Висячие системы покрытия

Висячие конструкции представляют собой один из наиболее экономичных  видов покрытий, благодаря тому, что материал несущих конструкций  работает исключительно на растяжение и несущая способность конструкций  используется полностью. Основным несущим элементом для висячих покрытий могут служить металлические канаты, тросы или, как обычно их называют, ванты; металлические полосы и целые листы, металлический прокат, синтетические и другие материалы. Основной недостаток свободно провисающих несущих систем — неустойчивость их формы. Для предотвращения этого необходима стабилизация конструкций. Стабилизацию висячих покрытий выполняют по-разному: а) путем при-грузки до достижения общей массы покрытия 1 кН/м2 (100 кГ/м2), 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, схемы которых даны на рис. XII.26:

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 кН/м2, 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 (рис. XII.27).

б) ужесточенными считают  такие висячие системы, жесткость  которых препятствует возникновению  недопустимых кинематических и упругих  деформаций, Сюда относятся в основном висячие предварительно напряженные  оболочки (рис. XII.28, X1I.29), 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. Висячие предварительно напряженные оболочки обычно выполняют  из железобетонных плит, которые навешивают на ванты с помощью крюков, выпущенных из торцов этих плит. Затем плиты  пригружают временными нагрузками, швы  между плитами заполняют бетоном  и после его затвердения временные  нагрузки снимают. При этом ванты, растянутые подпригрузкой, стремясь сжаться, создают  в висячей оболочке предварительное  напряжение. Предварительное напряжение висячих оболочек может быть выполнено  и без пригрузки. Для этого  после замоноличивания швов Ванты, заранее заложенные в специальные  трубки, натягивают домкратами, а трубки после закрепления концов винт заполняют  цементным раствором. 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. При строительстве гаража в Красноярске такое решение нашли, устроив опоры в виде стоек с оттяжками, заанкеренными в грунт. Ограждение в этом случае установили наклонно в плоскости оттяжек. Пространство между наклонным ограждением и стойками было использовано для размещения вспомогательных служб и мастерских (рис. XII.29,а).

В зданиях вокзала в  Чантили, вблизи Вашингтона, и рынка  на Подоле в Киеве были использованы наклонные стойки, уклон которых  примерно совпадал с направлением равнодействующих от распора и вертикальной составляющей реакции (рис. ХН.29,6).

Особое положение в  висячих покрытиях занимают легкие вантовые, предварительно напряженные  конструкции, вес которых обычно значительно меньше 1 кН/м2 и устойчивость которых обеспечивается лишь за счет предварительного напряжения конструкции  покрытия. Такие покрытия выполняются  в двух вариантах: как однопоясные  конструкции (или предварительно напряженные  вантовые сетки) и как двухпоясные (или предварительно напряженные  вантовые фермы)

И в тех и в других конструкциях различаем два вида вант: несущие, которые всегда выгнуты  книзу и предварительно напряженные  — стабилизирующие, которые всегда выгнуты кверху.

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 (рис. XI 1.30). По тому же принципу построены  покрытия над певческими эстрадами  в Таллинне и Вильнюсе.

Особый вид представляют собой сетчатые покрытия, которые  натянуты не на жесткий опорный контур, а на гибкие контурные тросы, именуемые  тросами-подборами, которые опираются  на стойки с оттяжками, а в другом направлении притянуты к анкерам. Комбинируя стойки и анкеры, к которым  крепится вантовая сеть, можно покрыть большую площадь, как это было сделано в павильоне ФРГ на Международной выставке 1967 г. в Монреале (Канада),

Вантовые фермы можно  возводить как на круглом, так  и на прямоугольном плане: они  представляют собой двухпоясные  предварительно напряженные вантовые системы. При круглом варианте в  центре покрытия находится барабан, состоящий из двух растянутых металлических  колец, верхнего и нижнего, соединенных  между собой стойками или металлической стенкой. К нижнему кольцу крепятся несущие ванты, к верхнему — стабилизирующие, предварительно напряженные; между вантами устанавливаются распорки, а сами ванты с наружной стороны покрытия закрепляются в контурное сжатое кольцо, выполняемое обычно из железобетона. Такое вантовое покрытие получило название велосипедное колесом (рис. ХII.31).

