 |
ж) Висячие (вантовые) конструкции покрытий
|
|
|
|
Для покрытий зальных помещений общественных зданий, например, спортивных залов, выставочных павильонов, цирков, торговых залов крытых рынков и др., имеющих большие пролеты, в последнее время широко применяют висячие (вантовые) конструктивные системы. В таких системах основными несущими элементами, закрепленными в опорных конструкциях и перекрывающими большие пролеты, служат или гибкие растянутые нити-ванты в виде стальных арматурных стержней или канатов (тросов) или тонколистовые металлические (стальные или алюминиевые) полосы.
Висячие конструктивные системы выгодно отличаются от традиционных металлических конструкций по расходу материала несущих элементов, так как ванты и полосы этих систем работают на растяжение всем сечением и в связи с этим при использзовании высокопрочных сталей или алюминиевых сплавов обеспечивается меньшая масса несущих конструкций.
Рис. 8. 29. Здание цирка на 3000 мест в г. Москве: а – план; б – разрез; в – общий вид фасада; 1 – арена (манеж); 2 – эстрада; 3 – сцена с карманами; 4 – оркестр; 5 – ложа дирекции; 6 – фойе; 7 и 8 – вестибюль и кассы; 9 – кинопроекционная; 10 – механизм арены (манежа); 11 – боковые карманы арены; 12 – колосники; 13 – артистический обход
В зависимости от конструктивных особенностей и условий статической работы висячие конструктивные системы делят на следующие виды: однопоясные висячие системы с параллельными вантами, однопоясные висячие системы с радиальными вантами, двухпоясные висячие системы с параллельными вантами, двухпоясные висячие системы с радиальными вантами, висячие покрытия с вантовыми сетями, висячие струнные системы, системы с висячими фермами и балками (с жёсткими вантами), мембранные висячие системы, комбинированные висячие системы и подвесные системы, а в зависимости от положения несущих элементов системы в плане – на плоские и пространственные.
|
|
|
К плоским относятся системы, состоящие из параллельных рядов вант, закреплённых в опорных конструкциях, при этом совместно работающие ванты и опорные конструкции находятся в одной плоскости, как например, однопоясные и двухпоясные висячие системы с параллельными вантами. К пространственным относятся системы, состоящие из опорного контура, имеющего, как правило, криволинейное замкнутое очертание, и системы прикреплённых к нему тросов или лент, образующих криволинейную в двух направлениях поверхность. Опорный контур укладывают на колонны или другие вертикальные несущие конструкции.
Рис. 8. 30. Схема однопоясного висячего (вантового) покрытия с плоскими несущими элементами
Плоские одно- и двухпоясные висячие системы с параллельными вантами (рис. 8. 30) применяют, как правило, для прямоугольных в плане зданий. Горизонтальные усилия в таких системах от растянутых вант воспринимают или стойки-пилоны в сочетании с заанкеренными в грунт оттяжками и другие конструкции (рис. 8. 31). Пространственная устойчивость однопоясных систем обеспечивается применением для выполнения ограждающих функций покрытия железобетонных плит, после укладки которых на тросы выполняют дополнительную монтажную пригрузку, что вызывает дополнительное натяжение тросов. В таком состоянии производится замоноличивание швов между железобетонными плитами и между плитами и тросами. После затвердения раствора замоноличивания пригруз удаляется и в результате получается предварительно-напряжённая жёсткая конструкция покрытия.
Рис. 8. 31. Варианты схем конструктивных решений восприятия горизонтальных усилий в плоских висячих системах: а – перевёрнутыми жёсткими рамами с наклонными стойками и подпольными балками-распорками; б, в – наклонными рамами-трибунами; г – распор-ными арками; 1 – несущие элементы висячего покрытия; 2 – опорные контурные балки; 3 – наклонные рамы трибун; 4 – торцевые рамы; 5 – стойки; 6 – распорка; 7 – затяжка
|
|
|
Пространственная устойчивость покрытий с лёгкой кровлей обеспечивается при применении двухпоясных висячих систем с параллельными вдоль пролёта вантами. В таких системах одни ванты выполняются вогнутыми (вниз), а другие – выпуклыми вверх (рис. 8. 32), при этом вогнутые ванты выполняют несущие функции, а выпуклые – стабилизирующие функции, т. е. они обеспечивают дополнительное предварительное напряжение несущим вогнутым вантам. Несущие и стабилизирующие ванты в зависимости от их взаимного расположения соединяют один с другим или распорками, или подвесками, или раскосами, или оттяжками. На рис. 8. 33 показаны примеры применения плоских двухпоясных висячих систем с параллельными вантами. Нагрузка от элементов кровли на несущие вогнутые ванты передаётся или через распорки или непосредственно на несущие ванты.
