Висячие (вантовые) покрытия

В 1834 г. был изобретен проволочный трос, это оз­начало появление конструктивного элемента, незаменимого во многих отраслях современной техники, что определяется его замечательными свойствами — высокой прочностью при малом весе, гибкостью, долго­вечностью. В строительстве проволочные тросы были впервые примене­ны в качестве несущих элементов висячих мостов, а затем и в больше­пролетных висячих покрытиях.

В вантовых (тросо­вых) покрытиях основными несущими элементами явля­ются гибкие тросы, ванты, цепи или кабели, а ограждением — конструкция заполнения (кровли). Висячие конструкции проектируют плоскостными или пространственными.

Впервые вантовые покрытия были сооружены В. Г. Шуховым в Рос­сии (в Нижнем Новгороде) еще в 1896 г., но стали широко использоваться только с середины ХХ в. Постройка Рэлей-арены в США в 1952 г. наглядно продемонстрировала широкие возможности применения тросов в конструкциях покрытий.

Висячие покрытия оказываются наиболее экономичными по срав­нению с другими конструкциями в тех случаях, когда требуется пере­крывать средние и большие пролеты без внутренних опор. Уже сущест­вуют висячие покрытия пролетом до 130 м. На основе дальнейшего раз­вития конструктивных форм покрытий пролеты могут быть еще больше. В висячих покрытиях на несущие элементы (тросы) расходуется при­мерно 5—6 кг стали на 1 м² перекрываемой площади. Вантовые конст­рукции имеют высокую степень готовности; монтаж их, как правило, несложен и требует немного времени.

Наиболее обширная область применения висячих (вантовых) по­крытий—общественные сооружения; эти конструкции целесообразно использовать также для производственных и складских зданий.

Типы вантовых систем (из одиночных тросов)

Различными способами стабилизации отдельных тросов можно со­здать вантовые системы различных типов. Для однопоясных систем необходимо устройство достаточно тяжелой конструк­ции покрытия; для двухпоясных и перекрестных систем можно принять 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.

Особое значение имеетправильная оценка поведения вантовых кон­струкций при динамических воздействиях. Поэтому всегда следует пред­ставлять, в каком объеме должен быть выполнен аэродинамический расчет, чтобы исключить значительные колебания покрытия соответст­вующими конструктивными мероприятиями.

Вантовые покрытия одинарной кривизны с системой 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. Заполнение выполняют преимущественно из кессонированных сборных железобетонных плит; монолитный бетон применяют реже, в связи со сложностью и дорого­визной устройства лесов и опалубки. Часто применяют заполнение из легкобетонных плит толщиной 50—60 см. При малых пролетах покры­тия бетонное заполнение может быть без предварительного напряжения, так как растягивающие напряжения в бетоне от временных нагрузок невелики. При больших пролетах необходимо предварительное напря­жение бетона для ограничения трещинообразования, одновременно ог­раничивается деформативность конструкции. В этом случае покрытие представляет собой вогнутую (висячую) предварительно-напряженную оболочку. Некоторые покрытия этого типа выполнены с предварительным напряжением также в продольном направлении, при этом вся кон­струкция покрытия совместно с бортовыми элементами работает как монолитная цилиндрическая оболочка.

Вантовые покрытия с параллельными одиночными тросами приме­няют для прямоугольных в плане зданий. Конструкции покры­тия достаточно просты; основные его элементы одинакового размера. Такие покрытия можно возводить отдельными отсеками.

Вантовые покрытия двоякой кривизны

из одиночных тросов 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 ограничивается по контуру сжатым опорным кольцом. Радиальные тро­сы, усилия в которых одинаковы при равномерной нагрузке, прикреп­ляют в середине к растянутому центральному кольцу. Ус­танавливая в центре опору, получают шатровое вантовое покрытие.

Монтаж вантовых покрытий двоякой кривизны из одиночных тро­сов несложен и при заполнении из сборных плит не требует устройства лесов или подмостей; только для центрального кольца устраивают лег­кую временную опору. Предварительное напряжение покрытий этого типа создают либо натяжением тросов домкратами, либо пригрузкой. Такие покрытия можно выполнять только с внутренним водоотводом.

