Висячие покрытия

Висячими называются покрытия, в которых главная несущая пролетная конструкция работает на растяжение. Она может быть образована из стальных стержней, канатов, прокатных профилей. Возникающие в ее элементах растягивающие усилия условно называют тяжением нитей, а их горизонтальную составляющую – распором.

Висячие покрытия в последнее время нашли широкое применение в спортивных и выставочных сооружениях, гаражах, крытых рынках, городских залах общего назначения, некоторых производственных зданиях и других сооружениях. Этому способствует ряд преимуществ висячих покрытий перед традиционными конструктивными формами покрытий, к которым следует отнести:

1) Работу несущих конструкций на растяжение, что позволяет более полно использовать материал, поскольку несущая способность таких конструкций определяется прочностью, а не устойчивостью. Это особенно важно при применении высокопрочных материалов, для которых висячие покрытия являются наиболее перспективными областями применения.

С увеличением пролета преимущество висячей конструктивной формы покрытия повышаются, что подтверждается практикой мостостроения; уже существуют мосты пролетом 1000м и более.

2) Большое разнообразие архитектурных форм висячих покрытий позволяет применять их для зданий самого различного назначения – от покрытий небольших коровников и теплиц до покрытия крупных общественных зданий.

3) Транспортабельность элементов висячих покрытий (канатов в бухтах, металлических оболочек в рулонах) и почти полное отсутствие вспомогательных подмостей при монтаже делают их достаточно индустриальными.

4) малый собственный вес несущей конструкции и ее повышенная деформативность делают ее сейсмостойкой, поскольку резко уменьшается сейсмический импульс на конструкцию.

Висячие конструкции имеют и недостатки, от удачного преодоления часто зависит эффективность применения системы в целом.

1) Висячие системы – системы распорные; для восприятия распора необходима специальная опорная конструкция, стоимость которой составляет значительную часть стоимости всего покрытия. Желание уменьшить стоимость опорной конструкции повышением эффективности ее работы приводит к преимущественному использованию покрытий круглой, овальной и других прямоугольных форм плана, которые плохо согласуются с современной планировкой производственных зданий; в этом одна из причин недостаточно широкого применения висячих покрытий для производственных зданий.

2) Повышенная деформативность. Она обуславливается, во-первых, повышенными упругими деформациями применяемых высокопрочных материалов и особенно канатов, в которых нормальные напряжения больше, а модуль упругости меньше, чем в обычной конструкционной стали. Таким образом, относительное удлинение элементов конструкции оказывается значительно большим, чем в традиционных конструкциях. Во-вторых, геометрической изменяемостью большинства систем висячих покрытий, в которых при нагружении их нагрузкой, отличающейся по своему характеру распределения от ранее действовавшей, появляются кинематические перемещения, вызванные изменением формы равновесия системы (для нити – изменение формы веревочной кривой) и сопровождающиеся изменением ее напряженного состояния; в-третьих, горизонтальной деформацией опор, их податливостью в распорных висячих системах. Повышенная деформативность висячих покрытий затрудняет герметизацию кровли, применение висячих покрытий в зданиях с крановым оборудованием, приводит в некоторых случаях к аэродинамической неустойчивости покрытий и усложняет их расчет.

Для уменьшения деформативности покрытия применяют специальные мероприятия, стабилизирующие его.

3) Трудность водоотвода с покрытия.

Конструктивная форма висячих покрытий весьма разнообразна. По характерным особенностям работы несущей конструкции большинство из них можно разделить на несколько групп:

однопоясные висячие покрытия и металлические оболочки – мембраны;

покрытия двухпоясными системами;

покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами;

покрытия тросовыми фермами;

покрытия седловидными сетками;

комбинированные висячие системы.

Каждая из этих групп имеет свои положительные и отрицательные особенности. Действующие на висячие покрытия нагрузки подразделяются на постоянные и временные – длительно действующие и кратковременные. К постоянным нагрузкам относится вес несущих и ограждающих конструкций покрытия. К временным длительно действующим нагрузкам относят вес подвесного потолка, вентиляционного и осветительного оборудования, которое часто подвешивается к несущей конструкции покрытия.

Главными кратковременными нагрузками являются ветровая и снеговая.

Расчетное значение ветровой нагрузки принимается в виде произведение коэффициента надежности по нагрузке, скоростного напора qo, коэффициента K, учитывающего изменения скоростного напора по высоте и аэродинамического коэффициента С. В действующем СНиП нет указаний по определению аэродинамических коэффициентов для большинства форм висячих покрытий. В процессе реального проектирования их обычно определяют экспериментально продувкой модели в аэродинамической трубе. Значение этих коэффициентов зависит от многих параметров здания, что затрудняет их обобщенную рекомендацию. Данные продувок показывают, что ветер на подавляющей части поверхности большинства покрытий оказывает отрицательное давление – отсос.