Рис. 8. 32. Варианты двухпоясных висячих систем с параллельными вантами:
а – с распорками между вантами; б – с гибкими подвесками; в – с растянутыми раскосами; г – со сжатыми и растянутыми стойками; д – с продольными оттяжками; е – многопролётная двухпоясная система с параллельными вантами; 1 – распорки; 2 – стабилизирующая (напрягающая) ванта; 3 – несущая ванта; 4 – бортовой элемент; 5 – подвеска; 6 – раскосы; 7 – продольные оттяжки
Рис. 8. 33. Примеры применения двухпоясных покрытий с параллельными вантами:
а – хоккейный стадион в г. Стокгольме (Швеция); б – автобусный парк в г. Берлине (Германия); в – гимнастический зал г. Сокото (Нигерия)
Пространственные одно- и двухпоясные висячие системы с радиальными вантами применяют для покрытий зданий с круглой или эллиптической формой в плане. При таких системах применяют замкнутые опорные контуры, воспринимающие горизонтальные усилия. В связи с этим наиболее целесообразна круглая форма наружного опорного контура, обеспечивающая в нем только сжимающие усилия. В покрытиях с круглым опорным контуром радиальные тросы закрепляют в наружном опорном и центральном кольцах. Наружное опорное кольцо, работающее на сжатие, выполняют железобетонным, а внутреннее, работающее на растяжение – стальным.
|
|
|
Однопоясные висячие системы с радиальными вантами применяют в тех же случаях, что и с однопоясными параллельными вантами, т. е., когда ограждающими конструкциями покрытий служат тяжёлые элементы, например, железобетонные плиты, которые после замоноличивания придают всей системе жёсткость и пространственную устойчивость (рис. 8. 34. А и 8. 34. Б).
Рис. 8. 34. А. Схема однопоясного висячего покрытия с радиальными вантами: а – разрез; б – аксонометрия; 1 – стальные тросы-ванты; 2 – железобетонный опорный кольцевой контур; 3 – центральное растянутое стальное опорное кольцо; 4 – световой или аэрационный фонарь; 5 – колонны; 6 – ограждающая конструкция покрытия; 7 – внутренний водосток
Рис. 8. 34. Б. Вариант однопоясной радиальной системы покрытий крытых рынков:
а – схема разреза покрытия; б – схема фрагмента плана покрытия; в – деталь опирания железобетонных плит на тросы-ванты; 1 – внешнее сжатое кольцо опорного контура; 2 – тросы-ванты; 3 – внутреннее растянутое стальное кольцо; 4 – колонна; 5 – ограждающая конструкция покрытия; 6 – железобетонные плиты покрытия, укладываемые между тросами-вантами; 7 – выпуски арматуры из железобетонных плит покрытия в бетон омоноличивания; 8 – утеплитель; 9 – битум
В двухпоясных висячих системах с радиальными вантами-тросами, как и в двухпоясных с параллельными вантами, вогнутые тросы выполняют несущие функции, а выпуклые вверх – стабилизирующие функции, при этом ванты соединяют распорками или растяжками и лёгкую кровлю укладывают или на распорки или непосредственно на несущие ванты (рис. 8. 35 и 8. 36).
