна из ПВХ получили свое второе название — металлотастиковые окна.
Геометрия основной камеры профиля створки предусматривает наличие так называемого «европаза» (поз .6, рис. 2.3), предназначенного для установки основных элементов фурнитуры (главного механизма с закрепленной в нем оконной ручкой; кронштейнов, обеспечивающих поворотное или поворотно-откидное открывание створки и др.).
Несущая система многоэтажного здания образуется вертикальными несущими конструкциями, объединенными в единую пространственную систему с помощью горизонтальных несущих конструкций — перекрытий здания. На рис. 3.1 показана несущая система многоэтажного здания, образованная разнотипными вертикальными конструкциями, а на рис. 3.2 — основные типы плоских вертикальных несущих конструкций. В высоких зданиях эти конструкции иногда объединяют в пространственные ядра-стволы, возводимые обычно из монолитного бетона в скользящей или переставной опалубке. Как видно из рис. 3.2, вертикальные несущие конструкции состоят из вертикальных элементов (столбов, колонн) и связей, соединяющих эти элементы по вертикальным швам: сваренных между собой закладных деталей или выпусков арматуры, бетонных шпонок, выступов перекрытий, ригелей рам с жесткими узлами, перемычек или участков перекрытий над проемами между столбами бескаркасного здания и т. п. Эти связи являются связями сдвига, так как они препятствуют взаимному сдвигу смежных элементов по вертикальным швам.
Несущие конструкции, имеющие один вертикальный шов и, следовательно, один ряд связей сдвига, называются одиосвязными, два ряда связей — двухсвязными и т. д. (см. рис. 3.2). Если бы связи были шарнирными, то каждый столб деформировался бы самостоятельно (рис. 3.3,а), а связи, поворачиваясь без сопротивления, оставались бы горизонтальными. Реальные связи всегда сопротивляются изгибу и сдвигу и тогда столбы деформируются так, как показано на рис. 3.3,6. В уровнях соединения связей со столбами возникают местные моменты и перерезывающие силы.Несущая система многоэтажного здания может быть схематизирована различными расчетными моделями: дискретными, континуальными и дискретно-континуальными. В дискретных моделях сохраняется дискретное расположение связей и вертикальных элементов, заданное в действительной несущей системе, но дискретизация обычно углубляется членением элементов на более мелкие участки (метод конечных элементов, метод сосредоточенных деформаций) или заменой континуума стержневой решеткой. Расчет несущих систем в целом на основе этих моделей требует решения систем алгебраических уравнений весьма высоких порядков, что затрудняет пока применение этих моделей.
Континуальные модели рассматривают здание как сплошную многостенчатую призматическую оболочку с вертикальной или горизонтальной осью. Эти расчетные модели находят применение только при расчете ядер-стволов и объемно-блочных зданий, однако наличие проемов вынуждает прибегать к специальным мерам приведения модели к заданной системе (см. гл. 4).
В дискретно-континуальных моделях сохраняется заданное дискретное расположение вертикальных элементов несущей системы, но сосредоточенные связи заменяются континуальными, т. е. непрерывно распределенными по высоте здания (рис. 3.4,а,б).
Так как обычно несущая система монотонна' по высоте, то расстояние между действительными сосредоточенными связями и жесткости этих связей равны во всех этажах. Следовательно, погонная податливость (жесткость) распределенных связей будет постоянна по высоте здания для каждого вертикального шва (при линейной постановке расчета).
Теоретический анализ и многочисленные эксперименты показывают, что образование трещин в ригелях или перемычках существенно сказывается не только на работе отдельной вертикальной несущей конструкции, но и на сопротивлении несущей системы в целом. Трещины первоначально возникают в наиболее нагруженных перемычках, при этом уменьшаются жесткость перемычек и воспринимаемые ими перерезывающие силы. Это влечет за собой уменьшение нормальных сил в столбах диафрагм1 и возрастание изгибающих моментов и прогибов. Вместе с тем увеличиваются перерезывающие силы в еще не треснувших перемычках, пока и в них не возникнут трещины. Таким образом, с ростом нагрузки происходит перераспределение усилий во всех элементах несущей системы, причем зависимость между этими усилиями и соответствующими им перемещениями нелинейна на значительной части диаграммы работы (Q — б).
