Введение
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. Пространственная сетка этих покрытий представляла собой поверхность гиперболоида и была выполнена из взаимно пересекающихся лент полосовой стали. Павильон круглой формы имел диаметр наружного кольца 68 м, павильон овальной формы был выполнен размером 98X51 м.
Долгое время в строительстве висячие покрытия не применяли. Опасения сводились к тому, что свойства таких покрытий недостаточно изучены, отсутствуют надежные методы расчета. В 1950 г. архитектор Новицкий впервые разработал покрытие в виде ортогональной вантовой сети и в 1952 г. по его проекту в США в г. Рэлей (штат Северная Каролина) (был перекрыт спортивный зал размером в плане 97X92 м.
Конструкция покрытия состоит из двух наклонных железобетонных арок параболического очертания, между которыми натянуты продольные и поперечные стальные канаты. Наибольшая собственная масса покрытия (около 30 кг на 1 м), низкая стоимость сооружения и выразительность седлообразной формы поверхности привлекли внимание многих стран. Такая форма покрытия нашла широкое применение в общественных сооружениях, в том числе и в СССР (киноконцертный зал «Украина» в Харькове, певческая эстрада в Талине, летний кинотеатр в Баку, эстрада в Паланге и др.).
В 1953 г. по проекту архитектора Шеллинга был перекрыт зрелищный зал в г. Карлсруэ (ФРГ). В плане зал имеет эллиптическую форму с размерами по осям 75,5X48,6 ,м. Покрытие решено с наружным опорным кольцом, изогнутым в вертикальной плоскости на 6 м и опирающимся на железобетонные стойки. Байтовая сеть образует седлообразную форму покрытия, по большой оси канаты провисают, в поперечном направлении они имеют обратную кривизну.
Первое вогнутое радиальное покрытие появилось в 1956 г. Оно было применено по проекту архитектора Риоса в Монтевидео (Уругвай) для стадиона круглой формы в плане диаметром 94 м. Жесткость покрытия была обеспечена предварительным напряжением кровли путем временного пригруза железобетонных плит кирпичом.
В 1968 г. на Всемирной выставке в Брюсселе по проекту архитектора Стоуна павильон США был перекрыт двухпоясной радиальной, вантовой системой. В плане павильон имел круглое очертание Диаметром 104 .м. Система стальных канатов передавала распор на наружное кольцо и центральный барабан диаметром 20 м и высотой 8,5 м.
После первого применения висячих покрытий прошло около трех десятилетий. За это время они все шире и шире внедрялись в строительную практику. Следует, отметить, что стремление использовать свойства висячих покрытий, (поиски архитектурного образа, решение различных проблем проектирования и возведения покрытий привели к быстрому развитию типов этих конструкций. В настоящее время различные системы покрытий позволили создать весьма выразительные и оригинальные произведения современной архитектуры.
Основная часть
В литературе имеются разнообразные предложения по классификации покрытий, которые охватывают различные признаки: геометрию поверхности, форму сооружения в плане, конструктивную схему вант, материал покрытия, характер обеспечения жесткости и т. п. Поскольку практически любое висячее покрытие состоит из пролетной части и опорного контура, то целесообразно делить покрытия в зависимости от конструктивных и статических особенностей на следующие основные схемы:
· висячие оболочки,
· винтовые покрытия,
· висячие фермы и балки,
· мембраны,
· комбинированные системы,
· подвесные конструкции.
