Висячие (вантовые) конструкции

Для покрытия зальных помещений общественных зданий с пролетами 50 ÷ 100 м и более целесообразно применение висячих конструкций, в которых основными несущими элементами служат стальные тросы, сети из тросов, а также тонкие мембраны из листовой стали или алюминия. Эти несущие элементы конструкций, закрепленные по концам на опорах, провисают, образуя линию гибкой нити, и работают на растяжение.

В висячих конструкциях эффективно используется работа высокопрочных стальных тросов или листов на растяжение. Благодаря этому все элементы покрытия могут иметь предельно малые сечения. 

Висячие системы позволяют устраивать покрытия над зданиями разнообразной формы в плане. Одним из важных положительных качеств этих систем является также возможность возведения большепролетных покрытий без лесов и подмостей. Система тросов, перекинутых с опоры на опору, служит основанием для устройства ограждающей конструкции покрытия.

Однако висячие конструкции передают на опоры не только вертикальные, но и горизонтальные усилия, направленные внутрь сооружения. Для их восприятия необходимо устройство мощного жесткого опорного контура или оттяжек, надежно заанкеренных в грунте, что требует выполнения трудоемких неиндустриальных работ и дополнительной затраты материалов.

Опорные контуры висячих покрытий могут быть двух видов: незамкнутые и замкнутые. Незамкнутый опорный контур характерен для висячих покрытий прямоугольных в плане зданий с опорами в виде двух колонн, расположенных по двум противоположным сторонам. Этот вид покрытий носит название "палаточный". Замкнутый опорный контур может иметь круглую, эллиптическую или овальную форму с устройством опорного кольца по всему периметру здания.

В зависимости от формы и статической работы висячие конструкции разделяются на плоские и пространственные.

Плоские висячие конструкции покрытий (рис. 9.5) состоят из параллельных рядов тросов, закрепленных на опорах и провисающих по очертанию гибкой нити в пролетах. Такой вид покрытий, как правило, применяется над прямоугольными зданиями с незамкнутым опорным контуром.

 Для обеспечения пространственной устойчивости этого вида висячих покрытий применяются тяжелые ограждения из железобетонных панелей, после укладки которых на тросы, покрытию дают монтажную нагрузку, вызывающую натяжение тросов, и в таком состоянии замоноличивают швы между панелями вместе с тросами. Затем пригрузку снимают. Образуется вогнутая предварительно напряженная железобетонная оболочка цилиндрического очертания (рис. 9.5, а). Для отвода атмосферных вод средним тросам придают меньшую стрелу прогиба и постепенно увеличивают ее к торцевым краям покрытия, обеспечивая уклон в 1,5 2,5 %. По панелям укладывают пароизоляцию, слой утеплителя и затем гидроизоляционный ковер.

Рис. 9.5. Схемы висячих покрытий с плоскими несущими конструкциями:

а – однопоясное покрытие; б, в – двупоясные тросовые фермы; б – с неперекрещивающимися поясами; в – с перекрещивающимися поясами; г – однопоясное покрытие с наклонными рамами; д, е – с наклонными рамами-трибунами; 1 – кровля; 2 – железобетонные плиты; 3 – незамкнутый опорный контур (контурная балка); 4 – оттяжки; 5 – несущий трос; 6 – анкерные фундаменты; 7 – стабилизирующий трос; 8 – наклонные рамы; 9 – распорка; 10 – наклонная рама-трибуна; 11 – затяжка; 12 – фундамент

В покрытиях над прямоугольными зальными помещениями находят применение двухпоясные тросовые фермы (рис. 9.5, б; в), состоящие из верхнего и нижнего поясов и решеток в виде диагональных растяжек.

Восприятие горизонтальных усилий в висячих покрытиях с незамкнутым контуром (рис. 9.5, а) осуществляется с помощью прочно заанкеренных в грунте оттяжек (рис. 9.5, г-е) или рам с наклонными стойками (рис. 9.3, г; д), а также при относительно небольших пролетах распорных балок или ферм[8]. Устройство оттяжек и их заанкеривание вызывают значительное увеличение расхода материалов и трудоемкости, особенно в слабых грунтах. Опорные рамы с наклонными стойками, как правило, осуществляются в монолитном железобетоне, что весьма трудоемко. Поэтому висячие системы с незамкнутым опорным контуром применяются при благоприятных для осуществления анкеровки грунтах (плотных, скальных породах), а также при использовании наклонных рам в качестве несущих конструкций зрительских трибун.

Наиболее эффективно применение пространственных висячих покрытий зальных помещений при замкнутом опорном контуре, воспринимающем горизонтальные усилия. Наиболее целесообразна круглая форма опорного контура, обеспечивающая при равномерной нагрузке равномерное распределение усилий от покрытия и безмоментную работу самой контурной балки.