Существуют различные варианты математического описания этой зависимости для отдельных элементов несущей системы, в частности для железобетонных перемычек. Эти варианты обычно не вполне согласуются между собой, так как результаты опытов оказываются различными для разных сечений и пролетов перемычек, прочности и деформативности бетона и арматуры, количества и расположения продольной арматуры, насыщения поперечной арматурой, величины распора и степени стеснения деформации перемычки другими конструктивными элементами.
Последний фактор особенно важен. В реальной несущей системе ни одна из перемычек не имеет возможности деформироваться и разрушаться независимо от других. Ее деформации неизбежно стеснены соседними перемычками, перекрытиями и столбами. На рис. 3.29 отчетливо видно, что перемычки над проемами получили значительные повреждения, однако не разрушились, пока длительное накопление их деформаций не привело к- разрушению опорных сечений столбов. В этом эксперименте, выполненном в лаборатории МИСИ им. В. В. Куйбышева, первые трещины появлялись в перемычках 4-го и 5-го этажей, а затем по мере возрастания поперечной нагрузки постепенно возникали трещины в перемычках выше и ниже указанных этажей. Трещины в перемычках образовывались в местах их защемления в столбы ядер и имели направление, нормальное к продольной оси перемычки. При этом перемычки поворачивались в своей плоскости, создавая распор между столбами'.
Применение физически нелинейных расчетов целесообразно для выяснения предельного сопротивления несущей системы, т. е. той нагрузки, при которой система разрушается. Ясно, что такая нагрузка может действовать только однократно и не должна возникать при эксплуатации здания. Знать эту нагрузку нужно: для назначения допускаемой нагрузки, для выяснения действительного запаса, имеющегося в сооружении, по отношению к заданной или ожидаемой эксплуатационной нагрузке либо для суждения о поведении сооружения в экстремальных условиях (взрыв, землетрясение и т. п.).
В стадии эксплуатации железобетонные конструкции обычно работают упруго, хотя и с трещинами в зонах больших изгибающих моментов. Это происходит потому, что нормальные трещины при изгибе возникают и развиваются, когда арматура еще работает упруго, а напряжения в сжатой зоне бетона находятся в пределах начальной части восходящей ветви диаграммы а — е, где эта диаграмма еще практически линейна. В этих условиях, как известно из многочисленных опытов, после 5—6 загружений диаграмма Р — б, связывающая усилия и перемещения, становится стабильно линейной и система работает упруго. Поэтому уже более ста лет благополучно используемый в практике статический расчет железобетонных сооружений в упруголинейной постановке и сейчас не теряет своего значения, а в большинстве случаев остается пока еще единственно возможным для определения усилий в сложных пространственных сооружениях на стадии эксплуатационных загружений.
Пространственные несущие системы, подвергающиеся кручению в плане, могут быть разделены на две плоскопараллельные несущие системы, рассчитываемые независимо, если взаимно перпендикулярные системы диафрагм не имеют между собой связей сдвига и одна из взаимно перпендикулярных систем диафрагм (например, показанная пунктиром на рис. 3.41) целиком располагается в одной плоскости. Второе условие означает, что Кривая центров кручения тоже будет лежать в этой плоскости и потому совпадающая с ней система диафрагм не будет сопротивляться повороту перекрытий. Сопротивление повороту будет оказывать только та система диафрагм, в которой отдельные диафрагмы располагаются в параллельных плоскостях. Это позволяет рассчитывать при кручении обе системы независимо друг от друга. В этих системах горизонтальные перемещения взаимно параллельных вертикальных несущих конструкций (а, Ь, /, /, т на рис. 3.42) в их плоскости взаимозависимы, так как эти конструкции связаны перекрытиями. Если не учитывать, как обычно, податливость перекрытий в своей плоскости, то при симметричных в плане схемах и нагрузках горизонтальные перемещения будут одинаковы, а при несимметричных—связаны линейной зависимостью.