Висячие оболочки образуются путем укладки на ванты железобетонных, армоцементных или керамзитобетонных плит с последующим замоноличиванием швов вместе с вантами для обеспечения жесткости покрытия. Висячие оболочки образуются также при укладке монолитного бетона по вантам. По конструктивному решению все висячие оболочки являются однопоясными системами и имеют плоский опорный контур. Ванты в таких покрытиях располагают параллельно или радиально, в отдельных случаях возможно применение пересекающихся вант в виде провисающей сети. тросовый ферма верта конструкция покрытие
Байтовыми считают такие покрытия, в которых жесткость обеспечивается путем использования системы несущих и стабилизирующих вант, образующих двухпоясную конструкцию или сеть. Вантовая сеть всегда имеет поверхность отрицательной гауссовой кривизны. Вантовое покрытие может быть выполнено из нитей, натянутых как струны. После укладки элементов кровли вантовая система, как правило, продолжает работать без обеспечения совместной работы ограждающих элементов между собой и с опорным контуром. В висячей оболочке вантовую схему используют как промежуточную стадию при строительстве.
Висячие фермы и балки представляют собой жесткие ванты. Их используют для стабилизации покрытий с легкой кровлей.
Мембраны являются висячими оболочками, и которых несущая конструкция выполнена из тонколистового металла (стали или алюминиевого сплава).
Комбинированные системы состоят из гибких вант и жестких элементу. Жесткие элементы применяют для стабилизации формы покрытия и распределения сосредоточенных и неравномерных нагрузок на несколько несущих вант.
Подвесные конструкции образуют комбинацией внешних тросов и жестких балок или ферм.
Материалом для вант в висячих покрытиях служит сталь, которую применяют в виде канатов, арматурных стержней и пучков из высокопрочной проволоки.
Для сравнительно небольших пролетов используют ванты из арматурной стали периодического профиля классов A-III и A-IV. Максимальный диаметр стержневой арматуры для вант ограничен 40 мм.
Весьма широкое применение для вант получили канаты. Отечественная промышленность выпускает стальные канаты следующих видов:
· одинарной свивки (пряди, или спиральные);
· двойной свивки (тросовые), т. е. проволоки скручены в пряди, а пряди - в канаты;
· многократной свивки (кабельтовые).
Для висячих покрытий в основном используют канаты одинарной и двойной свивки. В канатах с точечным касанием проволок (ТК) угол наклона свивки по слоям постоянный, поэтому шаг свивок по слоям разный и проволоки в них касаются одна другой в отдельных точках. В канатах с линейным касанием проволок (ЛК) шаг свивки во всех слоях пряди одинаковый. Эта особенность отражается на жесткости канатов: канаты типа ЛК являются более гибкими по сравнению с канатами типа ТК.
Канаты изготовляют из высокопрочной проволоки с временным сопротивлением разрыву 1176, 1274, 1372, 1470, 1568, 1666, 1764, 1862 и 1960 МПа. Разрывное усилие каната меньше суммарного разрывного усилия проволок. В зависимости от конструкции каната эти потери составляют: 15-19%-для канатов типа ТК конструкции 1х37 и типа ЛК-Р конструкции 6x19; 20-25% для канатов типа ТЛК-РО конструкции 6х36. Витая структура каната снижает первоначальный модуль упругости каната при одинарной свивке на 15-35% и при двойной свивке на 50-65%.
Для устранения неупругих деформаций и повышения первоначального модуля упругости канаты необходимо подвергать предварительной вытяжке в течение примерно 2 часов с нагрузкой 65-76% разрывного усилия. После вытяжки модуль упругости для закрытых спиральных канатов составляет 167 ГПа, для спиральных канатов с металлическим сердечником - 147 ГПа и канатов с органическим сердечником -127 ГПа.
Для вант из пучков используют высокопрочную проволоку, гладкую или периодического профиля диаметром 4-6 мм. Проволока меньших диаметров интенсивнее подвергается коррозии, проволока больших диаметров, труднее поддается обработке и имеет меньшие значения расчетного сопротивления.
Статика вантовых систем
· Стабилизация пригрузкой (рис. 1, а)
· Двухпоясные системы (рис. 1,б)
· Перекрестные системы (рис. 1,в)
Предварительное натяжение или пригрузка, как и стабилизация отдельных тросов, - характерный признак вантовых конструкций. Чем больше предварительное натяжение, тем меньше при той же нагрузке деформация троса. Благодаря этому можно ограничить деформации вантовых систем, что они не превысят соответствующих величин для обычных (жестких) конструкций. Предварительное натяжение (пригрузка) значительно улучшает работу вантовых конструкций при динамических воздействиях.
