При сравнении жесткой железобетонной рамы с конструкциями, отвечающими тем же конструктивным требованиям, но выполненными в стали или дереве, на выбор должно оказывать влияние (если не решать его) назначение здания. Немаловажное значение имеет защита дерева или стали от огня или от агрессивных газов.
Такая форма рам нашла применение по всей территории США в зданиях аудиторий, гимнастических залов, ангаров, рынков, заводов и цейхгаузов. Настил покрытия может быть забетонирован на месте или смонтирован из сборных бетонных плит в зависимости от сравнительной стоимости этих вариантов. В некоторых случаях, как, например, при постройке группы из 13 цейхгаузов в штате Иллинойс в качестве настила крыши применена деревоплита.
Экономически выгодный пролет рамы составляет от 18 до 30 м. Хотя имеется много жестких рам с пролетами, значительно превышающими эти пределы, собственный вес бетона влечет обычно значительное удорожание системы таких размеров по сравнению с системами меньшего веса.
Это положение привело к применению пустотелых конструкций, как например конструкция ангаров национальной гвардии в г. Де-Мойн (штат Айова) пролетом 43 м. В связи с высокой стоимостью опалубочных работ такие конструкции при устройстве их монолитными обычно экономически невыгодны. Тем не менее для сборных рам конструкции полого сечения имеют определенную ценность, что подтверждается на примере трех складских зданий с такими рамами площадью каждое 60X480 м, построенных для военно-морского флота в штате Иллинойс в 1953 г. Трехпрлетные неразрезные рамы перекрывают сторону длиной 60 м; они расположены с расстоянием между ними в осях 6,86 м и поддерживают крышу из сборных железобетонных плит, покрытых водонепроницаемым слоем.
Эти рамы были забетонированы на бетонном полу здания и установлены на место путем подъема с поворотом вокруг нижних опор.
После того, как рамы были установлены, выпущенные из стоек штыри были приварены к затяжкам, расположенным в плите пола. Затяжки подтянутые стяжными муфтами, воспринимают распор на уровне низа стоек. Стеновые панели размером приблизительно 3,5×5,5 м были также устроены сборными. После установки на место стеновых панелей они были соединены между собою путем сварки закладных деталей, а швы между стеной и рамами были заделаны раствором. Прогоны обрешетки сечением 150X300 мм и пролетом 6 м, опирающиеся на рамы, были также устроены сборными; им была придана затем неразрывность путем сварки стержней верхней арматуры и заделки стыков раствором. Крыша на этом здании была устроена из сборных железобетонных плит, размером приблизительно 2,3X2,6 м. После заделки асфальтом швов между плитами крыши она была покрыта мягкой кровлей в четыре слоя. Другой тип конструкций большого пролета — трехшарнирная арка, примененная в ангарах на авиационной базе военно-морского флота США в Видбей-Айленд (штат Вашингтон).
В дополнение к указанным выше конструкциям, широкое распространение для перекрытий общественных зданий приобрели предварительно напряженные элементы. В течение многих лет в Европе применялись как однопролетные, так и неразрезные балки такого типа. Как выдающийся пример применения таких балок при постройке зданий можно привести проект 10-этажного здания лаборатории в Мюнхене, составленный бельгийским профессором Маньелем. В этом сооружении балки подвергаются предварительному напряжению после затвердения бетона путем напряжения арматурных пучков, заложенных в опалубку в гибких стальных трубках. Концы арматуры заанкерены в несущих колоннах, обеспечивая неразность в местах соединения балок с колоннами. Балки шириной 38 см и высотой 61 см уложены с расстоянием между осями около 4,3 м и перекрывают пролет длиной 15,8 м, при расчетной нагрузке 590 кг/м2.
До настоящего времени стоимость рабочей силы в США была столь высока, что эти конструкции не могли конкурировать с обычными, однако они имеют многообещающие перспективы в будущем.
Основные экономические преимущества сводов-оболочек или тонкостенных куполов заключаются в значительной экономии материалов по сравнению с другими конструктивными формами такого же пролета. Такая экономия возможна благодаря пространственной работе изогнутой оболочки. В связи с более низкой стоимостью рабочей силы в Западной Европе и пропорционально большей стоимостью материалов, европейские инженеры первые разработали эти конструкции.
