Л2. Основные положения проектирования висячих покрытий и их характеристики. МК

Содержание:

1. Висячие конструкции покрытий

2. Характеристика висячих покрытий

3. Однопоясные покрытия из тросов и стержней. Металлические висячие оболочки- мембраны

4. Однопоясные покрытия с железобетонными плитами

5. Комбинированные системы

6. Тросовые предварительно напряженные фермы

7. Покрытия из систем изгибно-жестких элементов

Литература

1. ВИСЯЧИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ.

Изобретенные и впервые примененные для зданий выставочных павильонов Нижегородской ярмарки в 1896 г. В. Шуховым, стали широко внедряться в строительство только со второй половины XX в., когда уровень развития строительной техники соответственно возрос. Такие покрытия применяют для спортивных и зрелищно-спортивных зданий, выставочных павильонов, аэровокзалов и крытых рынков. Висячие покрытия на современном этапе развития строительной техники стали наиболее рациональными и экономичными конструкциями перекрытия больших пролетов. Поскольку экономический эффект применения висячих систем по сравнению с ранее рассмотренными пространственными конструкциями из жестких оболочек существенно возрастает по мере увеличения пролета, их применяют преимущественно для пролетов свыше 60-70 м, выполняют из металла - тросов, прутков, тонколистовых мембран, сеток, металлических лент. Принципиальными особенностями, определяющими специфику висячих систем, являются их высокая деформативность и аэродинамическая неустойчивость. Работа пролетного строения на растяжение обеспечивает максимальное использование несущей способности материала (по сравнению с условиями его работы в изгибаемых или сжимаемых конструкциях). Именно это преимущество, обеспечивающее минимальную массивность и экономичность пролетного строения, при больших по сравнению с конструкционными сталями относительных деформациях металла тросов определяет повышенную деформативность висячей системы: способность к кинематическим перемещениям при воздействии сосредоточенных нагрузок на покрытие и опасность потери общей устойчивости системы - ее «выхлоп» в сторону, обратную провису, при ветровом отсосе. Для устранения этих недостатков выполняют специальные конструктивные мероприятия по стабилизации формы покрытия (но и удорожающие его): увеличение веса покрытия, введение изгибно жестких элементов в систему или ее предварительное напряжение. Висячие конструкции представляют собой распорную систему, и проведение конструктивных мероприятий по восприятию распора служит вторым усложняющим и удорожающим конструкцию фактором. В общем случае распор передают на опорный контур системы. Очертание опорного контура висячего покрытия образуется по линии пересечения поверхности покрытия с наружными стенами. Соответственно опорный контур может представлять собой плоскую или пространственную фигуру либо быть образован пересекающимися арками. Как правило, если это допускает планировочная схема здания, опорный контур следует проектировать замкнутым. В этом случае он полностью воспринимает распор системы и передает на поддерживающий контур конструкции (стены, колонны) только вертикальные усилия. При разомкнутом контуре распор и вертикальную составляющую усилий с покрытия передают на нижележащие и примыкающие конструкции. Наиболее распространены в этих случаях приемы передачи усилий на перекрытия примыкающих пристроек, опоры зрительских трибун, рамы, контрфорсы или оттяжки.

Висячие покрытия весьма разнообразны. Их классифицируют по признакам конструкции и геометрической формы (рис. 1).

Общая классификация по конструктивному признаку включает:

-однопоясные покрытия из тросов и стержней;

-мембранные покрытия из стальных листов;

-покрытия из систем изгибно-жестких элементов;

-двухпоясные системы из тросов;

-вант и тросовые фермы;

-седловидные покрытия из сеток или металлических лент;

-комбинированные системы.

По геометрическому признаку различают висячие конструкции:

-с нулевой гауссовой кривизной поверхности (цилиндрические, коноидальные);

-положительной кривизной (поверхность переноса, сфероидальная, параболоида вращения);

-отрицательной кривизной (шатры, гипары, поверхности переноса).

