Формообразование и конструктивные схемы вантовых покрытий

12.09.2020

Вантовые покрытия составляют одну из основных групп пространственных покрытий, к которым относятся также висячие оболочки, мембраны, тентовые конструкции и др. Для вантовых покрытий характерно наличие в качестве основных несущих элементов провисающих вант, работающих в основном на растягивающие усилия. Ванты могут быть как гибкими, так и достаточно жесткими, способными воспринимать не только растягивающие усилия, но также изгибающие моменты.

В любом вантовом покрытии можно выделить три части: несущую конструкцию, элементами которой служат растянутые ванты, плиты ограждения и опорный контур, воспринимающий усилия от пролетной конструкции. Характерными усилиями, передающимися на опорный контур, являются горизонтально направленные усилия распора, достигающие при малых стрелках провиса вант значительных величин. Поэтому одной из важных задач проектирования вантовых покрытий является определение оптимальной формы и конструктивного решения опорного контура.

Для вантовых покрытий характерным также является их сравнительно большая деформативность, в основе которой лежит геометрическая изменяемость гибких нитей и тонких оболочек. Задачей проектирования является создание систем с ограниченными кинематическими и упругими перемещениями, что достигается, например, введением в конструкцию второй вспомогательной системы вант, имеющих противоположную по отношению к основной системе кривизну, а также пригрузом, замоноличиванием, использованием вант с изгибной жесткостью и другими способами.

Накопленный опыт свидетельствует о рациональности применения вантовых покрытий не только в уникальных большепролетных зданиях, но и в покрытиях зданий массового применения с пролетами от 24 м и более.

К недостаткам вантовых покрытий следует отнести необходимость принятия специальных мер, ограничивающих деформативность. Кроме того, наличие распорных усилий ограничивает использование вантовых покрытий в прямоугольных в плане зданиях, где эти усилия могут быть восприняты ценой существенных затрат на устройство опорного контура.

Классификация и конструктивные схемы вантовых покрытий. По характеру статической работы висячие конструкции делят на следующие шесть групп: 1) вантовые сетки; 2) системы из вант и балок; 3) висячие оболочки; 4) системы из жестких вант; 5) вантовые фермы; 6) комбинированные.

С точки зрения передачи усилий на опоры вантовые покрытия можно разделить на системы с замкнутым и разомкнутым опорными контурами. Системы с замкнутым опорным контуром являются внутренне уравновешенными и передают на нижележащие конструкции в основном только вертикальные силы, в то время как висячие покрытия с разомкнутым контуром передают на каркас здания также и усилия распора. В последнем случае требуется устройство мощных контрфорсов, пилонов или оттяжек, заанкеренных в грунте. Некоторые типы вантовых покрытий имеют шатровую поверхность с внутренними опорами, которые дают возможность организовать наружный водосток.

Вантовые сетки. Разнообразные вантовые системы основаны на комбинации отдельных гибких нитей, образующих сетчатые поверхности различной геометрической формы. Вантовые сетки, образующие поверхности положительной и нулевой гауссовой кривизны, например сферические или цилиндрические, являются, подобно отдельной гибкой нити, системами геометрически изменяемыми, т. е. сильно меняющими свою форму в зависимости от места приложения нагрузки. Такие сетки могут применяться лишь в качестве конструктивной основы для укладки по ним железобетонных плит и превращения вантовой системы в висячую железобетонную оболочку. Тогда в процессе эксплуатации вантовая сетка играет роль основной несущей растянутой арматуры, работающей совместно с бетоном оболочки. Самостоятельное значение имеют сети, образующие поверхности отрицательной гауссовой кривизны. Характерной особенностью таких сетей является возможность создания в их элементах предварительного натяжения и тем самым повышения их жесткости при действии неравновесных нагрузок. Такие сети можно рассматривать как мгновенно жесткие, т. е. обладающие при определенных параметрах и принципах построения ограниченными деформациями. Наиболее характерными представителями таких вантовых сетей являются сетки с поверхностью типа гиперболического параболоида, описываемого уравнением

где fх — стрелка несущих вант; fу — стрелка стабилизирующих вант; а — полупролет несущих вант; b — полупролет стабилизирующих вант.

Существует большое разнообразие форм поверхностей отрицательной гауссовой кривизны, которые можно описать с точки зрения их геометрического построения движением кривой по другой линии, имеющей кривизну противоположного знака. В частности, получили распространение сетки с шатровой поверхностью (рис. 2.11.1, а). На практике встречаются и более сложные поверхности, имеющие переменную кривизну.