Первая конструкция в виде тонкостенной оболочки была построена в США для международной выставки в Чикаго в 1933 г., однако прошло почти десять лет, пока были установлены окончательные типы таких конструкций, основанные на существующем в США соотношении стоимости рабочей силы и материалов и на напряжениях, проверенных путем замеров при помощи тензометров. Ангары военно-морской авиации в Сан-Диего, перекрытые оболочками пролетом 91 м, были построены в 1941 г.; в течение 1947 и 1948 гг. были сооружены два ангара, один в г. Рапид-Сити, а другой в Лаймстоне, пролетом в свету 103,6 м и высотой в центре 27,4 м.
Эти две бетонные оболочки, самые крупные из когда-либо построенных оболочек этого типа, одинаковы за исключением поддерживающих их конструкций. По грунтовым условиям ангар в Рапид-Сити основан на сваях и имеет затяжки, связывающие опоры арок.
Поскольку сооружение в Лайм стоне основано на скале, затяжки в нем не потребовались. Ребра сводов, расположенные с расстоянием в осях 7,5 м, имеют высоту сечения от 1,5 м до 2,1 м и ширину 0,6 м. Оболочка имеет форму обратной цепной линии; толщина оболочки составляет 18 см у линии пят и 12,5 см в замке. С целью упростить устройство опалубки и облегчить перемещение ее по мере бетонирования оболочки, секция за секцией, ребра устроены с наружной стороны крыши; в результате этого достигнута гладкая, без всяких выступов, внутренняя поверхность покрытия. Температурные швы расположены через каждые 15 м. Швы в третях здания по длине проходят книзу через устои до пола ангара. Промежуточные швы доведены только до верха устоев.
При устройстве ангаров монолитные оболочки и конструкции со стальными несущими арками часто конкурируют между собой. Если учитывать только начальную стоимость и не принимать во внимание более высокую огнестойкость бетонных конструкций, а также более низкую стоимость их эксплуатации, стальные конструкции обычно оказываются более дешевыми. Если же должно быть построено несколько ангаров, один за другим, и опалубка может быть повторно использована, то более дешевыми, вероятно, оказались бы монолитные своды-оболочки. Одна из фирм, запроектировавшая около 95% всех подобных сооружений, построенных в США, выполнила проекты ангаров для междунаррдного аэропорта в Идлвильде пролетом 91 м как в стали, так и в бетоне. Для строительства были приняты стальные конструкции, стоимость которых оказалась на 2,5% меньше стоимости железобетонных конструкций.
Монолитные бетонные своды-оболочки были применены при строительстве многих крупных крытых стадионов.
Стадион в Квебеке, законченный строительством в 1949 г., имеет пролет в свету 73 м. Ребра-арки покрытия высотой 1,2 м и шириной 0,6м расположены с расстоянием в осях 9 м и поддерживаются А-образными рамами высотой 12 м от поверхности земли. Тонкостенная оболочка имеет толщину от 100 до 150 мм.
Здание в г. Денвере, законченное в 1952 г., имеет пролет в свету 77,1 м, арочные ребр, а покрытия имеют высоту 1,36 м и ширину 0,51 м. Толщина оболочки изменяется от 100 м в замке до 150 мм у пят. Температурные швы расположены с расстоянием между ними 34,2 м.
Конструкции с тонкостенными оболочками могут быть как шарнирными, так и бесшарнирными. Назначением шарниров является придание сооружению статической определимости. Это может быть целесообразно с точки зрения производства строительных работ или в тех случаях, когда может иметь место осадка фундаментов. Стадионы в Квебеке и в Денвере были устроены без шарниров; некоторые монолитные железобетонные оболочки устроены двухшарнирными.
Распор тонкостенных сводов-оболочек должен быть воспринят специальными устройствами. В квебекском стадионе это было достигнуто путем применения набивных бетонных свай, оказывающих необходимое сопротивление боковым усилиям, а в здании, построенном в Денвере, эту функцию выполняют массивные фундаменты арок; в некоторых случаях для этой цели применяются затяжки. Монолитные оболочки получили широкое распространение в зданиях различного назначения, как заводы, рынки и станции очистки сточных вод. Свод-оболочка или тонкостенный купол, представляющий собой тонкую железобетонную изогнутую плиту, может поддерживаться стальной или железобетонной несущей конструкцией или каменными стенами. С точки зрения простоты изготовления следует отдавать предпочтение оболочкам, изогнутым в одном направлении. Оригинальную композицию представляют собой своды-оболочки пролетом 36,5 м, образующие крышу вокзала в аэропорту Сен-Луи.