Рис. 8. 35. Схемы конструктивных систем двухпоясных покрытий с радиальными вантами:
|
|
|
а – с распорками; б – с взаимно перекрещивающимися вантами; в – типа «велосипедное колесо»; г – шатровое покрытие с растяжками; д – вариант шатрового покрытия; е – вогнутое покрытие; ж – с центральной опорой; з – варианты покрытий с центральной опорой; 1 – распорки; 2 – внутренний стальной цилиндр-барабан, работающий на растяжение; 3 – стабилизирующие ванты; 4 – несущие ванты; 5 – внешнее сжатое кольцо опорного контура; 6 – колонны; 7 – растяжки; 8 – центральное растянутое кольцо
Рис. 8. 36. Схемы радиальных двухпоясных висячих покрытий: а – выпукло-вогнутое; б – выпукло-вогнутое с пересекающимися тросами-вантами; в – аксонометрия
В г. Минске при строительстве многопрофильного культурно-спортивного комплекса «Минск-Арена» применена для покрытия круглого в плане зального помещения вместимостью не менее 15000 зрителей двухпоясная висячая система с радиальными вантами-тросами, перекрывающая пролёт в 116 м (рис. 8. 37). Эта система состоит из 48-ми двухпоясных радиальных вант-тросов номинальной длиной по 52 м, при этом каждый несущий вант состоит из 27-ми пучков высокопрочных прядей-проволок, а стабилизирующий вант – из 7-ми таких же пучков. Каждая прядь пучка состоит из 7-ми высокопрочных оцинкованных стальных арматурных проволок Ø 5 мм, покрытых специальной антикоррозионной оболочкой.
Ванты прикреплены концами к наружному опорному контуру, имеющему высоту 3, 3 м и состоящему из двух железобетонных монолитных колец с внутренним диаметром 116 м. Эти кольца опираются на колонны и объединены по высоте по внутреннему периметру вертикальной монолитной железобетонной стеной и в местах крепления вант – вертикальными радиально расположенными монолитными диафрагмами жёсткости. Снаружи несущие ванты крепятся к верхнему кольцу опорного контура, а стабилизирующие – к нижнему. Наружный опорный контур опирается на многоэтажную железобетонную монолитную рамно-коробчатую систему, на которой внутри зала закреплены трибуны для зрителей.
Внутри ванты крепятся к металлическому опорному барабану с наружным диаметром 12 м и высотой 7, 7 м, состоящему из двух стальных колец и стоек-распорок между ними. Распорки необходимой длины также установлены и закреплены специальными хомутами между несущими и стабилизирующими вантами, и они изготовлены из стальных труб диаметром 159 мм и толщиной стенки 5 мм. Ограждающие конструкции покрытия выполнены в виде стальных трапециевидных утеплённых панелей из профилированного настила, укладываемых на опорные столики вертикальных стоек-распорок на уровне верхних вант.
|
|
|
Кроме висячих систем с параллельными или радиальными вантами в мировой практике широко применяют висячие системы с вантовыми сетями, в которых ванты в плане покрытия пересекаются между собой. Чаще всего вантовые сети образуются ортогональным пересечением двух семейств нитей-тросов, при этом одна из них – провисающие несущие тросы, а вторая – вспарушенные стабилизирующие тросы, и покрытие в этом случае имеет седловидную форму. Возможны и более сложные системы с вантовыми сетями, например, на основе треугольных или шестиугольных ячеек.
После натяжения стабилизирующих тросов (и соответственно несущих) вантовая сетевая система превращается в жёсткую систему двоякой кривизны. Натяжение стабилизирующих тросов-вант должно быть таким, чтобы после загружения системы, т. е. укладки ограждающих элементов покрытия, оно полностью не погашалось. По завершении монтажа сборных элементов покрытия на вантовых сетях желательно проводить замоноличивание стыков между сборными элементами совместно с вантами, что существенно увеличивает жёсткость покрытия.
На рис. 8. 38 приведена висячая система с вантовой сетью в покрытии с поверхностью гиперболического параболоида. Такая система с прямолинейными элементами опорного контура является простой по форме поверхности покрытия с вантовой сетью, однако в прямолинейных элементах опорного контуравозникают изгибающие моменты, что приводит к перерасходу материалов и удорожанию строительства.
Рис. 8. 38. Вантовая сеть покрытия с поверхностью гиперболического параболоида:
1 – несущие ванты; 2 – стабилизирующие ванты
Для снижения изгибающих моментов в элементах опорного контура висячих систем с вантовыми сетями их, т. е. элементы опорного контура, выполняют криволинейными, т. е. они могут быть в плане в виде замкнутого кольца круглой, эллиптической или иной формы, но изогнутыми по высоте относительно одной из горизонтальных осей (рис. 8. 39).