рис. 1. Классификация и детали висячих систем покрытий.

Основной особенностью опорных конструкций висячих покрытий является необходимость восприятия усилий от покрытия, имеющих вертикальную и горизонтальную составляющие, при действии на покрытие вертикальной нагрузки. Горизонтальная составляющая усилий от покрытия усложняет устройство опорной конструкции и увеличивает его материалоемкост ь. За счет нее опорные конструкции имеют значительный удельный вес в технико-экономических показателях, характеризующих покрытия. Поэтому при проектировании сооружения необходимо стремиться к тому, чтобы создать наиболее благоприятные условия для работы опорной конструкции. Такая конструкция, помимо непривлекательного внешнего вида и возможных неудобств эксплуатации окружающего здание пространства требует немалых дополнительных затрат материалов и труда на устройство оттяжек и их фундаментов. Обе эти конструкции вследствие указанных выше недостатков не нашли широкого применения. Идея использования конструктивных комплексов, окружающих висячее покрытие, для передачи на них цепных усилий покрытия реализовывалась неоднократно, но каждый раз приходилось усиливать и приспосабливать эти конструкции к восприятию усилий от покрытия; экономическая целесообразность данного приема может быть определена только для конкретного сооружения. Устройство замкнутой опорной конструкции, расположенной в плоскости покрытия, воспринимающей горизонтальные усилия покрытия и не передающей их на нижележащую конструкцию, т. е. локализующую действие распора в плоскости покрытия, является большим преимуществом рассматриваемого решения. Однако, ригели рамы, расположенные вдоль длинной стороны здания, имеющие значительный пролет и работающие на изгиб от горизонтального натяжения висячих ферм, представляют собой сложную, тяжелую, негабаритную для транспортирования конструкцию, которая может свести на нет все преимущества висячих покрытий, поэтому подобную опорную конструкцию нельзя признать рациональной. Аналогичные по идее, но отличные от приведенного по конструктивному оформлению способы восприятия цепных усилий покрытия неоднократно применялись в ряде покрытий. Для всех этих сооружений характерен недостаток присущий рассмотренной выше опорной конструкции, - невыгодная работа на изгиб длинного ригеля рамы, нагруженного значительными ценными усилиями всего покрытия. Подбор расположен в плоскости покрытия, может быть выполнен из тросов, профильной или полосовой высокопрочной стали и работает как нить на растяжение от горизонтальных усилий покрытия. Передавая тяжение в углы здания, подбор сжимает окаймляющую покрытие железобетонную плиту. В этой опорной конструкции каждый материал используется наиболее рационально: металл подбора—на растяжение, бетон окаймляющей плиты—на сжатие, а действие горизонтальных усилий локализуется в плоскости покрытия. Казалось бы, преимущества этого вида опорной конструкции перед рассмотренными ранее очевидны, однако сложность передачи усилий с покрытия на подбор и с подбора на окаймляющую покрытие железобетонную плиту (особенно при больших размерах покрытия) привела к тому, что эта опорная конструкция не получила большого распространения. Особенность такого решения состоит в необходимости иметь лишь две главные несущие все покрытие системы, что обусловливает передачу в углы здания больших сосредоточенных усилий, в