Стоимость подмостей, поддерживающих опалубку, для конструкций такого типа составляет значительную часть общей стоимости сооружения. Поэтому такие конструкции малой площади сравнительно более дороги, чем конструкции большой протяженности, позволяющие повторно использовать опалубку; это в особенности относится к покрытиям большой высоты. Установить какие-либо правила для минимальной и максимальной стрелы подъема тонкостенных покрытий-оболочек, наиболее выгодной с конструктивной точки зрения, не представляется возможным. Несомненно, однако, что максимальный уклон как сводов, так и куполов не должен превышать 45° во избежание устройства двойной опалубки. Исключение составляют те случаи, когда бетон укладывается пневматическим способом, как это было сделано при строительстве планетария Хай ден в Нью-Йорке.
Для обеих этих конструкций минимальный экономически целесообразный пролет равен приблизительно 9 м, а максимальный — приблизительно 18 м. Эта конструкция отвечает любым нормальным требованиям в отношении огнестойкости и является предпочтительной по сравнению со многими другими железобетонными конструкциями, благодаря равномерному распределению в ней арматуры малого диаметра по всей оболочке. Она может быть использована также для устройства шедовых покрытий. Для обеспечения необходимой жесткости, во избежание выпучивания покрытия, можно применять тонкостенные оболочки значительной кривизны. Повышенная жесткость в особенности необходима с увеличением пролета оболочек, а также в случаях, когда они должны нести специальные нагрузки. Необходимая жесткость сравнительно плоских покрытий с большим радиусом кривизны достигается либо путем утолщения оболочки, либо путем устройства дополнительных ребер жесткости. Выбор между этими двумя вариантами зависит прежде всего от того, какой из них предпочтителен с архитектурной точки зрения и с точки зрения сравнительной стоимости.
Одноэтажное здание мастерских, построенное в Райт-Фильд, служит примером применения оболочек в производственных зданиях. Это здание шириной 110 ж и длиной 128 м перекрыто девятью железобетонными цилиндрическими сводами-оболочками, пролетом 12,2 м и толщиной от 88 до 152 мм. Оводы-оболочки опираются на колонны, расположенные с расстоянием между ними в продольном направлении 17 м. Фонари верхнего света забетонированы вместе со сводами-оболочками и остеклены матовым стеклом. Вид этого здания в период строительства и форма оболочек, наружная отделка здания, подчеркивающая форму сводов-оболочек. После сооружения этих мастерских был построен ангар с использованием тех же опалубки и подмостей; однако в этом случае шаг колонн в продольном направлении был увеличен с тем, чтобы обеспечить пролет в свету 36,6 м, а цилиндрические оводы-оболочки поддерживались бортовыми элементами увеличенной высоты, перекрывающими этот пролет.
Монолитные тонкостенные купола. В качестве примера приведем купол над зданием планетария. Он представляет собой оболочку двоякой кривизны; диаметр его равен 24,7 м, толщина оболочки — 76 мм сохраняется одинаковой до уровня на 2,7 м выше пят. Нижняя часть здания выполнена со стальным каркасом и имеет в плане форму восьмигранника.
Наиболее экономичным способом придания водонепроницаемости бетону на криволинейных поверхностях можно считать покрытие его рулонными или другими битуминозными кровельными материалами. Оставление бетонных оболочек без покрытия с применением только цементной покраски или нанесением водонепроницаемого состава не рекомендуется. Этот способ может быть успешным лишь в более теплом климате, но вряд ли может обеспечить водонепроницаемость бетонного покрытия в местностях, где температура опускается ниже нуля. В монументальных зданиях и, в частности, в зданиях с купольным покрытием в отдельных случаях была применена кровля из листовой меди или из черепицы. Купол планетария Хайден был покрыт минеральной пробкой слоем 38 мм и поверх нее слоем гвоздимого бетона толщиной тоже 38 мм, по которому была устроена кровля из меди. Крыша вокзала в Сен-Луи после устройства на ней водонепроницаемого ковра была также покрыта медью по деревянным рейкам.
Спортивный зал в г. Рэлей (штат Северная Каролина) включает как железобетонные, так и стальные конструкции с подвесной крышей. Железобетонные арки поддерживают стальные тросы, несущие покрытие из стальных плит с жесткой теплоизоляцией и мягкой кровлей. Вертикальные элементы конструкции стены, выполнены из стали двутаврового профиля и поддерживают горизонтальные элементы, служащие для крепления стальных оконных переплетов. Эта конструкция является несущей для стены. Нижний железобетонный элемент в виде искривленной ленты на наружной стене является верхней бортовой балкой внутренней конструкции, поддерживающей трибуны. В этом здании имеется 5 400 постоянных мест для сидения и, кроме того, могут быть установлены дополнительно 4 000 переносных стульев.