В вантовых сетчатых покрытиях с легким кровельным ограждением следует избегать наличия участков с нулевой или положительной кривизной, так как в них невозможно создать предварительное натяжение, поэтому такие участки являются неустойчивыми по отношению к ветровым нагрузкам.

Специальным подбором усилий предварительного натяжения в несущих и стягивающих вантах можно добиться безмоментного состояния опорного контура. Однако последующие загружения конструкции приводят к нарастанию усилий в несущих вантах и ослаблению усилий в стягивающих вантах, что приводит к моментному состоянию контура.

В седлообразных покрытиях с ортогональной сеткой вант в процессе загружения происходит их распластывание (горизонтальные перемещения наружу нижних точек контура), для противодействия которому применяются контрфорсы или затяжки, соединяющие нижние точки покрытия между собой.

В местах пересечения вант между собой ставятся сжимы, препятствующие взаимному смещению вант. Это дает возможность укладывать на сетку кровельные панели фиксированных размеров. Так как предварительно напряженные вантовые сетки обладают необходимой жесткостью, в качестве кровельного ограждения могут использоваться легкие плиты. В качестве таковых на практике применяют деревянные щиты, стальной профилированный настил, армо-цементные плиты и др. Как правило, такие плиты не превращают вантовое покрытие в оболочку, способную воспринимать сдвигающие усилия и изгибающие моменты. Поэтому все эксплуатационные нагрузки воспринимаются вантовой сеткой.

Усилия предварительного натяжения вант должны быть подобраны таким образом, чтобы при любом возможном загружении покрытия, стабилизирующие ванты оставались в натянутом состоянии. Очертание контура должно соответствовать принятой геометрии поверхности вантовой сетки. Конструкция опорного контура должна обеспечивать возможность регулировки и натяжения вант как во время монтажа, так и в период эксплуатации.

Висячие покрытия в виде вантовых сетей отличаются малым расходом стали и эффективны в большом диапазоне пролетов (24...100 м). Стрелки несущих вант принимаются по величине равными 1/15...1/25 пролета. Стабилизирующие ванты рациональнее делать более пологими — 1/30...1/40 пролета, в этом случае вантовые сети и контур имеют меньшие деформации. Площади сечения стабилизирующих вант обычно в 2...4 раза меньше несущих.

Монтаж висячих покрытий в виде вантовых сеток выполняется в следующем порядке: монтаж опорного контура; навеска и регулировка несущих вант; навеска, регулировка и закрепление в узлах стабилизирующих вант; предварительное натяжение вантовой сетки путем вытяжки концевиков вант (стабилизирующих, несущих или тех и других); монтаж кровельных панелей.

Наиболее сложным в техническом отношении этапом возведения является предварительное натяжение вантовой сети, при котором в каждой ванте должна быть достигнута величина усилия, заданная проектом. При большом количестве вант эта операция становится весьма трудоемкой, так как натяжение одной из вант оказывает влияние на другие. В настоящее время разработаны специальные программы расчета, позволяющие применить оптимальную стратегию натяжения за наименьшее количество циклов.

Системы из вант и балок. Если очертание поверхности вантового покрытия выбрано по поверхности нулевой гауссовой кривизны (цилиндрической), то необходимой жесткости вантового покрытия можно достичь, применяя систему в виде вант и балок (рис. 2.11.1, б), в которой гибкие ванты располагаются вдоль линий главных кривизн, а балки (фермы) укладываются вдоль прямолинейных образующих. В местах пересечения ванты и балки связываются между собой. В таких системах на равновесные (равномерно распределенные) нагрузки в работу включаются, главным образом, ванты, в то время как неравновесные (односторонние, местные, сосредоточенные) нагрузки воспринимаются балками за счет их изгиба. В таких системах целесообразно создавать предварительное натяжение вант, с целью создания в балках изгибающих моментов противоположного знака. Конструктивно поперечные балки можно выполнить в виде решетчатых ферм, а также прокатных или сварных балок. Связь вант и балок осуществляется при помощи сжимных болтовых соединений. Устойчивость балок в плоскости покрытия обеспечивается системой горизонтальных связей. По балкам или вантам укладываются панели кровельного ограждения, которые могут быть выполнены из различных материалов — железобетона, армоцемента, металлических листов, дерева и др.