В легких покрытиях, особенно при недостаточном закреплении его краев, неравномерное давление ветра вызывает большие деформации покрытия и даже явление аэродинамической неустойчивости покрытия, то есть его вибрацию или полное вывертывание покрытия. В этих случаях необходима специальная стабилизирующая конструкция, предохраняющая покрытие от этого явления.

Для покрытий, собственный вес которых (вместе с подвесными потолками и технологическим оборудованием) составляет 1,5 ÷ 2 КН/м2 и края которых по всему периметру закреплены, явление аэродинамической неустойчивости не угрожает, и они не нуждаются в какой-либо дополнительной стабилизации, а проверка покрытия на действие ветра становится необязательной.

Снеговая нагрузка на покрытие обычно просматривается в нескольких вариантах: в виде равномерно распределенной по покрытию и несколько вариантов неравномерного распределения, учитывающего возможный передув снега ветром, частичную очистку покрытия от снега и др.

Расчет несущих конструкций висячих покрытий проводится для определения прочности сооружения и для определения его деформативности. Нерастяжимая нить может иметь только кинематические перемещения и изменяет форму очертания в зависимости от вида и расположения нагрузки. Упругие деформации (удлинение и провис), могут быть только в упругой нити. При упругой деформации увеличивается стрелка провиса нити, а вместе с тем уменьшается усилие в ней, непосредственно зависящее от величины стрелки. Таким образом, при увеличении нагрузки (и стрелки) усилие нити возрастает нелинейно. Следовательно расчет нити не отвечает правилам линейной строительной механики. Расчет нити без учета упругих деформаций дает завышенные значения усилий в нити, что идет в запас прочности. Влияние упругих деформаций на усилие нити зависит от отношения, - стрелка провиса нити, - ее приращение от действия нагрузки. Оно существенно только при малых стрелках и при составляет около 10%.

Влияние упругих деформаций на точность определения перемещений нити (прогибов) большое и должно учитываться уже при отношении <. Пологая гибкая нить является основой большинства висячих систем. Нелинейность работы висячих систем, особенно при неравновесных нагрузках (вызывающих кинематические перемещения) часто вынуждает делать расчет три раза: первоначально приближенно вручную для ориентировочного выбора сечений, затем уточнено с учетом нелинейности работы и взаимного влияния отдельных частей системы, обычно на ЭВМ, с последующей корректировкой первоначально заданных сечений и, наконец, последний, контрольный расчет на ЭВМ для окончательной проверки несущей способности всех элементов и деформативности системы.

Однопоясные висячие покрытия и металлические оболочки – мембраны.

Однопоясные висячие покрытия представляют собой системы из гибких вант (канаты, круглая сталь), на которые во время монтажа укладывают сборные ж/б плиты. Чтобы уменьшить деформативность покрытия и предупредить разрывы в гидроизоляционном ковре, швы между плитами замоноличены после временной пригрузки покрытия нагрузкой, равной весу кровли и снега. После твердения бетона замоноличивания пригруз снимают и образовавшаяся ж/б оболочка получает предварительное напряжение сжатия. Здания в плане могут быть прямоугольной, круглой и эллиптической формы с радиальной или перекрестной системой нитей.

Висячие покрытия можно устраивать не только из высокопрочных канатов или арматуры, но также из обыкновенных тонких металлических листов. Такие покрытия будут уже тонколистовыми оболочками или мембранами с характерной для них работой в двух направлениях.

Сплошные системы в отличие от систем из нитей могут воспринимать сдвигающие усилия. Благодаря малой толщине листов (2÷6мм) таких оболочек они являются оболочками безмоментными и работают главным образом на растяжение. Однако имеются и отрицательные факторы, тормозящие их применение – это малая огнестойкость и большая поверхность тонкого металла, подверженного коррозии, и возможность вывертывания оболочки при отсосе вследствие недостаточного ее собственного веса. Эти недостатки могут быть в значительной мере нейтрализованы устройством по оболочке бетонного защитного слоя с утеплителем и гидроизоляционным ковром. Кроме того мембраны отрицательной гауссовой кривизны не могут потерять общую устойчивость, поскольку независимо от вида нагрузки и ее распределения всегда есть направления, в которых мембрана работает на растяжение

(); и - главные радиусы кривизны поверхности.

Покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами (жесткими вантами).

Растянутыми изгибно-жесткими элементами (жесткими вантами) называются прямолинейные или провисающие элементы, закрепленные по краям от перемещений и способные воспринимать растягивающие усилия и изгибающие моменты.

Они подобны опрокинутым аркам, но работают на растяжение с изгибом. Изгибно-жесткие элементы выполняются в виде изогнутых ферм или двутавров – сварных или прокатных из малоуглеродистой или низколегированной стали.

Покрытие обычно состоит из системы параллельно или радиально расположенных элементов (при круглом плане покрытия), на которые укладывается легкий щитовой настил, не включаемый в работу основной несущей конструкции.

Преимущества подобных покрытий:

простота конструктивной формы и индустриальность изготовления основных несущих элементов;

применение обычных конструкционных сталей;

отсутствие процесса предварительного напряжения, усложняющего строительство;

возможность получения необходимой жесткости покрытия при малой постоянной и большой временной нагрузке.

Недостатки:

большая металлоемкость по сравнению с мембранными и тросовыми системами;

не используется пространственность работы конструкции.

Покрытия двухпоясными системами

Двухпоясными называют несущие системы, состоящие из двух поясов, расположенных друг над другом, связанных между собой параллельно расположенными распорками или растяжками и совместно работающих на восприятие внешних нагрузок. Пояса с положительной кривизной, стрелка провеса которых направлена вниз, являются несущими, а пояса с отрицательной кривизной – стабилизирующими. Предварительное напряжение системы создает усилия взаимодействия нитей, которые передаются через растяжки или распорки, соединяющие пояса системы. Эти силы взаимодействия называют контактной нагрузкой, и она, действуя на несущий пояс подобно постоянной нагрузке, уменьшает возможность его кинематических перемещений.

Цель предварительного напряжения – препятствовать искажению формы системы при неравномерном распределении временной нагрузки и уменьшать прогибы. Предварительное напряжение системы производят натяжением стабилизирующего пояса.

Покрытия тросовыми фермами.

Дальнейшим развитием двухпоясных систем является превращение их в тросовые фермы, где растяжки в каждой панели заменены наклонными гибкими раскосами, пересекающимися с поясами в узлах фермы и превращающими систему в геометрически неизменяемую.

В тросовых фермах есть растянутые и сжатые элементы и для обеспечения работы на сжатие гибких раскосов они должны быть подвергнуты предварительному растяжению. Тросовые фермы как системы геометрически неизменяемые более жестки, чем обычные двухпоясные системы (особенно при действии неравновесных нагрузок), а потому их более целесообразно применять при легких кровлях и больших временных нагрузках.

Предварительное напряжение тросовых ферм удобно осуществлять натяжением раскосов винтовыми стяжками.

Тросовые фермы как системы рассчитывают общепринятыми методами строительной механики, применяемыми при расчете статически неопределимых стержневых систем. Ферму рассчитывают на внешние нагрузки и единичные усилия предварительного напряжения. Усилия от предварительного напряжения во всех элементах фермы должны быть растягивающими, что достигается соответствующим подбором геометрии системы.

Покрытия седловидными сетками.

Покрытия напряженными седловидными сетками являются одной из наиболее распространенных ферм висячих покрытий, применяемых как в капитальных сооружениях, так и во временных покрытиях – навесах. Основная несущая конструкция – седловидная сетка, состоящая из несущих нитей, имеющих провис вниз, и перпендикулярных стабилизирующих нитей, имеющих выгиб вверх. Эта система является мгновенно-жесткой, поскольку поверхность сетки имеет отрицательную гауссову кривизну. Таким образом, несущая конструкция является внутренне стабилизированной, способной воспринимать нагрузки противоположных направлений, например собственный вес покрытия, вес снега, и отрицательное давление ветра (отсос) и позволяет применять любую конструкцию кровли: от жестких утепленных щитов до тканевых или пленочных покрытий. Эта универсальность покрытий, а также возможное разнообразие плана покрытия привели к широкому их распространению.

Комбинированные висячие системы.

Комбинированными называются системы, в которых стабилизацию производят введением в конструкцию покрытия жестких элементов, работающих на осевое усилие и поперечный изгиб.

Применение комбинированных систем особенно рационально, если возможно действие неравномерно распределенных нагрузок. В этом случае жесткий элемент, работая на изгиб, перераспределяет нагрузку между гибкими элементами, благодаря чему уменьшается деформация покрытия.

Среди комбинированных систем наиболее распространены консольные. Система эта состоит обычно из консольных балок или ферм, шарнирно опертых на поддерживающую конструкцию и подвешенных к пилону одной или несколькими подвесками.

Расчет консольных систем ведется обычными методами строительной механики с учетом удлинения подвесок и специфических особенностей не имеет.

Дата добавления: 2014-01-11