Различными способами стабилизации отдельных тросов можно создать вантовые системы различных типов (рис. 2). Для однопоясных систем (рис. 2,а) необходимо устройство достаточно тяжелой конструкции покрытия; для двупоясных и перекрестных систем (рис. 2, б и в) можно применять легкие покрытия. Форма поверхности покрытия определяется принятым типом вантовой системы. При параллельном расположении отдельных тросов или тросовых ферм образуется поверхность одинарной кривизны; при радиальном их расположении либо при использовании перекрестной системы тросов - поверхность двоякой кривизны.
1. Конструктивные формы вантовых покрытий
Вантовые покрытия можно применять для покрытий зданий практически любого очертания в плане. Вантовые покрытия могут различаться по конструкции заполнения покрытия (легкие или тяжелые покрытия) и по геометрической форме поверхности (цилиндр, конус, эллипсоид, гиперболический параболоид, складки и т.п.). В качестве определяющих признаков различных конструктивных форм приняты кривизна поверхности покрытия и тип тросовой системы.
Система из одиночных тросов. Несущая конструкция покрытия состоит из параллельно расположенных растянутых элементов (тросов), образующих вогнутую поверхность. Для системы этого типа необходима тяжелая конструкция заполнения покрытия. Заполнения выполняют преимущественно из кессонированных сборных железобетонных плит. При малых пролетах покрытия бетонное заполнение может быть без предварительного напряжения. При больших пролетах необходимо предварительное напряжение бетона для ограничения трещинообразования, одновременно ограничивается деформативность конструкции.
Вантовые покрытия с параллельными одиночными тросами применяют для прямоугольных в плане зданий (рис.3).
Двухпоясные вантовые системы. Несущие элементы таких систем состоят из несущего и стабилизирующего тросов, имеющих кривизну разног знака. Двупоясные системы выполняют обычно в виде тросовых ферм, в которых несущий и стабилизирующий тросы связывают между собой стержнями круглого сечения или тросовыми растяжками (рис. 4).
Преимущества двухпоясных вантовых систем в том, что загруженной собственным весом покрытия тросовой ферме предварительным напряжением можно придавать очертания, соответствующее веревочной кривой для преобладающей временной нагрузки, при этом существенно ограничивается деформативность конструкции. Тросовые фермы отличаются высоким значением декремента затухания колебаний и, следовательно, достаточной надежностью при динамических воздействиях.
Оптимальная величина стрелы провеса (подъема) поясов тросовых ферм для верхнего пояса составляет 1/17 - 1/20, для нижнего пояса 1/20 - 1/25 соответствующего пролета.
На рис. 5 показана схема покрытия с тросовыми фермами на прямоугольном плане. Такие покрытия можно применять и для многопролетных зданий, поскольку величина горизонтальных составляющих опорных реакций, передаваемых на анкерные фундаменты, не зависит от числа пролетов.
Системы из одиночных тросов. Покрытия этого типа могут быть в плане различного очертания, чаще всего их выполняют с круговым планом. Растянутые элементы (тросы) располагают радиально, реже - по хордам. Круговое покрытие в форме вогнутой поверхности вращения ограничиваются по контуру сжатым опорным кольцом. Радиальные тросы, усилия в которых одинаковы при равномерной нагрузке, прикрепляются в середине к растянутому центральному кольцу (рис. 6,а). Устанавливая в центре опору, получают шатровое вантовое покрытие (рис. 6, б).
Заполнение покрытия выполнено из кессонированных сборных железобетонных плит трапециевидного очертания различных размеров.