Покрытия в виде вантово-балочной системы проектируют различной формы в плане — прямоугольной, круглой, овальной, эллиптической — и они могут иметь замкнутый или разомкнутый опорный контур. Как и в других типах вантовых конструкций, замкнутый криволинейный контур предпочтительнее с точки зрения снижения величины изгибающих моментов от передающихся на него распорных усилий от вант. При этом поперечные балки удерживают контур от распластывания. В покрытиях па прямоугольном плане следует развивать контурные балки в плоскости подхода к ним растянутых вант для восприятия значительных изгибают их моментов. При значительных пролетах контурных балок затраты материала на них могут свести на нет экономический эффект от применения вантовой системы. Анкеровка вант в контуре должна предусматривать возможность их регулировки и натяжения, для чего применяются сквозные отверстия, в которые проходят резьбовые концевики вант, или же талрепы в анкерных закреплениях.

Вантово-балочные покрытия на прямоугольном плане эффективны при пролетах балок 24...30 м. При больших прилетах существенно возрастает расход на изгибаемые контурные балки, к которым крепятся ванты. Для систем с криволинейным замкнутым опорным контуром оптимальные пролеты балок увеличиваются до 36...48 м. Стрелки несущих вант могут приниматься в широких пределах: от 1/10 до 1/30 пролета. Высота балок принимается в пределах от 1/20 до 1/40 пролета.

Монтаж вантово-балочных покрытий выполняется после возведения контура последовательной установкой балок, навеской вант, соединением вант и балок между собой и последующей регулировкой и натяжением системы.

Висячие оболочки. Висячие оболочки, как правило, имеют геометрические аналоги среди традиционно применяемых в строительстве сжатых оболочек, являясь как бы их зеркальным отражением относительно горизонтальной плоскости. Так, куполу соответствует висячая сферическая оболочка, своду — цилиндрическая висячая оболочка и т. п. Основные растягивающие напряжения в висячих оболочках воспринимаются вантами, располагающимися вдоль линий главных растягивающих усилий. Наиболее часто в качестве плит заполнения используются железобетонные плиты, которые создают единую оболочку при замоноличивании швов и предварительном натяжении вант. После натяжения система начинает работать как монолитная оболочка, способная воспринимать сдвигающие усилия, а также изгибающие и крутящие моменты.

Наиболее часто применяются на практике сферические или шатровые висячие оболочки, в основе которых лежит радиальная вантовая сеть, закрепляемая в наружном сжатом и внутреннем растянутом кольцах (рис. 2.11.1, в). После выверки геометрии вантовой сети, производимой при помощи резьбовых концевиков, на ванты навешиваются железобетонные плиты, соединяемые с вантами арматурными выпусками. По такому же принципу осуществляются цилиндрические висячие покрытия, выполняемые по системе параллельно расположенных вант, заанкеренных в опорных балках (рис. 2.11.1, в).

Ванты рассчитываются на полную нагрузку, приходящуюся на покрытие (собственный вес, снег, полезная нагрузка и т. д.), и в эксплуатационном состоянии являются основной арматурой железобетонной оболочки. Предварительное натяжение выполняется несколькими способами: замоноличиванием швов между плитами под пригрузом, эквивалентным прикладываемой впоследствии к покрытию нагрузке; натяжением вант после замоноличивания швов (в этом случае ванты помещаются в каналах, подлежащих последующему инъецированию цементным раствором); замоноличиванием швов между плитами при помощи напрягающего цемента. Раствор на таком цементе обладает способностью при застывании увеличиваться в объеме, производя давление на смежные поверхности.

Каждый из этих способов обладает определенными положительными и отрицательными качествами и выбирается исходя из конкретных условий. Так, первый способ не требует специального оборудования (домкратов, инъекторов и др.), однако создает необходимость в большой массе пригруза. Кроме того, опорный контур в этом случае испытывает наибольшие усилия. Во втором случае к моменту натяжения уже существует оболочка, что благоприятно влияет на работу контура (особенно прямоугольного в плане), однако процесс натяжения многих вант требует использования мощных гидравлических домкратов и квалифицированной рабочей силы. Третий способ, в принципе, прост, однако требует проверки степени предварительного натяжения и высокой культуры труда.