свою очередь вызывающих большие конструктивные сложности. Именно эти причины делают малоперспективным применение подобной системы для покрытий больших пролетов. Рассмотрение приведенных видов опорной конструкции висячих покрытий показывает, что для прямоугольных зданий наиболее рациональны замкнутые контуры с передачей цепных усилий от пролетной части в угловые зоны покрытия, хотя такие системы и связаны с определенными конструктивными трудностями, особенно в зданиях больших пролетов. Такая опорная конструкция, работая на сжатие с изгибом, воспринимает горизонтальные составляющие цепных усилий в мембране и на нижележащую конструкцию передает только вертикальные усилия от покрытия. При определенном соотношении изгибной жесткости контура и прогиба мембраны контур покрытия получается легким, а все покрытие —достаточно экономичным. Для зданий круглого или эллиптического плана наилучшей и почти единственной формой опорной конструкции висячего покрытия будет железобетонное опорное кольцо, лежащее на колоннах. Такие кольца способны воспринимать горизонтальные составляющие цепных усилий от покрытия, локализуя их в плоскости покрытия и передавая на нижележащую конструкцию лишь вертикальные усилия. При действии на покрытие равномерно распределенной нагрузки, обычно вызывающей в покрытии наибольшие усилия, опорные кольца испытывают чистое сжатие (кроме средних опорных колец шатровых оболочек, которые испытывают растяжение), вследствие чего целесообразно выполнять их из железобетона. При неравномерных нагрузках на покрытие в кольце дополнительно появляются моменты. Для некоторых видов висячих покрытий, особенно оболочек или тросовых сеток с поверхностью двоякой кривизны, целесообразной формой опорной конструкции является наклонная арка. Арки, воспринимая цепные усилия покрытия, передают их на грунт, часто значительно облегчая работу поддерживающих их колонн. Распорные усилия с контурных арок часто целесообразно воспринимать затяжками, расположенными под полом перекрываемого помещения и облегчающими работу опорных фундаментов. Очертание арок необходимо согласовывать с распределением цепных усилий от покрытия, добиваясь того, чтобы ось арки совпадала с кривой давления от цепных усилий пролетной конструкции при действии на нее постоянной нагрузки. Арки, в основном работающие на сжатие, целесообразно выполнять из железобетона. Рассматривая схемы опорных конструкций висячих покрытий, можно отметить, что наиболее благоприятные условия для их работы имеют замкнутые круглые кольца, расположенные на колоннах в уровне покрытия. Такие кольца имеют наименьшие архитектурно-технологические ограничения решения всего здания и наилучшие технико-экономические показатели, что обеспечило им наиболее широкое применение в висячих покрытиях, особенно при больших размерах покрытия. В зданиях прямоугольного плана удачная схема восприятия цепных усилий покрытия пока не найдена, и это значительно сдерживает использование висячих покрытий для таких зданий. Расчет опорных конструкций висячих покрытий ведется обычными методами строительной механики на действие вертикальных и горизонтальных усилий от пролетных конструкций покрытия при действии на покрытие постоянной нагрузки и различных комбинаций временных нагрузок. При окончательном, уточняющем деформационном расчете желательно учесть совместную работу опорной и пролетной конструкций.