Вантовые покрытия из одиночных тросов часто применяют и для перекрытия эллиптических планов. Недостаток этого типа покрытий состоит в том, что усилия в тросах при равномерной нагрузке оказываются неодинаковыми, вследствие чего в наружном кольце возникают и сжимающие усилия, и изгибающие моменты. В еще большей степени проявляется этот недостаток в покрытиях с прямоугольным планом. Известны покрытия круглые в плане с применением вантовой фермы Яверта: вантовое покрытие, включающее несущий и стабилизирующий пояса, образующие собой вантовые сети с четырехугольными ячейками, смещенными в плане относительно друг друга, и объединенные зигзагообразными раскосами в пересекающиеся наклонные вантовые фермы с треугольной геометрически неизменяемой решеткой, отличающееся тем, что несущий и стабилизирующий пояса, а также соединяющая их раскосная решетка выполнены непрерывными зигзагообразными вантами, которые пропущены через установленные в углах ячеек вантовых сетей соединительные элементы замкнутого профиля с криволинейной внутренней поверхностью, с образованием между ними участков взаимно пересекающихся наклонных вантовых ферм. Пояса которой объединяет наклонная треугольная раскосная решетка. Недостатком фермы Яверта является большой собственный вес, сложность сборки и трудоемкость монтажа.
Складчатые радиальные покрытия с вантовыми фермами
а - система Яверта (раскосы условно ас показаны); б - варианты складок при вертикальном расположении вантовых Дерм
Двухпоясные системы. При конструировании таких систем используют те же принципиальные решения, что и для двухпоясных систем одинарной кривизны или покрытий двоякой кривизны из одиночных тросов.
Некоторые формы круговых двухпоясных систем показаны на рис. 7; возможны и комбинированные системы из радиальных и параллельных вантовых ферм.
Перекрестные системы (тросовые сетки). Эти сетки образуются двумя взаимно ортогональными семействами параллельных тросов (несущих и стабилизирующих); поверхность покрытия при этом имеет седловидную форму.
Применение перекрестных систем дает архитекторам возможность создавать весьма разнообразные формы вантовых покрытий (рис. 8).
Для перекрестных вантовых систем оптимальная величина стрелы подъема стабилизирующих тросов составляет 1/12 - 1/15 пролета, а стрелы провеса несущих тросов 1/25 - 1/75 пролета.
Перекрестные вантовые системы сочетаются с легкими кровельными покрытиями, в качестве, которого часто применяют сборные плиты из легкого бетона или армоцемента.
Ввиду малого собственного веса покрытий из тросовых сеток существенное значение приобретает ветровая нагрузка. Существует опасность появления флаттера (динамической неустойчивости) таких покрытий, особенно при малой кривизне.
Конструкции этого типа характеризуются повышенной чувствительностью к температурным воздействиям. Для них опасны также динамические нагрузки, особенно при больших пролетах.
Струнное покрытие состоит из параллельно расположенных стальных струн (диаметром до 5 мм), которые натягивают между жесткими (неподвижными) торцевыми конструкциями. Чтобы ограничить прогибы струн и предотвратить их поднятие при ветровом отсосе, струны подкрепляются в пролете балками или фермами, располагаемыми с шагом до 12 м. Такая конструкция и может быть использована для протяженных в плане покрытий железобетонных платформ, складов и промышленных зданий.
Другой возможный тип конструкции покрытия - ортогональная тросово-балочная сетка, образованная семейством тросов и семейством перпендикулярных к ним жестких балок (рис. 9).
Высокие прочности свойств тросов эффективно используются в разного рода плоскостных и пространственных конструкциях из стали или железобетона с вантовыми подвесками (рис. 10).
1. Опорные конструкции вантовых покрытий
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 основании сооружения и создание жесткого опорного контура покрытия для ограничения деформаций вантовой системы.
Характер действующих на опорную конструкцию нагрузок от усилий в тросах зависит от очертания покрытия в плане.
