ВИСЯЧИЕ СИСТЕМЫ ПОКРЫТИЙ Основные понятия нить

ВИСЯЧИЕ СИСТЕМЫ ПОКРЫТИЙ

Основные понятия • нить - гибкий провисающий стержень, работающий на растяжение и несущий поперечную нагрузку в пролете; • гибкая нить - нить с нулевой изгибной жесткостью, работающая только на растяжение; • жесткая нить - нить конечной изгибной жесткости, работающая в основном на растяжение, но способная воспринимать относительно небольшие изгибающие моменты; • струна - гибкий практически непровисающий стержень, работающий на растяжение и несущий поперечную нагрузку; • ванта - прямолинейный или провисающий стержень, работающий на растяжение, не несущий поперечной нагрузки в пролете; • канат - гибкий стержень из тонких стальных проволок, объединенных в систему путем свивки, прошивки, склеиванием и другими способами; • трос - разновидность каната, в котором проволоки свиты в пряди, а пряди - в канат.

• Висячими называются покрытия, в которых основные элементы несущей конструкции работают на растяжение. В большинстве висячих покрытий в качестве основного несущего элемента применяют стальной канат — трос свитый из высокопрочной проволоки с временным сопротивлением разрыву 1200— 1800 МПа и более. В случае использования канатов-тросов или арматурных стержней систему называют висячей с гибкими вантами. Если ванта выполнена из жестких стержней, например гнутых двутавров или ферм, то такую систему называют висячей с жесткими вантами или изгибно-жесткими элементами. • Висячие покрытия могут быть также в виде металлической или железобетонной предварительно напряженной оболочки. Металлические оболочки из листовой стали и алюминия называются мембранными конструкциями.

Идея применения гибкой нити для покрытий зданий впервые была предложена В. Г. Шуховым, которым в 1896 г. были запроектированы и построены четыре павильона на Всемирной выставке в Нижнем Новгороде рекордных по тому времени размеров — 30 X 70; 50 Х 100 м и диаметром 68 м

Ротонда Шухова — уникальный круглый стальной павильон-ротонда, построенный инженером В. Г. Шуховым для Всероссийско й промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде.

Редкое по конструкции сооружение диаметром 68 метров имело крышу в виде сильно натянутого висячего кольцеобразного в плане сетчатого перекрытия-оболочки со стальной висячей мембраной диаметром 25 метров в центральной части. Это была первая в мире мембранная конструкция перекрытий зданий. Красивая комбинация двух перекрытий-оболочек наглядно демонстрировала возможности использования стали в архитектуре. • Поверх стального каркаса наружной цилиндрической стены ротонды Шухова было закреплено мощное несущее клёпаное стальное кольцо диаметром 68 метров. В центральной части ротонды располагалось второе несущее кольцо диаметром 25 метров, установленное на 16 решетчатых лёгких стальных колоннах. Между кольцами крепилась висячая крыша из пересекающихся в виде ромбовидной сетки несущих стальных полос сечением 50 х5 мм, покрытых тонкой жестью. Поверх стальной сетки равномерно располагались большие шестиугольные рамы со стёклами для верхнего света. В центре ротонды Шухова к 25 метровому кольцевому основанию крепилось первое в мире стальное мембранное перекрытие-оболочка, в виде вогнутого шарообразного купола из листового железа толщиной 2 миллиметра. Дождевая вода из вогнутой мембраны отводилась тонкими трубами, идущими от центра до колонн и далее в колоннах. •

Второе рождение висячие конструкции получили в 1953 г. после возведения в США Рэлей-арены — седловидного сетчатого покрытия из тросов размером 92 x 97 м.

В сетчатом предварительно напряженном покрытии в г. Ралей (США) в качестве опорного контура покрытия были использованы две пересекающиеся наклонные арки, которые сами поддерживались натянутой сеткой, а стабилизировались оттяжками— стойками, заанкеренными в землю. Распор в этой конструкции воспринимался арками и передавался на арочные опоры.

С этого времени началось широкое применение висячих конструкций в зданиях и сооружениях различного назначения: спортивных и выставочных сооружениях, крытых рынках и универсальных залах, крупных гаражах, ангарах, а также в универсальных зданиях промышленного назначения.