1 - ванты; 2 - опорный контур; 3 - центральное кольцо

рис. 2. Системы висячих вантовых покрытий.

Особенности расчетов элементов несущих систем висячих покрытий. Повышенная деформативность самих висячих покрытий, возможность появления кинематических перемещений и податливость опор часто делают необходимым проводить их расчет по деформированной схеме с учетом геометрической нелинейности работы системы покрытия. Особенно это бывает необходимо для сложных пространственных систем. Поэтому расчет обычно ведут в две стадии. Сначала выполняют предварительный расчет для обоснования технических решений и сравнения вариантов. Этот расчет можно вести по линейной теории, часто аналитическими методами. После принятия основных технических решений проводят рабочие расчеты для обоснования рабочих чертежей. Эти расчеты должны учитывать пространственность и геометрическую нелинейность работы системы. Их проводят на несколько видов загружений (в том числе и на загружения элементов, возникающих при монтаже) для выявления наибольших усилий и изгибающих моментов в элементах покрытий и опорной конструкции, а также наибольших прогибов системы. Эти расчеты в большинстве случаев выполняют численными методами на ЭВМ. Наиболее распространенным элементом несущих систем висячих покрытий является гибкая нить, поэтому рассмотрение расчетов элементов висячих покрытий целесообразно начать именно с нее. Гибкая нить. Гибкой называют нить, у которой J=0. Гибкая нить—система геометрически изменяемая, и ее очертание зависит от се длины, условий закрепления на опорах и вида нагрузки, действующей на нить. Начальному очертанию нити следует придавать очертание веревочной кривой от постоянной нагрузки (чтобы от нее не было кинематических перемещений). Считая, что постоянная нагрузка равномерно распределена по площади покрытия и пользуясь уравнением, можно рекомендовать начальные очертания нити для нескольких наиболее часто встречающихся случаев расположения нитей в покрытиях. При параллельном расположении нитей, имеющих большую стрелку провеса, постоянная нагрузка, равномерно распределенная по поверхности покрытия, будет распределена по длине нити по закону косинуса. В реальном строительстве из-за ряда конструктивных неудобств (чрезмерно крутая кровля, большой строительный объем, занятый покрытием, большие кинематические перемещения и т. п.) покрытия с такими нитями применяются редко, чаще сооружают покрытия с так называемыми пологими нитями. Определение усилий в нити от действия произвольной нагрузки в общем случае является задачей нелинейной вследствие ее большой упругой деформативности (вызывающей нелинейность работы первого рода) и геометрической изменяемости (вызывающей нелинейность работы второго рода). Здесь уместно обратить внимание на то, что при большой разнице в отметках опор реакция VA будет больше Vb и может быть даже больше всей нагрузки на нить, а реакция Vb будет при этом о трицательной. В шатровых покрытиях это означает, что вертикальное усилие на среднюю опору может превышать всю нагрузку на покрытие, а усилия в нитях будут сильно изменяться по длине. Нить, первоначально прямолинейная, имеющая начальную длину, не превышающую пролета, натянутая силой N и работающая на поперечную нагрузку, называется струной. При нагружении струны поперечной нагрузкой продольная сила в ней возрастает, и распор Н может быть определен из уравнения полученного алгебраическим преобразованием. Расчет несущих систем в соответствии со СНиПом ведут по предельным состояниям. По первой группе предельных состояний — по несущей способности—расчет металлических частей покрытия выполняют в соответствии с требованиями СНиП П-23-81. Особенность определения усилий в висячих системах при проведении этих расчетов заключается в нелинейности работы систем, особенно при неравновесных нагрузках. Это часто вынуждает делать расчет три раза: первоначально 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, выполняют контрольный расчет на ЭВМ для окончательной проверки несущей способности всех элементов и деформативности системы. Если расчеты по первой группе предельных состояний сравнительно мало отличаются от расчетов традиционных статически неопределимых пространственных систем, то этого нельзя сказать о расчетах по второй группе предельных состояний—по непригодности к нормальной эксплуатации. В традиционных конструкциях обычно проверка второго предельного состояния ограничивается проверкой статического прогиба конструкции и оценкой ее собственных колебаний. Для висячих покрытий, значительно более деформативных, чем традиционные системы— фермы, арки, рамы, — проверка второго предельного состояния должна быть гораздо более важной. В действующем СНиПе предлагается проверять висячие покрытия па стабильность формы от действия временных нагрузок, в том числе и от ветрового отсоса, которая должна обеспечивать герметичность принятой конструкции кровли. При этом следует проверять изменение кривизны покрытия по двум главным направлениям. Однако данный вопрос пока разработан недостаточно, так как не установлены критерии допустимых искривлений кровель разных типов. Первые предложения по учету местных искривлений кровли сделаны Н. С. Москалевым и В. К. Чаадаевым. В покрытиях плоскостными системами—двухпоясными, изгибно-жесткими элементами и т. п., при частичном загружении покрытия временной нагрузкой может проявиться так называемый клавишный эффект—большая разница в прогибах двух соседних систем (нагруженной и ненагруженной). Чтобы избежать разрывов в кровле и смягчить клавишный эффект, в таких покрытиях необходима постановка связей—вертикальных и горизонтальных, которые будут перераспределять нагрузку между нагруженной и ненагруженной системами и уменьшать разницу их прогибов. Помимо определения статических прогибов и искривлений покрытия часто необходимо исследовать его на сейсмостойкость и аэродинамическую устойчивость. Эти вопросы разработаны в книгах и др.