В дальнейшем этот вид покрытия получил некоторое усовершенствование: покрытие над спортзалом Юбилейный  в Ленинграде имеет несущие и  стабилизирующие ванты, которые  пересекаются в пролете (рис. XII.31,б). Это позволило уменьшить высоту покрытия почти в два раза по сравнению  с системами с непересекающимися  вантами, без уменьшения стрел провисания несущих и стабилизирующих вант.

Струнные конструкции  состоят из вант, сильно натянутых  на массивные торцевые опоры и  покрытых легкими металлическими листами  кровли. Для уменьшения прогиба струны на всем протяжении между торцевыми  опорами подперты рамами, установленными с шагом до 12 м. При такой конструкции  прогибы покрытия не превышают 1/50…1/100 шага промежуточных опор. Такая конструкция  используется для покрытия складов  и длинных вокзальных перронов (рис. XII.31,г).

Мембранные покрытия, состоящие  из свободно провисающих или предварительно натянутых металлических листов, имеют то преимущество перед вантовыми  конструкциями, что мембраны являются одновременно и несущей, и ограждающей  конструкцией. В то же время к  недостаткам мембранных покрытий следует  отнести больший расход металла, чем в вантовых конструкциях.

В Советском Союзе мембранные покрытия применены на нескольких олимпийских  объектах в Москве. Так, ими покрыт главный крытый Олимпийский стадион  на проспекте Мира. Здесь мембранное покрытие использовано совместно с  провисающими фермами, расположенными радиально над овальным контуром стадиона. Они предназначены для  монтажа мембран  и придания   жесткости покрытию.

 

Наружным концом фермы  крепятся к внешнему железобетонному  контуру, а внутренним — к центральной  металлической платформе с растянутым овальным контуром. Над верхними поясами  ферм натянута металлическая мембрана — несущий элемент кровли.

Другой принцип стабилизации мембраны применен в универсальном  спортзале в Измайлове. Металлический  лист закреплен в прямоугольном (в плане) опорном контуре (рис. XII.32,а). Отвод воды с этой провисающей мембраны осуществляется за счет высоких отметок диагональных металлических лент, т. е. меньшей стрелы провисания этих лент, на которые опирается мембрана. Такая свободно провисающая мембрана пригружена утеплителем и гидроизоляционным ковром, вес которых обеспечивают ее устойчивость при воздействии ветра. Третий тип мембранного покрытия смонтирован над велотреком в Крылатском. Оно состоит из двух мембран двоякой кривизны, натянутых на пересекающиеся металлические арки. Внутренние арки связаны между собой металлическими фермами, пространство между которыми служит для освещения велотрека дневным светом (рис. ХН.32,6).

Помимо металла висячие  конструкции могут быть выполнены  и из дерева, что особенно важно  для районов, богатых лесом. Пример такого решения приведен на рис. XII.32, в. Покрытие состоит из провисающих  деревянных ребер, один конец которых  шарнирно прикреплен к деревянной арке, расположенной над серединой  зала, а другой конец опирается  на криволинейный опорный контур, тоже из дерева. На ребра уложены  доски, которые вместе с утеплителем  и гидроизоляционным ковром образуют кровлю над спортзалом.

Важным элементом висячих  покрытий является опорный контур. Обычно опорный контур имеет прямоугольное  сечение и изготовляется из железобетона, как монолитного, так и сборного. При круглом и овальном планах контура его ширину принимают  от 1/40 до 1/60 пролета, а высоту — от 1/2 до 1/4 ширины. Ширина прямолинейного опорного контура принимается от 1/8 до 1/15 расстояния между опорами, а  высота — от 1/1,5 до 1/3 ширины. Указанные  величины могут быть приняты как  предварительные и уточнены расчетами. Опорный контур служит для крепления  висячего покрытия, передающего на него растягивающие усилия. Провисающие  фермы обычно крепятся к нему на шарнирах. Мембраны могут привариваться  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.

При устройстве натяжных устройств, позволяющих подтягивать ванты, придавая им требуемое напряжение, применяют несколько способов: закрепление  вант в шарнирах и натяжение с  помощью муфт; пропуск вант через  опорный контур и упор в него снаружи  с помощью натяжных гаек и т. п.