В строительной практике применяют также висячие железобетонные оболочки, возводимые на основе седловидных вантовых сеток с поверхностью отрицательной гауссовой кривизны. В этом случае после возведения и предварительного натяжения вантовой системы ячейки сети заполняются железобетонными плитами. Предварительное обжатие плит оболочки проводится здесь только в направлении несущих вант. При этом швы между плитами в другом направлении будут раскрываться. Эти швы заполняются бетоном во вторую очередь. В экспуатационном состоянии при воздействии на покрытие временных нагрузок седловидная оболочка работает как на сжимающие, так и на растягивающие и сдвиговые усилия.

Следует отметить, что висячие оболочки обладают жесткостью, долговечностью и пожаростойкостью; в них эффективно используются как высокопрочные ванты, так и железобетон. При этом их возведение выполняют по навешенной заранее системе вант. Соотношение толщины оболочки к пролету может быть принято 1/600...1/800. Стрелки провиса несущих вант висячих железобетонных оболочек принимаются 1/10...1/25 пролета. Пролеты висячих железобетонных оболочек могут варьироваться в весьма широких пределах — от 18 до 100 м. Для малых пролетов в качестве вант могут быть использованы арматурные стержни, для пролетов более 50 м — пучки проволок или канаты.

Системы из «жестких» вант. В ряде случаев ванты целесообразно изготавливать из элементов, обладающих изгибной жесткостью — уголковых, тавровых, двутавровых или иных прокатных профилей. Иногда применяются криволинейные по очертанию решетчатые фермы. Таким вантам придается форма веревочной кривой, при которой ванты работают на основные, равномерно распределенные, и нагрузки на растяжение.

При воздействии на покрытие несимметричных или нераспределенных нагрузок (односторонних, сосредоточенных и др.) такие ванты начинают работать также и на изгиб. Однако доля напряжений, возникающих в таких вантах от изгиба, сравнительно невелика. Она тем меньше, чем больше пригружается ванта нагрузкой от собственного веса и меньше изгибная жесткость вант. Задачей расчета является определение оптимальных жесткостных характеристик вант, при которых удовлетворяются как условия прочности, так и деформативности. При том, что современные марки стали имеют высокие прочностные показатели, системы из жестких вант имеют хорошие технико-экономические показатели расхода стали и ее стоимости, они просты в изготовлении и монтаже. При монтаже жестких вант используют навесной метод, когда ванты, которым при изготовлении придается соответствующая криволинейная форма, ставятся в проектное положение целиком при помощи монтажных траверс. По концам ванты закрепляются к закладным частям посредством цилиндрических шарниров, обеспечивающих свободный поворот концевых частей при их загружении. Иногда применяют монтаж вант, изготовляемых предварительно в виде «шарнирных цепей», т. е. прямолинейных участков, соединенных между собой по концам посредством одиночных осевых пальцев (болтов). После того как «шарнирные цепи» под собственным весом занимают требуемое провисающее положение, промежуточные шарнирные узлы заглушаются при помощи сварки.

В связи с тем, что системы из жестких вант передают на опорные закрепления распорные усилия, для них сохраняются в силе условия создания безмоментных опорных контуров. Так, для радиальных систем целесообразно устройство кольцевых замкнутых контурных балок, расположенных в горизонтальной плоскости, для систем с параллельно расположенными вантами — замкнутых криволинейных контуров, лежащих в цилиндрической поверхности, и т. д. Для систем с прямоугольными планами более выгодным является расположение вант вдоль длинной стороны прямоугольника с передачей распора на короткие стороны. При этом снижается величина изгибающих моментов в опорном контуре. Системы жестких вант могут с эффективностью применяться для покрытий пролетами от 18 до 100 м (рис. 2.11.2). Отношение стрелок провиса вант к пролету 1/10...1/25. Оптимальная высота жестких вант 1/80...1/150 пролета.

Вантовые фермы. В вантовых фермах пояса, а в некоторых случаях и раскосная решетка, выполняются из гибких элементов, работающих на растяжение. Для придания вантовым фермам необходимой жесткости их подвергают предварительному натяжению; при этом растянутые элементы становятся способными воспринимать сжимающие усилия (в пределах исчерпания растяжения). По типу взаимного расположения поясов вантовые фермы встречаются трех типов (см. рис. 2.11.1): двояковыпуклые, двояковогнутые и с перехлестом поясов в пролете. В двояковыпуклых фермах стойки, соединяющие пояса, работают на сжатие, в двояковогнутых пояса соединяются элементами, работающими на растяжение (могут быть гибкими). В двояковогнутых фермах могут применяться различные типы раскосной решетки. Очертание вантовых поясов принимается по кривым давления от преобладающей части нагрузки. Вантовые фермы относятся к конструкциям, создающим распор, поэтому для восприятия этого распора необходимо использование специальных конструктивных элементов: замкнутых опорных контуров, контрфорсов, оттяжек и др.