Рис. 8. 39. Системы вантовых покрытий с изогнутым кольцом опорного контура:
1 – несущие ванты; 2 – стабилизирующие ванты
Элементы опорного контура могут быть выполнены и в виде двух взаимно пересекающихся наклонных арок, опирающихся на колонны (рис. 8. 40. А), и в виде раздвинутых арок (рис. 8. 40. Б). Такие решения опорного контура позволяют получать различные решения покрытий, изменяя размеры и очертания арок, а также углы наклона их к горизонту.
Рис. 8. 40. А. Несущие элементы вантовых покрытий с опорным контуром из двух наклонных взаимно пересекающихся арок: а – симметричные арки; б – арки с разными наклонами к горизонту; в – различные по размерам и очертанию арки; г – возможные формы плана здания; 1 – несущие ванты; 2 – стабилизирующие ванты; 3 – колонны или оттяжки
На рис. 8. 41. А представлен разрез и план киноконцертного зала на 2000 мест в г. Харькове (Украина). Размер зала в плане 45х48 м. Покрытие зала состоит из двух железобетонных монолитных арок параболического очертания и сети с несущими и стабилизирующими вантами с ячейкой 1х1 м, на которую уложены сборные армоцементные плиты. На рис. 8. 41. Б показан вариант плана вантового сетевого покрытия с опорным контуром в виде трёх пар взаимно пересекающихся арок.
Рис. 8. 40. Б. Несущие элементы вантовых покрытий с опорными контурами в виде раздвинутых арок: а – наклонные арки опорного контура пятами внизу; б – то же с пятами вверху; в – вертикальные арки опорного контура; г – многопролётная вантовая система с вертикальными арками опорного контура; 1 – несущие ванты; 2 – стабилизи-рующие ванты; 3 – трос-подбор или жёсткий сопрягающий элемент в виде изогнутой балки или ряда анкерных фундаментов; 4 – оттяжки
При плоском кольце опорного контура вантовая сеть имеет провисающую (вогнутую) поверхность эллиптического параболоида (рис. 8. 42). В этом случае все ванты сети являются несущими и гибкими и для обеспечения её (сети) пространственной устойчивости необходимо устройство тяжёлого кровельного покрытия с замоноличиванием стыков между его элементами.
Висячие струнные системыявляются разновидностью вантовых и их применяют для перекрытия сравнительно небольших пролётов (18–36 м) (рис. 8. 43). При устройстве таких покрытий струнам придают предварительное натяжение для повышения жёсткости пролётной части. Из-за деформативности струн покрытие таких систем должно быть эластичным. Кроме параллельного расположения струны могут располагаться радиально или иметь лучевую ориентацию в нескольких направлениях (рис. 8. 44).
Системы с висячими фермами или балкамиотносятся к жёстким вантам и их применяют для обеспечения пространственной устойчивости (стабилизации) покрытий с лёгкими ограждающими конструкциями. Такие конструкции более металлоёмки по сравнению с тросовыми, но их изготавливают из более дешёвого металла и они проще при монтаже.
Рис. 8. 41. А. Здание киноконцертного зала «Украина» с вантовым покрытием в г. Харькове (Украина): а – разрез; б – план; 1 – опорный контур из наклонных железобетонных арок с поперечным сечением 2х1, 5 м; 2 – кровля из армоцементных плит, утеплителя и кровельного ковра, уложенная по вантовой сети; 3 – водосборные бассейны; 4 – монолитные контрфорсы с лотком для атмосферной воды; 5 – вантовая сеть из несущих и стабилизирующих тросов с ячейкой 1х1 м
Рис. 8. 41. Б. Вантовое покрытие здания с опорным контуром из трёх пар взаимно пересекающихся арок: а – план; б – фасад; в – возможные формы плана здания
Рис. 8. 42. Несущие элементы покрытий с перекрёстными несущими вантами (провисающие вантовые сети): а – ортогональная сеть на круглом плане; в – косо-угольная сеть на эллиптическом плане
Рис. 8. 43. Вариант схемы решения многопролётного струнного покрытия с парал-лельными вантами: 1 – струны; 2 – торцевой блок жёсткости; 3 – промежуточные опоры
Рис. 8. 44. Примеры схем конструктивных решений вантовых (струнных, кроме последнего) покрытий с квадратным в плане безизгибным опорным контуром: а – схемы расположения вант (струн) в плане; б – варианты форм вантовых (струнных) покрытий с одним диагональным формообразующим элементом; 1 – квадратный в плане безизгибный опорный контур; 2 – диагональная ванта или арка; 3 – промежуточная арка; 4 – трос-подбор
Висячие фермы и балки могут располагаться параллельно или радиально, и вследствие этого покрытия с их использованием могут иметь в плане разнообразные формы (рис. 8. 45).