Рис. 9.6. Схема однопоясного висячего покрытия:

а – разрез; б – аксонометрия; 1 – стальные тросы; 2 – железобетонный опорный кольцевой контур; 3 – центральное стальное опорное кольцо; 4 – фонарь (световой или аэрационный); 5 – колонны; 6 – ограждающая конструкция; 7 – внутренний водосток; 8 – внутреннее опорное кольцо; 9 – аэрационный фонарь; 10 – внешнее опорное кольцо; 11 – железобетонные плиты; 12 – кровля

Висячие покрытия с круглым опорным контуром находят применение в виде однопоясных систем. В однопоясных круглых покрытиях тросы, расположенные радиально, закрепляются в контурном опорном и центральном кольцах (рис. 9.6). Внешнее кольцо, испытывающее сжимающие усилия, выполняется из железобетона; внутреннее растянутое – из стали. Обеспечение пространственной устойчивости в круглых однопоясных покрытиях достигается теми же способами, что и при незамкнутом контуре, т.е. путем применения тяжелого ограждения в виде железобетонных плит, замоноличивания перекрытия с предварительным напряжением тросов и превращения его в жесткую оболочку.

Отвод атмосферных вод от водоприемных воронок, расположенных в наиболее низкой части покрытия вокруг центрального кольца, осуществляется водосточными трубами, подвешенными к покрытию.

В двухпоясных висячих покрытиях нижние тросы, как правило, несущие, а верхние стабилизирующие (напрягающие), соединенные распорными трубчатыми стойками. В целом конструкция имеет форму двояковыпуклой линзы (рис. 9.7, а). В середине покрытия тросы крепятся к цилиндру, образованному верхним и нижним кольцами, соединенными стойками. Цилиндр служит основанием для светового и аэрационного фонаря и подвески оборудования зала. Конструкция отличается устойчивостью и стабильностью формы. В силу этого возможно применение легких ограждений из волнистой стали, алюминия и др. Удаление атмосферных вод с покрытия не вызывает трудностей. Недостатком двухпоясной системы следует считать увеличение расхода стали и строительного объема здания по сравнению с однопоясной.

Для уменьшения строительного объема применяются двухпоясные схемы с пересекающимися нижним и верхним тросами (см. рис. 9.7, б) и с двумя контурными опорными кольцами или с закреплением концов верхних несущих тросов непосредственно на колоннах.

Помимо тяжелых ограждающих конструкций (железобетонные плиты, монолитная железобетонная оболочка и т.п.) висячие покрытия с замкнутым контуром могут выполняться из листового металла (сталь, алюминиевые сплавы), которые называются мембранами. В мембранных покрытиях листы закрепляются в контурном и внутреннем опорных кольцах или только во внешнем контуре. В этом виде покрытий совмещаются несущие и ограждающие функции, обеспечивается равномерное распределение усилий в мембране, эффективное использование работы материала, легкость транспортировки (доставка листов в рулонах) и относительная простота монтажа покрытия. Применение мембран целесообразно при значительных пролетах (100 ÷ 200 м и более).

Рис. 9.7 Схемы двупоясных висячих покрытий:

а – выпукло-вогнутое; в – выпукло-вогнутое с пересекающимися тросами; б – аксонометрия; 1 – верхние несущие тросы; 2 – внешнее опорное кольцо; 3 – железобетонные плиты; 4 – кровля; 5 – нижние несущие тросы; 6 – внутренний опорный цилиндр; 7 – распорки

Мембранные покрытия отличаются легкостью (30 ÷ 40 кг/м²). Поэтому для стабилизации их формы и обеспечения устойчивости применяются системы напрягающих тросов и оттяжек, закрепленных во внешних стойках и в промежуточном кольце, а также пригрузка центрального кольца аэрационным фонарем и технологическим оборудованием. Поверхность мембран может быть конической или сферической. Как показали исследования, применение конических мембран целесообразно при пролетах до 60 м, а сферических – при больших пролетах. Полосы стальных листов толщиной (в зависимости от величины пролетов) 2 ÷ 8 мм соединяются между собой на заклепках, высокопрочных болтах или сваркой.

Пневматические конструкции

В последние годы для размещения различных установок применяют здания и сооружения с необычными для строительной практики пневматическими конструкциями.

Принцип возведения пневматических или надувных зданий и сооружений основан на том, что во внутреннее замкнутое пространство оболочек нагнетается атмосферный воздух, который предварительно напрягает (растягивает) оболочку, придавая ей заданную форму, устойчивость и несущую способность.