Однопоясные системы (рис. 1, а), представляющие собой параллельно или радиально расположенные нити, по которым уложены ограждающие конструкции. Последние должны быть достаточно тяжелыми для того, чтобы доли локальной снеговой и ветровой нагрузки были малы по сравнению с постоянной нагрузкой и не сильно влияли на кинематические перемещения. Обычно это железобетонные плиты. Для дополнительной стабилизации плиты до замоноличивания швов могут быть пригружены временной монтажной нагрузкой, которая после набора бетоном прочности снимается. Это позволяет превратить систему в предварительно сжатую железобетонную оболочку. Аналогичный результат можно получить при использовании для замоноличивания швов расширяющегося цемента. Другим вариантом стабилизации покрытий на основе однопоясных систем является применение нитей конечной жесткости, выполненных из прокатных профилей в виде сплошностенчатых либо сквозных конструкций.

Однопоясные системы с радиальными нитями Системы с радиальными нитями применяют в зданиях круглых, реже эллиптических в плане. Для крепления нитей предусматривают наружное и внутреннее опорные кольца. По нитям, расположенным по радиусам на одинаковых расстояниях, укладывают трапециевидные железобетонные плиты, в дальнейшем замоноличиваемые. Расстояния между нитями по периметру покрытия определяют на основе вариантного проектирования и принимают его кратным шагу колонн, поддерживающих покрытие. По конструктивной форме покрытия с радиальными нитями делят на вогнутые (рис. 2, а), шатровые (рис. 2, б) и спиральные (рис. 2, в, г).

Рис. 2 Схемы радиальных покрытий а) вогнутое; б) шатровое; в, г) спиральное; д) без центрального кольца

• В двухпоясных системах висячих покрытий (рис. 1, б) стабилизацию осуществляют путем введения дополнительной нити, которая через подвески (распорки) или решетку догружает несущую нить. • В перекрестных системах висячих покрытий двоякой кривизны (рис. 1, в) стабилизирующие нити располагают перпендикулярно или под углом к несущим. Форму поверхности перекрестных систем обычно принимают в виде гиперболического параболоида (гипара). • Мембранные покрытия не содержат в своем составе канатов, их выполняют из листовой стали, сочетающей несущие и ограждающие функции. • Конструкции комбинированных вантовых покрытий (рис. 1, г) весьма разнообразны. Их характерной особенностью является наличие жесткой конструкции, поддерживаемой вантами.

• Преимуществами висячих покрытий являются: полное использование несущей способности высокопрочных сталей и как следствие малый собственный вес и сравнительно низкая стоимость несущих конструкций (увеличение прочности стали опережает рост ее стоимости); разнообразие форм и архитектурная выразительность зданий; транспортабельность элементов висячих покрытий (тросов в бухтах, металлических оболочек - в рулонах); удобство монтажа (почти без лесов и подмостей, без кранов большой грузоподъемности); высокая сейсмостойкость. • К недостаткам висячих покрытий относятся: повышенная деформативность; необходимость устройства дополнительных конструкций для восприятия распора; относительная трудность водоотвода.

Конструкции с весьма малой массой способны перекрывать пролеты 40— 300 м, а в мостовых конструкциях до 1000 м и более. С увеличением пролета эффективность висячих конструкций увеличивается.

Основной недостаток свободно провисающих несущих систем — неустойчивость их формы. Для предотвращения этого необходима стабилизация конструкций. Стабилизацию висячих покрытий выполняют по-разному: а) путем пригрузки до достижения общей массы покрытия 1 к. Н/м 2 (100 к. Г/м 2), которую ветер не может вывернуть; б) путем «ужесточения» конструкции — приданием жесткости ее форме; в) посредством предварительного напряжения несущих тросов стабилизирующими тросами.

В связи с этим и различают следующие виды висячих покрытий: • а) пригруженные, у которых на свободно подвешенные ванты укладываются металлические или железобетонные балки, поверх которых кладут железобетонные плиты и элементы покрытия. Плиты могут быть уложены и непосредственно на ванты. Кроме того, любая висячая конструкция, вес которой превышает 1 к. Н/м 2, может тоже считаться пригруженной. К такой, например, можно отнести первые висячие покрытия, построенные по проекту В. Г. Шухова и состоящие из тяжелых металлических лент, покрытых сверху железными листами. • б) "ужесточенными" считают такие висячие системы, жесткость которых препятствует возникновению недопустимых кинематических и упругих деформаций. Сюда относятся в основном висячие предварительно напряженные оболочки, а также провисающие балки и фермы, очертание которых заранее согласовано с очертанием провисающей, свободно подвешенной нити. Висячие оболочки применяют круглой, овальной и прямоугольной форм в плане.