Рис. 8. 45. Несущие конструкции покрытий из жёстких вант в виде висячих ферм: а – примеры конструктивных схем несущих элементов покрытий из висячих ферм; б – усилия в опорном узле висячей фермы; в – вариант шарнирного узла примыкания висячей фермы к опорному контуру; 1 – бортовой элемент опорного контура; 2 – промежуточная опора-арка; 3 – закладной элемент-ребро в опорном контуре для крепления висячей фермы; 4 – фасонка фермы; 5 – валик-штырь шарнирного узла
Высоту провисающей конструкции назначают от 1/40 до 1/60 перекрываемого пролёта. Опорные усилия от провисающих конструкций передаются на опорные элементы в виде горизонтальных балок, наклонных арок или плоских или изогнутых в вертикальном направлении колец. Несущим элементом кровли в таких покрытиях обычно является стальной профилированный настил, укладываемый или по прогонам или непосредственно по верхнему поясу висячих конструкций.
На рис. 8. 46 приведён общий вид и разрез плавательного бассейна в г. Москве (Россия), покрытого висячими фермами пролётом от 40 до 104 м и с шагом 4, 5 м. Здание бассейна имеет в плане овальную форму размером 104х126 м, а его покрытие форму гиперболического параболоида. Опорный контур выполнен из двух железобетонных арок пролётом по 110 м, расположенных под углом 30º к горизонту и поддерживаемых колоннами.
а
Рис. 8. 46. Здание крытого плавательного бассейна в Олимпийском комплексе в г. Москве (Россия): а – общий вид; б – схематичный поперечный разрез; 1 – колонны; 2 – опорный контур из наклонных железобетонных арок; 3 – кровельное покрытие из стального профилированного настила, утеплителя и гидроизоляционного ковра; 4 – висячие фермы параболического очертания
Мембранные системы являются разновидностью висячих, но конструктивно они отличаются от вантовых (тросовых) систем тем, что несущими элементами в них являются металлические (стальные или алюминиевые) полосы. Толщина стальных мембранных полос из условия прочности составляет 1–1, 5 мм, но для обеспечения коррозионной стойкости их выполняют толщиной не менее 3–4 мм, а толщина алюминиевых полос назначается из условия прочности, так как алюминиевые сплавы не подвергаются коррозии. Мембранные полосы являются одновременно и ограждающими элементами, на которые укладывают паро-, тепло- и гидроизоляцию.
По форме мембранные системы не отличаются от висячих систем с параллельными и радиальными вантами и с вантовыми сетями. При круглой форме в плане провисающая мембранная система чаще всего устраивается со сферической поверхностью, так как усилия в элементах мембраны при такой форме минимальны. Стрелу провисания мембранных оболочек принимают от 1/15 до 1/25 перекрываемого пролёта, а для восприятия опорных усилий опорные контурные конструкции выполняются так же, как и в вантовых системах.
Так как несущими элементами мембранных систем служат тонкие стальные или алюминиевые полосы, практически не сопротивляющиеся изгибу, то основной проблемой при применении мембранных систем является обеспечение стабилизации их формы, что достигается многими приёмами, большинство из которых основано на предварительном растяжении элементов мембранной системы.
Самым простым приёмом предварительного натяжения элементов мембранной системы является её пригруз элементами покрытия, для чего используют массу составных частей ограждающей части покрытия, в том числе от технологического и инженерного оборудования, прикреплённого к покрытию, при этом нагрузка от покрытия должна превышать ветровой отсос. Эффективность пригрузочного приёма повышается при замоноличивании стыков между элементами покрытия.
Стабилизацию провисающих мембранных систем можно обеспечить системой стабилизирующих вант, которые могут быть параллельными и радиальными. На рис. 8. 47 представлена конструктивная схема мембранного покрытия ледового катка, построенного в г. Минске и имеющего размеры в плане 58х72 м.
Рис. 8. 47. Конструктивная схема мембранного покрытия крытого катка в г. Минске:
1 – мембрана из стальных оцинкованных лент; 2 – стабилизирующие ванты из стальных оцинкованных канатов Ø 22 мм; 3 – опорный контур из двух наклонных железобетонных арок; 4 – арки, соединяющие элементы опорного контура
Мембрана (см. рис. 8. 47) имеет форму гиперболического параболоида и выполнена из 63-х стальных оцинкованных лент толщиной 1, 5 мм. Полосы-ленты мембраны получили предварительное натяжение от системы параллельных стабилизирующих вант из стальных оцинкованных канатов диаметром 22 мм и размещённых с шагом 2 м.
Примером использования радиальных стабилизирующих вантовых систем для стабилизации мембранного покрытия является конструкция покрытия спортивного зала на 25000 зрителей в г. Санкт-Петербурге (рис. 8. 48). В этом случае стабилизирующие вантовые системы представляют собой вантовые фермы, состоящие из верхнего и нижнего растянутых поясов, соединённых растяжками.
Рис. 8. 48. Конструкция мембранного покрытия спортзала на 25 тыс. зрителей в г. Санкт-Петербурге (Россия): а – поперечный разрез зала; б – план мембранного покрытия; 1 –стабилизирующие радиальные вантовые фермы; 2 – внутреннее опорное кольцо диаметром 72 м системы стабилизации покрытия; 3 – сферическая мембрана из стальных лепестков-листов толщиной 6 мм; 4 – сборно-монолитное железобетонное кольцо опорного контура сечением 5х1, 05 м; 5 – эллиптические вырезы в стальных лепестках-листах в приконтурной зоне
Предварительное натяжение стабилизирующих вантовых систем должно быть не меньше разности нагрузок от ветрового отсоса и массы всех cлоёв мембранного покрытия.
Стабилизация мембранных систем прямоугольной или криволинейной формы в плане может также обеспечиваться параллельными или радиальными рёбрами в виде балок или ферм, способных воспринимать изгибающие усилия. Для исключения волнообразного прогиба мембраны между продольными рёбрами предусматривают поперечные или круговые рёбра с шагом до 3 м (рис 8. 49).
Рис. 8. 49. Схемы стабилизации формы мембранных систем жёсткими элементами в виде балок или ферм: а – мембранное покрытие с цилиндрической формой поверхности (поперечный разрез); б – мембранное покрытие шатровой формы; 1 – мембранная оболочка; 2 – пролётные (поперечные) жёсткие стабилизирующие ребра; 3 – шаговые (продольные) жёсткие стабилизирующие ребра; 4 – шарнирная опора поперечного ребра; 5 – опорный бортовой элемент (опорный контур); 6 – жёсткие меридиональные стабилизиру-ющие рёбра (например, в виде ферм)
Возможны и другие способы стабилизации мембранных систем. Так, например, определённый стабилизирующий эффект достигается при устройстве двухслойных мембран или мембран с переплетающимися лентами, когда придаётся натяжение верхним лентам двухслойных мембран либо лентам одного из направлений в переплетающихся системах.
В комбинированных системах покрытий гибкие и жёсткие элементы работают совместно, поэтому такие системы получаются более лёгкими. Жёсткими элементами в них могут быть балки или фермы, укладываемые перпендикулярно к вантам, что стабилизирует форму покрытия и обеспечивает распределение нагрузки на несколько вант (рис. 8. 50).
Рис. 8. 50. Примеры комбинированных вантово-жёстких систем: а – вантово-жёсткая система с цилиндрической формой поверхности; б – то же двухскатная; в – система с криволинейным очертанием в плане
К подвесным относятся системы, состоящие из жёстких конструкций и поддерживающих их вант-растяжек, закреплённых на стойках или пилонах. Подвесные системы позволяют выполнять разные варианты конструктивных решений покрытий (рис. 8. 51).
Рис. 8. 51. Схемы подвесных покрытий и примеры их применения: (а–г) – варианты конструктивных решений подвесных систем; д – схема подвесных конструкций покрытия зимнего Олимпийского стадиона в Скво-Вэлли (США); е – схема подвесных конструкций покрытий выставочного павильона СССР на Всемирной выставке в Брюсселе (1958 г. )
|
|
|