В симметричных в плане несущих системах (рис. 3.43, а) поворот не возникает, если /2^2/1, поэтому Т = 0 и нет необходимости соблюдать второе условие для отнесения данной несущей системы к категории плоскопараллельных. В таких системах горизонтальные перемещения и углы наклона всех вертикальных конструкций одинаковы, что позволяет перейти от пространственной модели к плоской схеме, показанной на рис. 3.43, б, в которой отдельные вертикальные несущие конструкции поставлены не параллельно друг другу, а последовательно и соединены между собой нерастяжимыми шарнирными связями. Эти связи имитируют работу дисков перекрытий, жестких в своей плоскости, но не сопротивляющихся кручению и сдвигам из плоскости. В противоположность им связи сдвига в каждой конструкции жестко связаны с вертикальными элементами и сопротивляются изгибу и сдвигу.
Ядродиафрагмовыми (рис. 4.1) называются пространственные несущие системы, в которых горизонтальные нагрузки воспринимаются совместно ядрами и вертикальными диафрагмами. Совместность работы ядер и диафрагм обеспечивается перекрытиями, сопротивляющимися деформированию в своей плоскости.
При действии горизонтальной нагрузки такие несущие системы не только изгибаются в направлении главных осей, но и поворачиваются вокруг вертикальной оси центров жесткостей на угол 0(л:), изменяющийся по высоте здания. При этом ядра и диафрагмы изгибаются и скручиваются. Общий внешний крутящий момент воспринимается их сопротивлением чистому и изгибному кручению, а внешний изгибающий момент—сопротивлением изгибу.
Для расчета таких несущих систем примем следующие предпосылки:
ядра оказывают сопротивление изгибу и чистому кручению, их собственная секториальная жесткость весьма мала в сравнении с секториальной жесткостью всей системы относительно общего центра изгиба;
колонны и ригели не воспринимают горизонтальную нагрузку («связевый» каркас);
диафрагмы не сопротивляются чистому кручению;
на вертикальные несущие конструкции (ядра и диафрагмы) действуют не рассматриваемые в данном расчете вертикальные нагрузки, поэтому растяжение от ветра в конструкциях не возникает, и модуль деформации как в условно растянутых (только от ветра), так и в сжатых. Для определения полного прогиба от горизонтальной нагрузки надо к прогибу (4.14) добавить прогиб от плоского изгиба.
Эпюры в(х) и М,ог(х) идентичны эпюрам N(x) и Qb(x) (см. рис. 3.49) и отличаются от них только масштабом. Из (4.10) следует, что в заделке любого ядра Mtor(H) = 0, что соответствует эпюре Mtor{Qb), но противоречит физической сущности работы ядра. Это противоречие вызвано тем, что в диафрагме не учтен сдвиг, сопровождающий изгиб. Диафрагмы, деформируясь только от изгиба, имеют в заделке а(#)=0, значит и угол поворота всей системы при х = Н должен быть равен нулю. В то же время отдельное ядро, не связанное перекрытиями с диафрагмами, деформируясь при чистом кручении, имело бы некоторый угол поворота в заделке, где внешний крутящий момент Mt максимален.
Чтобы оценить эту неточность количественно, надо в полученном решении учесть деформации сдвига, сопровождающие изгиб как в ядре, так и диафрагмах. Для несимметричных в плане несущих систем это приводит к усложнению расчета, так как поворот за счет изгиба и за счет сдвига происходит вокруг разных центров. Исследования показали, что для высоких зданий эта погрешность очень мала, потому что максимальные значения Мш (в средней зоне по высоте здания) почти не изменяются. Однако в заделке ядер МшфО, хотя его величина относительно невелика.
