Материал: Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий

Узлы и соединительные стержни формируют пространство, заключенное между ними (зону). зоны могут быть в виде тетраэдра, гексаэдра (куба) октаэдра, додекаэдра, и т.д. форма зоны может обеспечивать или не обеспечивать жесткость стержневой системы, так например, тетраэдр, октаэдр и икосаэдр являются жесткими зонами. Проблема устойчивости для однослойных сетчатых оболочек связана с возможностью так называемого "прощелкивания" их подобно тонкостенным оболочкам (рис. 26).

Рис. 26 Стержневые конструкции из металла

Рис. 27

Угол α может быть значительно меньше ста градусов. Само прощелкивание не приводит к обрушению всей сетчатой конструкции, конструкция в этом случае приобретает другую устойчивую равновесную конструкцию.

Узловые соединения, применяемые в стержневых конструкциях, зависят от конструкции стержневой системы. так, в однослойных сетчатых оболочках должны применяться узловые соединения с жестким защемлением стержней в направлении нормальном к поверхности, чтобы избежать "прощелкивание" узлов, а в структурных плитах, как и вообще в многопоясных системах, жесткого соединения стержней в узлах не требуется. конструкция узлового соединения зависит от пространственного расположения стержней и возможностей завода-изготовителя.

− система "меко" (соединение на резьбе с помощью фасонного элемента - шара), получила широкое распространение благодаря простоте изготовления и монтажа (рис. 28, в);

− система "спейс-дек" из пирамидальных, сборных элементов, которые в плоскости верхнего пояса соединяются между собой на болтах, а в плоскости нижнего пояса связываются растяжками (рис. 28, а);

− соединение стержней на сварке с помощью кольцевых или шаровых фасонных деталей (рис. 28, б);

− соединение стержней с помощью гнутых фасонок на болтах и др. (рис. 28, г); стержневые (структурные) плиты имеют следующие основные геометрические схемы:

− двухпоясная структура с двумя семействами поясных стержней;

− двухпоясная структура с тремя семействами поясных стержней;

− двухпоясная структура с четырьмя семействами поясных стержней.

Первая структура - простейшая и чаще всего применяемая в настоящее время конструкция. Она характеризуется простотой узловых соединений (в одном узле сходятся не более девяти стержней), удобна для перекрытий помещений, прямоугольных в плане. Конструктивная высота структурной плиты принитается равной 1/20 … 1/25 пролета. при обычных пролетах до 24 м высота плиты равна 0,96 … 1,2 м. если конструкция выполняется из стержней одинаковой длины, эта длина равна 1,35 … 1,7 м. ячейки структурной плиты при таких размерах могут быть перекрыты обычными кровельными элементами (холодными или утепленными) без дополнительных прогонов или обрешетки. при значительных пролетах плиты необходимо устройство прогонов под кровлю, так как при пролете 48 м высота плиты составит около 1,9 м, а длина стержней около 2,7 м. Примеры применения в строительстве структурных плит приведены на рис. 29. Сетчатые цилиндрические оболочки выполняются в виде стержневых сеток с одинаковыми ячейками (рис. 27). Простейшая сетчатая цилиндрическая оболочка образуется изгибом плоской треугольной сетки. но цилиндрическая сетчатая оболочка может быть легко получена и при ромбической форме сетки. В этих оболочках узлы располагаются на поверхности различного радиуса, что подобно двойной кривизне, повышает несущую способность оболочки. Этого эффекта можно добиться и в треугольной стержневой сетке.