В покрытиях с прямоугольным или квадратным планом тросы (или тросовые фермы) обычно расположены параллельно друг другу. При этом горизонтальные усилия распора оказываются приложенными в верхних точках опорной конструкции.
Варианты решения несущих конструкций и оснований (фундаментов):
· Передача распора через жесткие балки на торцевые диафрагмы (рис.11, а). Примером такой конструкции (рис. 12) является плавательный бассейн в Вуппертале, Германия (рис. 13).
· Передача распора на рамы, расположенные в полостях тросов (рис. 11, б). Примером конструкции является Городской зал в Бремене, Германия (рис. 14). На рис. 15 показаны массивные рамы опорной конструкции покрытия зала, расположенные с шагом 12,5 м и воспринимающие распор от несущих элементов висячего покрытия, выполненных из предварительно – напряженного железобетона.
· Передача распора через тросовые оттяжки (рис. 11, в). Конструкции несущих стоек и оттяжек вантового покрытия ледового стадиона «Юханнесхоф» в Стокгольме (рис. 16).
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;
− с передачей усилий в тросах на наклонное наружное кольцо;
− -с передачей распора на наклонные контурные арки, опирающиеся на ряд стоек, которые воспринимают вертикальные усилия от покрытия.
Для восприятия усилий в арках их пяты опирают на массивные фундаменты, либо связывают затяжками.
2. Конструктивные элементы и детали вантовых покрытий
Проволочные тросы (канаты).
Основной конструктивный материал вантовых покрытий – изготавливаются из стальной холоднотянутой проволоки диаметром 0,5 … 6 мм, с пределом прочности до 220 кг/мм». Различают несколько типов тросов:
− спиральные тросы (рис. 17, а), состоящие из центральной проволоки, на которую спирально навиты последовательно в левом и правом направлении несколько рядов круглых проволок;
− многопрядевые тросы (рис. 17, б, в), состоящие из сердечника (пенькового каната или проволочной пряди), на который навиты односторонней или перекрестной круткой проволочные пряди (пряди могут иметь спиральную свивку) в этом случае трос будет называться спиральнопрядевым;
− закрытые или полузакрытые тросы (рис. 17, г, д), состоящие из сердечника (например, в виде спирального троса), вокруг которого навиты ряды проволок фигурного сечения, обеспечивающие их плотное прилегание (при полузакрытом решении трос имеет один ряд навивки из круглых и фигурных проволок);
− тросы (пучки) из параллельных проволок (рис. 17, е), имеющие прямоугольное или многоугольное сечение и связанные между собой через определенные расстояния или заключенные в общую оболочку;
− плоские ленточные тросы (рис. 17, ж, з), состоящие из ряда витых тросов (обычно четырех прядевых) с попеременной правой или левой круткой, связанных между собой одинарной или двойной прошивкой проволокой или тонкими проволочными прядями, требуют надежной защиты от коррозии. Возможны следующие способы антикоррозийной защиты тросов: оцинкование, лакокрасочные покрытия или смазки, покрытие пластмассовой оболочкой, покрытие оболочкой из листовой стали с нагнетанием в оболочку битума или цементного раствора, обетонирование.
Окончания тросов должны быть выполнены таким образом, чтобы обеспечивать прочность окончания не меньше прочности троса и передачу усилий от троса на другие элементы конструкции.
3. Концевое крепление тросов
Традиционный вид концевого крепления тросов – петля со сплеткой (рис. 18,а), когда конец троса распускается на пряди, которые вплетаются в трос. Для обеспечения равномерной передачи усилия в соединении в петлю вкладывают коуш. По длине тросы сращивают также сплеткой, кроме закрытых соединений.
Вместо сплетки для скрепления и сращивания тросов часто применяют зажимные соединения:
− запрессовывание обеих ветвей троса при петлевом креплении в овальную муфту из легкого металла, внутренние размеры которой соответствуют диаметру троса (рис. 18, б);
− винтовые соединения, когда конец троса распускают на пряди, которые укладывают вокруг стержня с винтовой нарезкой, а затем запрессовывают в муфту из легкого металла (рис.18, в);
− крепление посредством хомутов (рис. 18, ж), не рекомендуемых для напряженных тросов вантовых покрытий, так как они с течением времени ослабевают;
− крепление тросов с заливкой металлом, когда конец троса расплетают, очищают, обезжиривают и помещают в коническую внутреннюю полость специальной муфты-наконечника, а затем заливают муфту расплавленным свинцом или сплавом свинца с цинком (возможна заливка бетоном);
− клиновые крепления тросов, редко применяемые в строительстве;
− стяжные муфты, применяемые для корректировки длины тросов при монтаже и их предварительного натяжения.
4. Анкерные узлы
Анкерные узлы служат для восприятия усилий в тросах и передачи их на опорные конструкции. В предварительно - напряженных вантовых покрытиях они используются также для предварительного натяжения тросов.
На рис. 19, а, показана анкеровка радиального троса кругового вантового покрытия в сжатом опорном кольце. Чтобы обеспечить свободное перемещение троса при изменении угла его наклона, в опорном кольце и примыкающей к нему оболочке покрытия устроены конические гильзы, заполненные битумом. Жесткое опорное кольцо и гибкая оболочка разделены деформационным швом.
5. Покрытия и кровли
Вантовые конструкции более деформативны, чем другие типы конструкций; поэтому и покрытие по вантам должно быть достаточно гибким, чтобы под нагрузкой в нем не образовывались трещины и не раскрывались швы. Кровли по вантовым покрытиям выполняются из стальных или алюминиевых листов, асфальтной или битумной массы, рубероида, технических тканей и т.п. В зависимости от назначения сооружения покрытие может быть теплым или холодным.
В зависимости от типа вантовой системы применяют тяжелую либо легкую конструкцию покрытия.
Тяжелые покрытия. Масса их достигает 170 – 200 кг на кв.м; выполняют их преимущественно из железобетона. Иногда используют армированный лёгкий бетон. Для сборных покрытий иногда применяют плоские плиты, но в основном ребристые, толщиной (между ребрами) 25 – 35 мм. Сборные плиты обычно подвешивают между тросами; швы между плитами замоноличивают (рис. 20, а,б).
При устройстве предварительно-напряженных висячих покрытий одинарной кривизны ванты выполняют из круглой стали и размещают в ребрах, собираемых из отдельных железобетонных элементов; в этом случае плиты укладывают непосредственно по ребрам (рис. 20, в).
Если покрытие выполнено в монолитном железобетоне, то бетон укладывают по опалубке, размещаемой, ниже тросов, либо между ними (рис. 21).
Легкие покрытия. Максимальная масса таких покрытий 40 – 60 кг на кв.м. Железобетон используется редко. Заполнение покрытия выполняют из крупноразмерных стальных или алюминиевых профилированных листов (рис. 22), которые служат одновременно и несущими элементами ограждения, и кровлей, если теплоизоляция отсутствует или размещается снизу (рис. 22, а,б).
Многие вантовые покрытия выполняются с деревянным заполнением (рис.23); преимущество такой конструкции является малая масса, простота изготовления и возможность использования готовых сборных элементов.
Перспективны для вантовых конструкций пластмассы, в том числе стеклопластиковые панели и ткани с полимерными покрытиями.
Список литературы
1. Руле, Г. Пространственные покрытия (конструкции и методы возведения). 2 том. М.: Стройиздат, 1974, 247с. Таб.30. ил. 413.
2. Демина,А.В. Здания с большепролетными покрытиями: Учеб пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. 88 с.
3. Теличенко, В.И. Технология возведении зданий и сооружений: Учеб. пособие для строит. вузов/ В.И. Теличенко, О.М. Терентьев, А.А. Лапидус. - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 446 с., ил.
Иллюстрации
2
4.
5
6
12
16
17
23