Особенности работы пролетных несущих систем висячих покрытий.

Основная особенность работы пролетных несущих систем определяется геометрической изменяемостью большинства этих систем. Кинематический анализ показывает, что геометрически изменяемые системы, обладающие одной или несколькими степенями свободы, могут изменять свою геометрическую форму. Подобно геометрически изменяемым пространственным стержневым системам ведут себя оболочки нулевой и положительной гауссовой кривизны Г= (1 /рА) (1/р,,)—цилиндрические и сфероидальные, где р и ру—главные радиусы кривизны поверхности. Очертание их в геометрически изменяемых системах из условия равновесия стремится приспособиться к нагрузке и при изменении расположения или характера нагрузки система изменяет свое очертание—появляются так называемые кинематические перемещения. Явление это легко проиллюстрировать поведением гибкой нити (одного из основных элементов большинства висячих покрытий) при ее нагружении. В отсутствие внешней нагрузки нить имеет очертание «веревочной кривой». При воздействии на нить собственного веса веревочная кривая имеет вид «цепной линии», для пологих нитей близкой к квадратной параболе. При нагружении нити сосредоточенной нагрузкой нить принимает каждый раз иное очертание, соответствующее своей веревочной кривой, и все сечения нити перемещаются. Кинематическими перемещениями являются перемещения сечений системы, вызванные изменением очертания веревочной кривой вследствие изменения расположения или характера нагрузки. Кинематические перемещения изменяют расчетную схему системы и требуют знания состояния системы предшествующего нагружения, что усложняет расчет. Нетрудно заметить, что простое изменение интенсивности нагрузки не вызывает кинематических перемещений. Отсюда появляются два характера нагружения системы — равновесное, при действии которого возможно равновесие нити (системы) заданного начального очертания и которое не вызывает кинематических перемещений системы, и неравновесное, отличающееся по расположению или характеру нагрузки от первоначального и вызывающее кинематические перемещения. Помимо кинематических перемещений в несущих пролетных системах висячих покрытий велики упругие деформации (особенно в системах с применением стальных канатов и тросов), вызванные применением материалов высокой прочности и меньшим модулем упругости. Таким образом, суммарная деформативность висячих систем обычно бывает существенно больше деформативности традиционных покрытий. В этом основная особенность работы висячих покрытий. Для уменьшения деформативности начальное очертание системы выбирают таким образом, чтобы постоянная нагрузка являлась равновесной и не вызывала кинематических перемещений. Анализ работы несущей системы, проведенный на примере несущей гибкой нити из троса, показывает, что изменение параметров системы различно влияет на ее упругие деформации и кинематические перемещения. Рассмотрение этих выражений показывает, что увеличение стрелы провеса системы уменьшает упругие прогибы и искривление нити при действии равновесной нагрузки и увеличивает кинематические перемещения и искривление нити при действии неравновесной нагрузки. При этом искривления от кинематических перемещений всегда остаются существенно большими, чем от упругих деформаций, из чего следует, что для деформативности покрытия кинематические перемещения опаснее упругих деформаций. При отсутствии постоянной нагрузки на покрытие равенство упругих прогибов при полном равномерном загружении нити и кинематических перемещений при загружении половины пролета временной нагрузкой той же интенсивности получается для тросов при стреле провеса, равной около пролета. Различно и влияние постоянной нагрузки на упругие деформации и кинематические перемещения. Так, наличие постоянной нагрузки, равной по интенсивности временной, уменьшает упругие деформации от временной нагрузки на 5 — 10%, а кинематические перемещения и местные искривления уменьшаются в 3 раза. Из этого анализа можно сделать вывод, что из условия деформативности при легких покрытиях стрелку провеса нитей следует делать меньше Vis пролета, а при тяжелых покрытиях, наоборот, желательно иметь стрелку провеса больше Vis пролета. Этот вывод полностью согласуется с экономическими соображениями, основанными на расходе материалов на несущую систему, но, естественно, не учитывает, например, архитектурные факторы, соображения о невыгодности длинных распорок в двухпоясных системах и т. п. Стремление уменьшить кинематические перемещения висячих покрытий привело к использованию в них особого класса систем—мгновенно-жестких, двухпоясных, тросовых сеток и оболочек отрицательной гауссовой кривизны и т. п. По определению И. М. Рабиновича, «мгновенно-жесткой системой будем называть такую плоскую или пространственную кинематическую цепь, которая имеет положительное число степеней свободы, но в случае абсолютной жесткости ее звеньев допускает лишь бесконечно малые перемещения». Упругие деформации элементов системы делают перемещения конечными, но все же они намного меньше кинематических перемещений изменяемых систем. К преимуществам мгновенно-жестких систем относится также возможность их предварительного напряжения, действующего подобно постоянной нагрузке на изменяемую систему. Это начальное натяжение увеличивает жесткость системы, особенно при действии неравновесных нагрузок, и уменьшает деформационный эффект воздействия внешней нагрузки. Однако предварительное натяжение, повышай жесткость, увеличивает и усилия в элементах системы, что требует увеличения площади их сечения, а потому значительные начальные усилия экономически невыгодны. Кинематические перемещения можно сильно уменьшить, накладывая горизонтальные связи на несущий пояс системы. Наконец, кинематические перемещения в висячих покрытиях можно сильно уменьшить применением изгибно-жестких нитей, т. е. сплошностенчатых или решетчатых элементов, работающих главным образом на растяжение, но обладающих одновременно и конечной изгибной жесткостью, которая сильно уменьшает местные искривления покрытия и его кинематические перемещения.Таким образом, стабилизация покрытия может осуществляться соответствующим выбором несущей системы и ее параметров, предварительным напряжением и применением изгибно-жестких элементов. Особенности материалов, применяемых для несущих конструкций висячих покрытий. Для несущих систем висячих покрытий применяют арматурную сталь, пучки высокопрочной проволоки, стальные канаты и тросы, профильную и листовую горячекатаную сталь и алюминиевые сплавы. Каждый из этих материалов обладает специфическими свойствами, которые нужно учитывать при проектировании покрытия. Арматурная сталь неоднократно применялась в висячих покрытиях, главным образом в висячих предварительно напряженных железобетонных оболочках. Так, в покрытии гаража в Красноярске и шламбассейна в Еманжелинске была применена круглая арматурная сталь 25Г2С, упрочненная вытяжкой до е = 3, 5%. К достоинствам арматурной стали следует отнести ее относительно невысокую стоимость, большую, чем у канатных проволок, коррозионную стойкость вследствие меньшей поверхности при равной площади сечения, большой модуль упругости и, следовательно, сравнительно меньшую деформативность покрытия, а также легкость закрепления на концах. Недостаток арматурной стали—ее меньшая прочность по сравнению с канатной проволокой, что приводит к значительно меньшей несущей способности элементов из арматурной стали по сравнению с несущей способностью стальных канатов. Небольшая (до 15 м) длина прокатываемой арматуры осложняет устройство элементов большой длины, так как сварка стыков может привести к местному разупрочнению элемента, что также ограничивает ее применение. Пучки из параллельных проволок, семипроволочные пряди и невитые канаты. Арматурные пучки пряди получают из гладкой высокопрочной проволоки, канатной проволоки и высокопрочной проволоки периодического профиля диаметром 3 — 8 мм. Меньшая, чем у арматурной стали, коррозионная стойкость этих видов арматуры позволяет рекомендовать их к применению только при условии соответствующей защиты, например в висячих железобетонных оболочках. Стальные спиральные канаты и тросы. Наибольшее распространение при изготовлении несущих элементов висячих покрытий имеют спиральные канаты из круглых