Рис. 28 Некоторые виды узловых соединений в стержневых конструкциях

Сетчатые купола, имея поверхность двоякой кривизны, как правило, выполняются из стержней различной длины. форма их весьма разнообразна (рис. 27, а). Геодезические купола, творцом которых является инженер Футтлер (США), представляют собой конструкцию, в которой поверхность купола разбита на равносторонние сферические треугольники, образованные либо стержнями различной длины, либо панелями различных размеров. Сетчатые конические оболочки по конструктивному решению аналогичны сетчатым куполам, уступая, однако, им в жесткости. Преимущества их - развертывающаяся поверхность, облегчающая раскрой элементов кровельного покрытия. Геометрическая структура сетчатых конических оболочек может быть построена на формах правильных многоугольников, при этом в вершине конуса могут сходиться три, четыре или пять равносторонних треугольников. Все стержни системы имеют одинаковую длину, но углы в смежных горизонтальных поясах оболочки изменяются. Другие формы сетчатых оболочек приведены на рис.е 27, б, в, д. кровельные покрытия в пространственных стержневых конструкциях, типа структурных плит, мало отличаются от обычно используемых для стальных конструкций. покрытия сетчатых оболочек одинарной и двоякой кривизны решены по другому. При применении легких теплоизоляционных материалов эти покрытия, как правило, не соответствуют теплотехническим требованиям (зимой холодно, летом жарко). в качестве теплоизоляции можно рекомендовать оптимальный материал - пенопорис.иролбетон.

Он может быть монолитным (наливной способ устройства кровли) и сборным, может укладываться непосредственно в формы, в которых изготавливаются железобетонные сборные элементы покрытий и т.д. этот материал легкий (плотность 200 кг/м³), трудносгораемый и не требует цементной стяжки. Также применяются другие полужесткие и мягкие синтетические утеплители.

Наиболее перспективным в настоящее время следует считать применение мастичных цветных кровель, так как они одновременно с проблемой гидроизоляции решают вопросы и внешнего вида конструкций, что особенно существенно для покрытий двоякой кривизны в нашей стране применяется мастика "кровелит", позволяющая получать различные цветовые оттенки кровли (разработана ниипроектполимеркровля). В конструкциях, где поверхность кровли не видна, могут применяться рубероидный ковер или синтетические пленки и ткани. хорошие результаты дает применение кровельных пакетов из гофрированных алюминиевых рис.ов с заштампованным в них жестким синтетическим утеплителем.

Покрытие кровли из металлических рис.овых материалов нецелесообразно экономически. Водоотвод с поверхности кровель решается в каждом случае индивидуально.

5. Висячие (вантовые) конструкции

В 1834 г. был изобретен проволочный трос - новый конструктивный элемент, нашедший очень широкое применение в строительстве, благодаря своим замечательным свойствам - высокой прочности, малой массе, гибкости, долговечности. В строительстве проволочные тросы были впервые применены в качестве несущих конструкций висячих мостов, а затем уже получили распространение в большепролетных висячих покрытиях.

Развитие современных вантовых конструкций началось в конце XIX в. На строительстве нижегородской выставки 1896 г. русский инженер в.г. Шухов впервые применил пространственно работающую металлическую конструкцию, где работа жестких элементов на изгиб была заменена работой гибких вант на растяжение.

.1 Висячие покрытия

Висячие покрытия применяются на зданиях практически любых по конфигурации планов. Архитектурный облик сооружений с висячими покрытиями разнообразен. Для висячих покрытий используются проволоки, волокна, стержни, выполненные из стали, стекла, пластмасс и дерева. В нашей стране с начала века построено более 120 зданий с висячими покрытиями. Отечественной наукой создана теория расчета висячих систем и конструкций с применением ЭВМ.

В настоящее время существуют покрытия пролетом около 500 м. В висячих покрытиях на несущие элементы (тросы) расходуется примерно 5-6 кг стали на 1 м² перекрываемой площади. Вантовые конструкции имеют высокую степень готовности, а монтаж их несложен.

Устойчивость висячих покрытий обеспечивается за счет стабилизации (предварительного натяжения) гибких тросов (вант). Стабилизация тросов может быть достигнута путем пригрузки в однопоясных системах, созданием двухпоясных систем (тросовых ферм) и самонапряжением тросов при перекрестных системах (тросовых сетках). В зависимости от способа стабилизации отдельных тросов можно создать различные плиты висячих конструкций (рис. 30, 1).

Висячие покрытия одинарной кривизны - это системы из одиночных тросов и двухпоясные вантовые системы. Система из одиночных тросов (рис. 30, 1, а) представляет собой несущую конструкцию покрытия, состоящую из параллельно расположенных элементов (тросов), образующих вогнутую поверхность.