 

 

Крепление покрытия к вантам выполняется несколькими способами  в зависимости от вида покрытия. Если покрытие светопрозрачное и  состоит из синтетических листов, армированных проволокой, то крепление  их выполняется обычными проволочными скрутками. При этом, чтобы предотвратить  протекание через проделанные для  скруток отверстия, сверху наклеивается еще один слой неармированного синтетического листа (рис. ХП.ЗЗ). Если в покрытии применен стальной или алюминиевый лист гофрированный, с утеплителем или без него, крепление выполняется с помощью стержней, приваренных к листу. При закругленных гофрах крепление может быть осуществлено крюками, пропущенными через верхнюю волну гофры, над которой устанавливается гайка с резиновой шайбой, закрывающей отверстие. Покрытие из трехслойных утепленных панелей крепится на прокладке из гетинакса, закрепляемой на пластинках, одновременно скрепляющих и пересечение вант. При этом верхние пластины панелей могут свариваться. Покрытие типа висячей оболочки монтируют на крюках, на которых сборные железобетонные плиты подвешивают к несущим тросам. В швах между панелями, в которых несущих тросов нет, панели соединяют с помощью выпущенной из бетона арматуры, которую сваривают.

 

Панели временно пригружаются, и швы между ними замоноличиваются. После затвердения бетона в швах временная нагрузка снимается и  тросы, растянутые под временной  нагрузкой, стремясь сжаться, обжимают железобетонное висячее   покрытие, превращая его в предварительную  напряженную висячую оболочку. Важным конструктивным моментом у всех висячих покрытий является восприятие распора. В конструкциях с круглым или овальным в плане контуром распор полностью в нем погашается; контур в основном работает на сжатие и лишь при отдельных неравномерных положениях нагрузки воспринимает также и некоторые изгибающие моменты. Такая конструкция висячего покрытия внешне без распорная, т. е. вертикальные опоры воспринимают вертикальные усилия. Иначе обстоит дело с прямолинейным контуром. Опоры здесь воспринимают от покрытия как вертикальные нагрузки, так и распор, передавая равнодействующую от этих усилий на фундамент. В этих случаях часто опорам придают наклонную форму, с тем чтобы равнодействующая проходила возможно ближе к оси опоры при разных положениях нагрузки на покрытии (рис. XII.34,а, ж).

Большие значения распора  при горизонтальной подошве фундамента могут вызвать сдвижку фундамента вдоль плоскости подошвы; чтобы  этого не произошло, иногда приходится давать соответствующий уклон подошве  фундамента. В тех случаях, когда  проект сооружения позволяет соединить  противолежащие фундаменты железобетонными  ребрами или распорками, горизонтальные усилия в фундаментах могут быть ими погашены.

 

 На рис. XII.34,е приводится  пример рационального погашения  распора от покрытия в здании  с закругленными торцами, представляющими  собой вертикально поставленные  своды. В местах перехода этих  сводов — криволинейной стены  в прямолинейную — они стянуты  затяжками, погашающими в сводах  распор, поэтому горизонтальные  усилия от висячего покрытия  передаются на стены и на  фундамент и погашаются в нем  встречными направлениями этих  усилий, вследствие чего весь  ленточный фундамент под наружными  стенами сооружения работает  как обычный, безраспорный.

Подвешенные конструкции  — это жесткие несущие конструкции, подвешенные на вантах, находящихся  над ними. Различают три основных вида подвешенных покрытий: мачтовые, башенные и мостовые (рис. XI 1.35). Стабилизация мачтовых покрытий, представляющих обычно металлический каркас с легким заполнением, выполняется с помощью оттяжек, заанкеренных в грунт. Стабилизация башенных подвешенных покрытий обычно обеспечивается массой самого покрытия, подвешенного к достаточно массивной башне. Жесткое железобетонное мостовое покрытие поддерживается подвесками, закрепленными к вантам по аналогии с несущими вантами висячих мостов. Такая конструкция требует устройства мощных опорных устоев, сильно удорожающих конструкцию в целом, и очень веского технологического обоснования,