За счет предварительного напряжения материалы пневматических конструкций приобретают способность воспринимать от вне­шних нагрузок как нормальные, так и касательные усилия.

Для поддержания этих зданий и сооружений в равновесии независимо от их пролета постоянное избыточное давление внутри в большинстве случаев принимают около 20 кг/м² (20 мм вод. ст.), что соответствует разнице отметок земной поверхности 15 м. Для человека такое избыточное давление неощутимо (оно нередко возникает в обычных зданиях при ветре), а поэтому пребывание его в пневматических зданиях не представляет никакой опасности.

Пневматические здания обладают уникальной легкостью. Так, при пролетах свыше 100 м вес 1 м² оболочки едва превышает 3 кг/м². Их отличает от обычных зданий предельная компактность в сложенном виде, и поэтому конструкции этих зданий можно перевозить любым транспортом. Время потребное на возведение пневматических зданий измеряют часами. Все эти качества создают возможность применения пневматических конструкций в труднодоступных малоосвоенных районах. Особенно эффективны они для сборно-разборных сооружений (таких как различные передвижные выставки), а также для временных производственных и складских зданий и гаражей.

Пневматические здания и сооружения обладают высокой надежностью. При выходе из строя агрегатов, подающих воздух, опускание оболочки происходит очень медленно. За это время люди могут спокойно эвакуироваться из здания.

Основными элементами пневматического здания являются оболочка (иногда с каркасом), воздухонагнетающий агрегат и дверь или ворота. В зданиях, возведенных из прозрачных оболочек, проемы для освещения не требуются. Если же оболочка непрозрачна, то в ней предусматривают окна преимущественно круглого очертания.

Для создания необходимого избыточного давления под оболочками зданий используют различные насосы и центробежные воздуходувки, оборудованные автоматическими устройствами для поддержания заданного давления.

Двери и ворота в зданиях из мягких оболочек в целях герметизации могут иметь воздушные шлюзы. Простейшей дверной конструкцией является скользящий карман. Проем в этом случае закрывают висячей мембраной, которая прижимается к оболочке избыточным внутренним давлением. Часто предусматривают вращающиеся двери, которые даже при высоком внутреннем давлении не оказывают заметного сопротивления выходящим или входящим.

Пневматические сооружения имеют существенные недостатки: они сравнительно дороги, легко повреждаемы от механических воздействий и неогнестойки, вследствие чего они непригодны для капитального строительства.

Материал оболочек пневматических зданий должен быть воздухонепроницаемым, эластичным, прочным, долговечным и надежным в эксплуатации.

Для пневматических зданий преимущественно применяют полиэфирные, поливинилхлоридные, полиэтиленовые пленки. Их можно склеивать и сваривать. Недостатком этих пленок является то, что они быстро стареют под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца.

Долговечность пленок можно повысить адсорбирующими покрытиями с применением сажи, путем напыления металлов или каширования алюминиевой фольгой. С этой же целью пневматические конструкции окрашивают в различные цвета, покрывают слюдой или кварцевыми зернами. Такое покрытие, сохраняя светопрозрачность материала, надежно защищает пленки от ультрафиолетовых лучей.

В зависимости от способа обеспечения устойчивости и неизменяемости формы оболочки пневматические здания и сооружения подразделяют на три основные группы: воздухоопертые, воздухонесомые и комбинированные.

Воздухоопертые пневматические своды и купола изготавливают из тонкой газонепроницаемой пленки (ткани). Внутренний эксплуатируемый объем таких конструкций находится под небольшим избыточным давлением порядка 10 ÷ 100 мм вод. ст. (0,001 ÷ 0,01 ат.); расчетное давление поддерживается воздуходувками небольшой мощности. Недостатком воздухоопертых конструкций является невозможность использовать их для зданий с часто открывающимися проемами.

Воздухонесомые конструкции имеют пневматические несущие элементы в виде пневмоарок, колонн и другие, находящиеся под избыточным давлением порядка 0,3 ÷ 5 ат. (0,03 ÷ 0,5 МПа), а оболочка свободно опирается на них. Несущие элементы изготовляют из проч­ной воздухонепроницаемой ткани.  

Преимущество воздухонесомых конструкций заключается в обеспечении нормального атмосферного давления внутри помещений, что исключает необходимость их герметизации и устройство шлюзов. Однако на эти конструкции расходуется больше ткани, и они дороже воздухоопертых конструкций.

Пневмоарки и колонны опирают на самостоятельные фундаменты и крепят к ним шарнирно. Возникающий в арках распор гасится затяжками или надежно закрепленными в грунте фундаментами. Оболочку, набрасываемую на пневмокаркас, крепят к земле по периметру здания.