Рис. 30

Для стабилизации тросов этой системы применяют сборные железобетонные плиты. В случае замоноличивания тросов в конструкции покрытия получается висячая оболочка. Величина растягивающих усилий в тросах зависит от их провеса в середине пролета. оптимальное значение стрелы провеса составляет 1/15-1/20 пролета. Вантовые покрытия с параллельными одиночными тросами применяют для прямоугольных в плане зданий. Располагая точки подвеса тросов к опорному контуру в различных уровнях или давая им различную стрелу провеса, можно выполнить покрытие с кривизной в продольном направлении, что позволит осуществить наружный водоотвод с покрытия. Двухпоясная вантовая система, или тросовая ферма, состоит из несущего и стабилизирующего тросов, имеющих кривизну разного знака. Покрытия по ним могут иметь небольшую массу (40-60 кг/м²). Несущий и стабилизирующий тросы связывают между собой стержнями круглого сечения или тросовыми растяжками. достоинство двухпоясных вантовых систем с диагональными связями состоит в том, что они весьма надежны при динамических воздействиях и обладают малой деформативностью. Оптимальная величина стрелы провеса (подъема) поясов тросовых ферм для верхнего пояса 1/17-1/20, для нижнего пояса 1/20-1/25 пролета (рис. 30, рис. 1, в). На рис. 31 показаны примеры вантовых покрытий одинарной кривизны. Вантовые покрытия двоякой кривизны, могут быть представлены системой одиночных тросов и двухпоясными системами, а также перекрестными системами (тросовыми сетками). Покрытия, с применением систем из одиночных тросов, чаще всего выполняют в помещениях с круглым планом и радиальным размещением тросов. Ванты крепятся одним концом к сжатому опорному кольцу, а другим - к растянутому центральному кольцу (рис. 30, рис. 1, б). Возможен вариант установки в центре опоры. Двухпоясные системы принимают аналогично перекрытиям одинарной кривизны.

Рис. 31 Примеры вантовых покрытий одинарной кривизны

В покрытиях с круглым планом возможны следующие варианты взаимного расположения несущего и стабилизирующего тросов: тросы расходятся или сходятся от центрального кольца к опорному, тросы пересекаются между собой, расходясь в центре и у периметра покрытия (рис. 30). Перекрестная система (тросовые сетки) образуются двумя пересекающимися семействами параллельных тросов (несущих и стабилизирующих). Поверхность покрытия в этом случае имеет седловидную форму (рис. 30, рис. 1, г). Усилие предварительного напряжения в стабилизирующих тросах передается на несущие тросы в виде сосредоточенных сил, приложенных в узлах пересечения. применение перекрестных систем позволяет получить разнообразные форм вантовых покрытий. для перекрестных вантовых систем оптимальная величина стрелы подъема стабилизирующих тросов составляет 1/12-1/15 пролета, а стрела провеса несущих тросов - 1/25-1/75 пролета. возведение таких покрытий трудоемко. Впервые было применено мэтью новицким в 1950 г. (северная каролина). Перекрестная система позволяет применять легкие кровельные покрытия в виде сборных плит из легкого бетона или армоцемента.

На рис. 31 и 32 представлены примеры вантовых покрытий одинарной и двоякой кривизны. Форма вантового покрытия и очертание плана перекрываемого сооружения определяют геометрию опорного контура покрытия и, следовательно, форму опорных (поддерживающих) конструкций. Эти конструкции представляют собой плоские либо пространственные рамы (стальные или железобетонные) со стойками постоянной или переменной высоты. элементами опорной конструкции являются ригели, стойки, подкосы, тросовые оттяжки и фундаменты. опорные конструкции должны обеспечивать размещение анкерных креплений тросов (вант), передачу реакций от усилий в тросах на основание сооружения и создание жесткого опорного контура покрытия для ограничения деформаций вантовой системы.

В покрытиях с прямоугольным или квадратным планом тросы (тросовые фермы) обычно расположены параллельно друг другу. Передача распора может быть осуществлена несколькими способами:

− через жесткие балки, расположенные в плоском покрытии на торцевые диафрагмы (сплошные стены или контрфорсы); промежуточные стойки воспринимают лишь часть вертикальных составляющих усилий в тросах (рис. 33, в);

− передача распора на рамы, расположенные в плоскости тросов, с передачей усилий распора непосредственно на жесткие рамы или контрфорсы, состоящие из растянутых или сжатых стержней (стоек, подкосов). Возникающие в подкосах рамных контрфорсов большие растягивающие усилия воспринимаются с помощью специальных анкерных устройств в грунте в виде массивных фундаментов или конических (полых или сплошных) железобетонных анкеров (рис. 33, б);

Рис. 33

− передача распора через тросовые оттяжки наиболее экономный способ восприятия распора; оттяжки могут крепиться к самостоятельным стойкам и анкерным фундаментам или объединяться по несколько оттяжек на одну стойку или одно анкерное устройство (рис. 33, а).

В круговых покрытиях тросы или тросовые фермы располагаются радиально. При действии на покрытие равномерно распределенной нагрузки усилия во всех тросах одинаковы, а наружное опорное кольцо равномерно сжато. В этом случае отпадает необходимость в устройстве анкерных фундаментов. При неравномерной нагрузке в опорном кольце могут возникать изгибающие моменты, которые необходимо учитывать и не допускать избыточных моментов.

Для круговых покрытий применяют три основных варианта опорных конструкций:

− с передачей распора на горизонтальное наружное опорное кольцо (рис. 33, г);

− с передачей усилий в тросах на наклонное наружное кольцо (рис. 33, д);

− -с передачей распора на наклонные контурные арки, опирающиеся

на ряд стоек, которые воспринимают вертикальные усилия от покрытия (рис. 33, е, ж).

Для восприятия усилий в арках их пяты опирают на массивные фундаменты, либо связывают затяжками. Теория расчета ферм из тросов в настоящее время разработана достаточно полно, имеются рабочие формулы и программы для ЭВМ.

.2 Подвесные вантовые конструкции

В отличие от других видов висячих покрытий в подвесных покрытиях несущие ванты находятся над поверхностью кровли.

Несущую систему подвесных покрытий составляют ванты с вертикальными или наклонными подвесками, которые несут либо легкие балки, либо непосредственно плиты покрытия.

Ванты закреплены на стойках, расчаленных в продольном и поперечном направлениях.

Подвесные перекрытия могут иметь любую геометрическую форму и выполняются из любых материалов.

В подвесных вантовых конструкциях несущие стойки могут располагаться в один, два или несколько рядов в продольном или поперечном направлениях (рис. 34).

Рис. 34

При устройстве подвесных вантовых конструкций вместо оттяжек можно применять консольные выносы покрытий, уравновешивающих натяжение в вантах.

Несколько примеров из практического строительства.

Подвесное покрытие с кровлей из прозрачной пластмассы было построено впервые в 1949 г. над автобусной станцией в Милане (Италия). Наклонное покрытие системой вант подвешено к наклонным же несущим стойкам. Равновесие достигается специальными оттяжками, прикрепленными к краям покрытия.

Подвесное покрытие над олимпийским стадионом в Скво-велли (США). Стадион вмещает 8000 зрителей. Размеры его в плане 94,82 × 70,80 м. подвесное покрытие представляет собой восемь пар наклонных коробчатых балок переменного сечения, поддерживаемых вантами. Ванты опираются на 2 ряда стоек, установленных через 10,11 м. по балкам уложены прогоны, а по ним коробчатого сечения плиты длиной 3,8 м. несущие ванты - тросы имеют диаметр 57 мм. При проектировании подвесных конструкций существенными вопросами являются защита подвесок от коррозии на открытом воздухе и решение узлов прохода подвесок через кровлю. Для этого целесообразно применять оцинкованные канаты закрытого профиля или профильную сталь, доступную для периодического осмотра и покраски во избежание коррозии.