Круглые в плане висячие оболочки, как и другие висячие покрытия круглого плана, имеют то преимущество, что распор от покрытия погашается в круглом опорном контуре превращая конструкцию во внешне безраспорную. Это упрощает устройство опорных стоек или стен и фундаментов под ними. В то же время при чашеобразном покрытии водоотводные трубы подвешиваются в помещении под ним, что не украшает интерьер. • В висячей оболочке на круглом плане можно достичь уклона к периметру при наличии центральной опоры, возвышающейся над наружным опорным кольцом. В висячих оболочках над зданиями прямоугольного плана не встречается затруднений с отводом воды, которая при небольших уклонах кровли свободно стекает к торцам здания. В таких оболочках другие сложности —в каждом отдельном случае приходится находить особое, наиболее удобное решение для восприятия и передачи в грунт распора, возникающего в оболочке •

Мембранные покрытия, состоящие из свободно провисающих или предварительно натянутых металлических листов имеют то преимущество, что мембраны являются одновременно и несущей, и ограждающей конструкцией. В то же время к недостаткам мембранных покрытий следует отнести большой расход металла.

Схема мембранного покрытия: 1 - соединительная железобетонная арка; 2 - основные железобетонные арки; 3 - стабилизирующие тросы; 4 - несущие ванты из листовой стали.

Важным элементом висячих покрытий является опорный контур Обычно опорный контур имеет прямоугольное сечение и изготовляется из железобетона, как монолитного, так и сборного. Опорный контур служит для крепления висячего покрытия, передающего на него растягивающие усилия. Провисающие фермы обычно крепятся к нему на шарнирах. Мембраны могут приваться к стержням, которые затем крепятся к контуру подобно вантам. Крепление вант может быть выполнено «намертво» , т. е. без регулирования натяжения, или с возможностью такого регулирования.

Седловидные висячие покрытия просты и Это особенно проявляется в покрытиях для летних сооружений с гибким пространственным контуром в виде тросовподборов, закрепленных на разных отметках и выполненных из легких материалов. В таких системах четко прослеживается равновесие действующих в элементах покрытия усилий, их распределение и передача на основание.

Покрытия с растянутым контуром менее материалоемки и применяются в основном в тентовых покрытиях. Одним из путей стабилизации растянутого контура является его решение в виде предварительно напряженной пространственной тросовой фермы. Это решение впервые предложено для покрытия типа «облако» в проекте летнего кинотеатра па 500 мест, а затем применено в проекте покрытия киноконцертного зала на 1200 мест в Киеве.

К комбинированным системам относят покрытия, состоящие из растянутых вант или нитей и сжато-изогнутых балок, ферм или других жестких элементов. Достоинством таких конструкций является их значительная жесткость, препятствующая появлению местного прогиба при неравномерной нагрузке, поэтому комбинированные системы находят широкое применение в большепролетных покрытиях промышленных зданий с подвесными кранами грузоподъемностью до 20 т. К недостаткам подвесных конструкций относят: наличие открытых тросов над кровлей, подверженных коррозии под воздействием атмосферных факторов (температуры и влажности); сравнительная трудоемкость изготовления вантовых конструкций и сложность регулирования предварительного натяжения вант при монтаже. Для предохранения от коррозии требуются постоянный контроль и окраска открытых частей и узлов. • Наиболее распространены плоские внешне безраспорные комбинированные системы, где в качестве жесткой конструкции применяют плоские балки или фермы. Прогибы комбинированных систем возникают главным образом, вследствие упругих деформаций криволинейных нитей или прямолинейных вант. При уменьшении пологости деформативность их увеличивается, и вся система получает значительные прогибы, поэтому минимальные углы наклона вант проектируют не менее 30°. •

Комбинированными конструкциями могут перекрываться пролеты до 200 м в зданиях прямоугольного и квадратного плана. В последнее время в качестве подвесных конструкций все шире внедряют перекрестно-стержневые плиты. В проектировании расчет комбинированных конструкций ведут методами строительной механики статически неопределимых систем. Предельные прогибы системы проверяют на стадии монтажа и принимают не более 1/зоо— 1/5 oo пролета.