Здания и сооружения комбинированной конструкции состоят из воздухонесомых и воздухоопертых элементов, а также сочетания этих конструкций с другими (например, тросовыми и стоечными).

К группе комбинированных относятся также смешанные пневматические конструкции, основным несущим элементом которых является жесткий каркас (из дерева, алюминия или стали) или каркас переменной жесткости (из канатов или оттяжек).

По каркасу укладывают ограждающую оболочку, которая может быть обычно опертой на него или воздухоопертой. Смешанные конструкции могут перекрывать значительно большие пролеты, нежели другие пневматические. Однако наличие жесткого каркаса значительно увеличивает их вес.

Воздуходувки включают только при сильном ветре, когда необходимо избыточным внутренним давлением натянуть оболочку и таким образом исключить ее колебание. В остальных случаях воздуходувки выключены, и оболочка свободно лежит на каркасе. Вся конструкция весит около 5 т.

Сооружение может быть использовано для различных передвижных выставок, складов, гаражей, мастерских, небольших ангаров и других целей.

Форму пневматических зданий выбирают в зависимости от назначения, габаритов, условий акустики и освещения помещений. Наиболее часто применяют формы в виде сферического купола или в виде цилиндрической оболочки. В плане эти здания бывают круглой, овальной, прямоугольной формы и более сложного очертания.

В местах опирания пневматических зданий обычно действуют выдергивающие усилия.

Простейшим устройством являются мешки или трубы, наполненные водой или песком, укладываемые по периметру оболочки. Балластные устройства плотно прижимают оболочку к земле, предотвращая выход воздуха наружу.

Широко распространены стальные винтовые анкеры, которые ввинчивают в грунт в местах крепления оболочки.

Анкеры могут иметь конструкцию похожую на гарпун. При забивании в грунт они складываются, имея при этом незначительное сопротивление, а при выдергивании – раскрываются и их сопротивление выдергиванию резко возрастает.

Для восприятия больших выдергивающих усилий анкеры часто заделывают в бетонных фундаментах, заглубленных в грунт.

Заключение

Создание учебного пособия охватывают вопросы строительного проектирования гражданских зданий, начиная от выбора и решения несущих остовов и кончая конструированием отдельных элементов – частей зданий. При изложении материала преимущественное внимание уделено важнейшему направлению современной технической политики – полносборному индустриальному домостроению. Подчеркнута роль изделий полной заводской готовности, значение единой системы модульной координации размеров в строительстве, возможность применения каталогов, нормативной документации при проектировании зданий. Вместе с тем акцентировано внимание на необходимости индивидуализации проектов с применением индустриальных методов возведения из монолитного железобетона и проектировании общественных зданий с большепролетными конструкциями покрытия.

Изучение материала учебного пособия, которое насыщено обширной, методически обработанной информацией, позволит обеспечить успешное овладение другими специальными дисциплинами, составляющими фундамент для приобретения профессиональных приемов и навыков по проектированию и строительству зданий. Важным средством в закреплении изученного материала являются практические занятия, курсовое и дипломное проектирование, ознакомительная и производственные практики, экскурсии на строительные площадки.

Для более углубленной проработки материала целесообразно использование приведенной в конце учебного пособия нормативной, справочной и другой литературы, а также рекомендованных преподавателем книг по интересующим вопросам.

Библиографический список

1. Архитектура гражданских и промышленных зданий. Т.3. Жилые здания / Под ред. К. К. Шевцова. – М.: Стройиздат, 1993

2. Архитектура гражданских и промышленных зданий. Т.4. Общественные здания / Под ред. В. М. Предтеченского. – М.: Стройиздат, 1977

3. Ахдан Гиясов. Конструкции гражданских зданий: учеб. пособие. – М.: Издательство АСВ, 2004.

4. Конструкции гражданских зданий / Под. ред. М. С. Туполева. – М.: «Архитектура-С», 2006.

5. Маклакова Т. Г., Нанасова С. М., Шарапенко В. Г. Проектирование жилых и общественных зданий: учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1998.

6. Маклакова Т. Г., Нанасова С. М. Конструкции гражданских зданий. – М.: Издательство АСВ, 2000.

7. Шерешевский И. А. Конструирование гражданских зданий. – М.: «Архитектура-С», 2005.

8. СНиП 31-01-2003. Здания жилые многоквартирные / Госстрой России. – М.: ГП ЦПП, 2004.

9. СНиП 2.08.02. Общественные здания и сооружения / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1991.

10. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий / Госстрой России. – М.:      ГУ ЦПП, 2004.

11. СНиП 23-103-2003. Защита от шума / Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004.

12. СП 23-03-2003. Проектирование звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий / Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004.

Учебное издание

Горин Виктор Александрович