К преимуществам вантовых ферм следует отнести их повышенную жесткость, при которой возможно использование легких кровельных панелей, к недостаткам — увеличенную трудоемкость, связанную с необходимостью предварительного натяжения большого числа элементов. Поэтому вантовые фермы целесообразно использовать в большепролетных покрытиях, в которых проблема снижения собственного веса является главной. Оптимальным вариантом является схема покрытия в виде параллельно расположенных ферм (для прямоугольного плана), а также в виде радиальных ферм с круговым опорным кольцом (для круглого плана).

Двойная система вант требует, в общем случае, восприятия распорных усилий в двух уровнях (например, двумя наружными или центральными опорными контурными кольцами). Для соединения раскосной решетки с вантовыми поясами применяются специальные сжимные муфты, препятствующие сдвигу посредством сил трения и обеспечивающие шарнирное крепление сходящихся в узле элементов. Для стоек, соединяющих пояса вантовых ферм, используются трубчатые профили, для раскосов и стяжек — круглая арматурная сталь.

Монтаж вантовых ферм целесообразно выполнять путем их предварительной сборки и подъема целиком на проектную отметку при помощи жестких траверс. После регулировки геометрии фермы подвергаются предварительному напряжению посредством вытяжки концевиков стабилизирующих вант.

Системы вантовых ферм рационально использовать для перекрытия пролетов от 60 до 120 м (рис. 2.11.3). Жесткость таких покрытий позволяет подвешивать к ним различное технологическое оборудование, что важно для применения вантовых ферм в зрелищных залах, сборочных цехах и других объектах.

Стрелки провиса несущих вант принимают в отношении 1/15...1/25 от пролета, стабилизирующие ванты целесообразно принимать более пологими — 1/30...1/40 от пролета. Площадь сечения стабилизирующих вант составляет обычно 1/3...1/5 от площади сечения несущих вант.

Комбинированные вантовые конструкции. В комбинированных конструкциях ванты используются с целью разгрузки каких-либо строительных элементов — балок, плит и др. Существует два основных приема усиления конструкций при помощи вант: устройство шпренгельных затяжек и подвеска к возвышающимся частям зданий и сооружений (см. рис. 2.11.1). Шпренгельные затяжки дают возможность увеличить несущую способность за счет увеличения строительной высоты конструкции. Очертание затяжек принимается с учетом их совместной работы с изгибаемой конструкцией, с которой затяжки соединяются при помощи сжатых стоек. Наиболее часто затяжки очерчиваются по параболическим кривым. Для шпренгельных систем выгодно использовать предварительное натяжение с целью создания в поддерживаемых элементах изгибающих моментов обратного знака.

К преимуществам использования высокопрочных гибких вантовых элементов следует отнести возможность создания внешне безраспорных замкнутых систем, передающих на опоры только вертикальные усилия. Существуют как плоскостные, так и пространственные шпренгельные системы, в которых поддерживающие ванты образуют перекрестную сетку.

В подвесных комбинированных системах ванты используются с целью разгрузки каких-либо других строительных элементов путем их подвески к высоким пилонам или к иным устройствам: аркам, каркасу здания и др. При этом за счет увеличения строительной высоты конструкции, не входящей в отапливаемый объем здания, существенно сокращается расход материалов и стоимость. В гражданском и промышленном строительстве к выступающим выше кровли верхушкам пилонов могут быть подвешены фермы, балки, структурные плиты и другие конструктивные элементы.

К преимуществам подвесных конструкций следует отнести их простоту и обширную область применения традиционных строительных систем. К недостаткам — необходимость в выступающих выше покрытия элементах (пилонах, подвесках и т. п.), требующих повышенного контроля при эксплуатации в атмосферной среде.

Для шпренгельных систем оптимальные соотношения стрелок поддерживающих вант к пролету составляют 1/15...1/25 пролета. Высота пилонов подвесных конструкций зависит от архитектуры здания, однако целесообразно выполнять подвески под большими углами к горизонтальной плоскости. Рекомендуемые пролеты покрытий с комбинированными вантовыми системами составляют: для шпренгельных систем 24...80 м; для подвесных систем 36... 100 м.

Комбинированные вантовые системы применяются в строительстве как для средних, так и большепролетных покрытий (рис. 2.11.4).


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна