Однопоясные висячие покрытия включают в себя несущие гибкие стержни или тросы, на которые уложены плиты покрытия или настила с теплоизолирующими и гидроизолирующими элементами кровли.
Чаще всего в практике строительства применялись однопоясные покрытия с железобетонными или керамзитобетонными плитами. Плиты укладывались на стальные тросы. Швы между ними замоноличивались на монтаже, создавая висячую оболочку. Для повышения эффективности использования железобетона такая оболочка предварительно напрягалась путем натяжения тросов во время монтажа или с помощью укладки в швы бетона на расширяющемся цементе.
Вместо тросов и железобетонных плит висячая система может быть образована металлическими оболочками-мембранами, листы которых выполняют как несущие, так и ограждающие функции и служат основанием для утеплителя и кровли.
Простота такой конструктивной формы позволяет иметь небольшое число типоразмеров элементов покрытия, что способствует их индустриальному изготовлению и простому монтажу.
Однопоясные покрытия с железобетонными плитами могут быть запроектированы на прямоугольных, круглых, эллиптических планах. Покрытия на прямоугольном плане (рис. 2.31) имеют цилиндрическую форму с небольшой выпуклой кривизной в направлении, перпендикулярном тросам. Эта кривизна обеспечивает скат кровли, необходимый для отвода воды с покрытия. Расстояния между вантами в таких покрытиях не превышают 6 метров.
95
Рис. 2.31. Покрытие гаража в Красноярске
С целью снижения массы покрытия его целесообразно принимать предварительно напряженным. Как упоминалось ранее, висячие системы являются распорными и удачные решения опорного контура в значительной мере определяют затраты на покрытие и здание в целом. Для зданий прямоугольного плана в качестве опорной конструкции выгодно использовать рамный каркас, у которого в плоскости покрытия имеется распределительная ферма или балка-плита, предназначенная для крепления вантовых стержней и восприятия распора.
Для зданий круглых или эллипсообразных в плане круглое или эллипсообразное опорное кольцо, как правило, работает на сжатие и воспринимает распор от тросов.
Различают две основные формы таких покрытий - вогнутую (рис. 2.32) и шатровую (рис. 2.33).
Рис. 2.32. Схемы однопролетных покрытий в круглом плане, вогнутая оболочка
96
В вогнутой системе наряду с опорным наружным кольцом предусмотрено внутреннее металлическое кольцо, работающее на растяжение. Тросы в такой системе устанавливают мередионально и по внутреннему кольцу крепятся на расстоянии 35 - 50 см, что определяет диаметр внутреннего кольца 6 - 12 м. По наружному кольцу из условия укладки железобетонных плит крепление стержней не должно превышать 6 м. Кривая провеса тросов в соответствии с приходящейся на них нагрузкой принимается в виде кубической параболы.
y = · x · (l - 2 · x + · )
(2.29)
при 0 < x ≤ l/2 ,
где f - стрела провисания нити;
l - пролет нити;
х - текущая координата.
Недостаток вогнутых систем - трудность отвода воды с покрытия.
Рис. 2.33. Шатровые покрытия гаража в Киеве:
1 - средняя железобетонная опора; 2 - водосток; 3 - тросы 84 шт. d = 65мм; 4 -ребристые железобетонные плиты
97
В шатровых покрытиях (рис. 2.33) тросы также расходятся по радиусам от центра покрытия, и по ним уложены плоские, трапециевидные железобетонные плиты, которые в последующем замоноличиваются. Расстояние между тросами, размеры плит и способ их изготовления определяются так же, как и в круглых вогнутых покрытиях. Работа шатрового покрытия отличается от работы вогнутого круглого покрытия тем, что в шатровом покрытии значительная часть нагрузки передается через среднюю стойку и лежащее на ней металлическое кольцо.
Среднее металлическое кольцо шатрового покрытия помимо горизонтальных растягивающих его сил воспринимает также и вертикальные усилия от покрытия. Металлическое кольцо является главной опорой всего покрытия, поэтому его конструкция и работа будут сильно отличаться от конструкции и работы среднего кольца провисающего покрытия.
Стрела провисания вант в радиальных покрытиях назначается в пределах 1/10 - 1/20 перекрываемого пролета.
Однопоясные системы с радиальными вантами можно применять для покрытий на прямоугольных планах. В этих целях опорное кольцо с висячей оболочкой подвешивают с помощью дополнительных вант к угловым опорам прямоугольного опорного контура (рис. 2.34). Распор от дополнительных вант в этом случае раскладывают по плоскостям ограждения.
Рис. 2.34. Схемы однопоясных покрытий для зданий: а - с квадратным планом; б - с прямоугольным планом; 1 - несущие ванты; 2 - опорный контур; 3 - центральное кольцо; 4 - колонны; 5 - угловые опоры; 6 - дополнительные ванты
Однопоясные висячие покрытия обладают повышенной деформативностью, особенно при действии несимметричной нагрузки. Стабилизация
98
таких систем осуществляется в основном за счет собственного веса, что характерно для тяжелых железобетонных покрытий.
Другим решением таких систем являются покрытия с изгибно-жесткими нитями (рис. 2.35).
Рис. 2.35. Схема покрытия с жесткими нитями
Нити выполняются в виде изогнутых сварных или прокатных двутавровых профилей (рис. 2.35) или в виде изогнутых или прямолинейных ферм (рис. 2.36).
Рис. 2.36. Покрытие олимпийского плавательного бассейна на проспекте Мира (Москва): 1 - опорные железобетонные арки сечением 2 x 3,3 м; 2 - висячие криволинейные фермы; 3 - колонны
Такие покрытия не требуют специальных мероприятий для стабилизации, ее выполняют элементы, способные воспринимать растягивающие и изгибающие усилия. Стрела провеса для покрытий с жесткими нитями может быть уменьшена до 1/20 - 1/30 пролета при шаге нитей 3 - 4,5 м. Высоту сечения гнутого двутавра задают равной 1/40 - 1/50 пролета, а высоту фермы 1/35 - 1/45 порлета. Высота зависит от соотношения постоянной и временной нагрузок, а также требуемой жесткости покрытия.
Снижение деформативности и повышение стабилизации висячей системы может быть достигнуто путем использования покрытий, имеющих форму поверхностей в виде гиперболических параболоидов (гипаров) (рис. 2.37 и 2.38), с отрицательной гауссовой кривизной. Эти покрытия малодеформативны
99
при действии неравномерных нагрузок и не нуждаются в специальной стабилизирующей конструкции.
Такие конструкции состоят из систем тросов в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.
Тросы, имеющие провес вниз, обычно называются несущими, а перпендикулярные им и имеющие провес вверх - стабилизирующими или натягивающими.
Рис. 2.37. Покрытия цирков как пример конструкции покрытия в форме гиперболического параболоида: 1 - железобетонные плиты; 2 - несущие тросы; 3 - стабилизирующие тросы
Поверхность гипара описывается уравнением
z = fн · ()2 - fc · ()2
(2.30)
где fн и fc стрелки провисания несущих и стабилизирующих тросов.
Канаты, натянутые на опорную конструкцию, образуют сетку с равными квадратными или прямоугольными ячейками, в которые укладывают кровельные конструкции. Для поверхности в форме гипара все тросы
100
одного направления имеют одинаковое сечение, так как усилия в них от действия равномерной нагрузки равны.
Кривые провеса тросов в соответствии с формой покрытия и приходящейся на них нагрузкой принимаются по квадратной параболе. Более сложным, чем для рассмотренных ранее покрытий, является устройство опорной конструкции. Такая конструкция выполняется в виде железобетонного пространственного кольца (рис. 2.37 и 2.38).
Рис. 2.38. Сетчатое седловидное покрытие с опиранием на изогнутое кольцо
Подобная форма кольца диктуется необходимостью вписать его в поверхность гипара, что вызывает дополнительные трудности при изготовлении.
Другое решение опорного контура может быть выполнено в виде двух наклонных пересекающихся в основании арок (рис. 2.39).
Рис. 2.39. Седловидные покрытия с опорным контуром в виде двух наклонных арок
Сложность конфигурации опорных конструкций определяется необходимостью вписать их в поверхность гипара.
Большое количество покрытий для сооружений различного назначения выполнено с применением криволинейных поверхностей, включающих ортогональную сетку из тросов, окаймленную более мощными тросами-подборами
101
(рис. 2.40), подвешенную к специальным мачтам и на отдельных участках притянутых оттяжками к земле. Такие сетки имеют форму растянутых поверхностей отрицательной гауссовой кривизны. Система расположения нитей обеспечивает стабилизацию покрытия, восприятие полезной нагрузки, снижение деформативности. Длины нитей различны на отдельных участках и могут иметь не одинаковую величину упругой податливости на опорах.
Рис. 2.40. Схема покрытия криволинейной сетки на гибком контуре
Характерным примером применения такого конструктивного решения являются покрытия ансамбля спортивных объектов Олимпиады в Мюнхене (рис. 2.41).
102
Рис. 2.41. Покрытие олимпийского стадиона в Мюнхене
Обычно тросы в сетке располагают на равных расстояниях один от другого. Эти расстояния определяются конструкцией кровли и возможным сечением тросов и колеблются от 1 м для тентовых и пленочных покрытий до 2-З м для щитовых покрытий.
По исследованиям В.Р.Кульбаха стрелки провеса главных парабол поверхности принимают: fH ≈ (1/8 - 1/15) · lH , fc ≈ (1/10 - 1/25) · lc. Угличские стрелки несущих тросов за счет уменьшения стрелки стабилизирующих приводит и к уменьшению прогибов покрытия и усилий в несущих тросах, и одновременно увеличивает изгибающие моменты в опорной конструкции на стадии предварительного напряжения сетки покрытия.
Предварительное напряжение сетки не только обеспечивает включение стабилизирующих нитей в работу на сжатие (в пределах усилия предварительного напряжения), но и позволяет уменьшить кинематические перемещения покрытий при их неравномерном нагружении.
С точки зрения распределения усилий наилучшей поверхностью седловидного покрытия является поверхность гиперболического параболоида. В этом случае несущие и стабилизирующие нити имеют форму вогнутых и выпуклых квадратных парабол соответственно с постоянным отношением в каждом тросе, что создает равенство усилий во всех тросах при равномерно распределенной нагрузке на покрытие.
Тросовые сетки, в отличие от однопоясных и двухпоясных конструкций, работают как пространственные системы, что позволяет им успешно воспринимать нагрузки от собственного веса, снега и знакопеременных ветровых воздействий.
103
Расчет таких покрытий осуществляется методами строительной механики с применением вычислительной техники как многократно статически неопределимых систем.
104