Типы вантовых систем (двухпоясные – тросовые фермы)

Вантовые покрытия можно применять для покрытий зданий прак­тически любого очертания в плане. Геометрические формы покрытия могут быть самыми различными, в зависимости от принятого типа вантовой системы и от очертания опорного контура. Обычная форма вантового покрытия с гибкими тросами — вогнутая, провисающая; выпук­лая форма может быть создана лишь при применении тросовых ферм с жесткими распорками либо систем перекрестных тросов. При некото­рых конструктивных формах вантовые системы существенно отлича­ются от обычных железобетонных или легкобетонных покрытий харак­тером своей статической работы: конструкция работает как висячая оболочка.

Двухпоясные вантовые системы одинарной кривизны. Несущие элементы таких систем состоят из несущего и стабилизирующего тросов, имеющих кривизну разного знака; покрытия по ним могут иметь небольшой вес 40— 60 кг/и². Двухпоясные системы выполняют обычно в виде тросовых ферм, в которых несущий и стабилизирующий тросы связывают между собой стержнями круглого сечения или тросовыми растяжками.

Рис. 1- несущий трос, 2- стабилизирующий трос, 3-решетка

Наиболее широко применяют тросовые фермы с диагональной ре­шеткой, обеспечивающей восприятие сдвигающих усилий. С этой же целью несущий и стабилизирующий тросы в фермах с вогнутыми поя­сами связывают между собой, посредине пролета.

Рис. Покрытие из тросовых ферм на прямоугольном плане

Двухпоясные системы двоякой кривизны. При конструировании таких систем ванто­вых покрытий используют те же принципиальные решения, что и для двухпоясных систем одинарной кривизны или покрытий двоякой кривиз­ны из одиночных тросов; предварительное напряжение легкого запол­нения покрытия не требуется.

Возможны комбинированные системы из радиальных и параллельных вантовых ферм.

Типы вантовых систем (перекрестные – тросовая сетка)

В качестве определяющих признаков раз­личных конструктивных форм приняты кривизна поверхности покры­тия и тип тросовой системы. Существуют покрытия одинарной и двоякой кривизны, а внутри этих двух классов—системы из одиночных тросов, двухпоясные системы (тросовые фермы) и пере­крестные системы (тросовые сетки).

Эти системы 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. Следует, однако, отметить, что эти формы не являются вполне произ­вольными, поскольку при заданном очертании плана и геометрии по­верхности покрытия должны быть обеспечены определенные условия закрепления сетки по контуру. В ряде случаев, исходя из статических и архитектурных соображений, выбирают конструкцию опорного контура, которая определяет и геометрию покрытия.

Перекрестные вантовые системы сочетают с легким кровельным покрытием, 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. Испытания моделей показали, что при горизонтальном ветровом потоке в средней части сед­ловидного покрытия возникает почти равномерное отрицательное дав­ление (отсос), а у наветренных высоких краев покрытия — пики отри­цательного давления. Существует опасность появления флаттера (ди­намической неустойчивости) таких покрытий, особенно при малой кри­визне.

Рис. Конструктивные формы перекрестных вантовых систем (1- трос-подбор)

Конструкции этого типа характеризуются повышенной чувствитель­ностью к температурным воздействиям. Для них опасны также динами­ческие нагрузки, особенно при больших пролетах. Наличие ячеек раз­ного размера способствует затуханию колебаний сетки, однако из практических соображений обычно применяют сетки с одинаковыми разме­рами ячеек.

При некоторых формах покрытий возможна замена жестких борто­вых элементов тросовым подбором. Однако применение таких систем ограничено из-за повышенной деформативности, что надо специально учитывать при устройстве кровли. Предварительное напряжение тросовых сеток выполняется обычно напряжением тросов домкратами либо опусканием бортовых элементов (которые в этом случае должны иметь шарнирные устройства на опо­рах).

Прочие формы вантовых покрытий

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 подкрепляют в пролете балками или фермами, располагаемыми с ша­гом до 12 м. Такая конструкция] может быть ис­пользована для протяженных в плане покрытий железнодорожных плат­форм, складов и промышленных зданий.

Другой возможный тип конструкции покрытия — ортогональная тросово-балочная сетка, образованная семейством тросов и семейством перпендикулярных к ним жестких балок. Благодаря жесткости балок покрытию можно

придать в одном из направлений любую желаемую форму. При предварительном натяжении тросов создается конструкция, работающая аналогично перекрестной вантовой системе. Этот конструктивный принцип использован в покрытии олимпийского плавательного бассейна в Токио.

1— тросы; 2 — балки