проволок, спиральные канаты закрытые из фасонных проволок и канаты-тросы двойной свивки. В качестве сердечника спиральных и закрытых канатов для постоянных сооружений применяется стальная проволока той же марки, что и проволоки каната. Не рекомендуется применять стальные канаты с органическим сердечником (широко применяемые при монтажных работах) в постоянных сооружениях вследствие их меньшей продольной жесткости и возможности коррозии внутри каната. Свивка каната вызывает в отдельных проволоках небольшие дополнительные изгибные напряжения и поэтому агрегатная прочность каната — это расчетное разрывное усилие—всегда меньше произведения расчетной площади сечения всех проволок на временное сопротивление разрыву материала проволок (все эти данные приводятся в ГОСТах на канаты). Расчетные сопротивления стальных канатов приведены в СНиП. Реальный модуль упругости каната до его вытяжки на монтаже обычно меньше теоретического, так как в процессе транспортирования и обработки каната плотность свивки проволок нарушается. Чтобы достичь более равномерной работы всего сечения каната, а также повысить и стабилизировать его модуль упругости, непосредственно перед установкой в конструкцию рекомендуется проводить предварительную вытяжку канатов. Последнюю осуществляют либо однократным натяжением каната с выдержкой в течение 30 — 45 мин под усилием, на 10 — 15% превышающим расчетное, либо двух-четырехкратпым натяжением каната таким же усилием с промежуточными разгрузками каната до нулевого усилия. Предварительная вытяжка снижает неупругие деформации каната, вызванные расстройством плотности свивки проволок, а также снимает значительную часть деформации ползучести материала проволок. Концы канатов для прикрепления их к опорной конструкции должны иметь анкерные устройства. Наиболее универсальным креплением, пригодным для канатов всех типов, являются заливные анкеры, в стаканах которых концы проволок каната загибаются и заливаются легкоплавким (температура разлива 460 — 480°С) сплавом ЦАМ9—1, 5, содержащим цинк, 9 — 11% алюминия и 1 — 2% меди. В ряде случаев при массовом изготовлении, статической нагрузке на канат и сравнительно небольшом диаметре каната (не более 40 — 50 мм) целесообразно применять гильзоклиновые анкеры. В этих анкерах сцепление гильзы с канатом происходит в результате затекания металла гильзы между проволоками элемента или пряди во время проталкивания гильзы со вставленным в нее канатом и клином через фильер, имеющий меньший диаметр, чем начальный наружный диаметр гильзы. Во время проталкивания мягкий металл гильзы (обычно СтЗ) приходит в пластическое состояние и заполняет пространства между проволоками и гильзой, создавая неразъемное сцепление между ними. Для защиты от коррозии применяют канаты из проволоки, оцинкованной горячим способом, или на готовый канат из светлой (неоцинкованной) проволоки наносят слой металлического покрытия (цинка, свинца, латуни, алюминия) либо слой пластмассового (полимерного, полиамидного) покрытия. Вид покрытия и толщина его слоя определяются степенью агрессивности среды. Канаты, работающие в неагрессивных средах, обычно достаточно смазать специальными защитными или эксплуатационными смазками, применяемыми при хранении канатов. Профильный металл, применяемый для изгибно-жестских вант, и листовой металл, применяемый для металлических мембран, обычно не отличаются от подобного материала, используемого в традиционных металлических конструкциях; здесь также применяются малоуглеродистая и низколегированная сталь. Однако для топких стальных мембран ввиду их очень большой поверхности, которая может подвергаться коррозионным повреждениям, желательно применение атмосфероустойчивой стали типа 10ХНДП или нержавеющей стали. Особенности нагрузок на висячие покрытия. Действующие на висячие покрытия нагрузки в соответствии со СНиПом подразделяются на постоянные и временные—длительно действующие и кратковременные. К постоянным нагрузкам относится вес несущих и ограждающих конструкций покрытия. Собственный вес несущих конструкций в значительной степени зависит от их типа. В однопоясных покрытиях с железобетонными плитами вес тросов обычно составляет около 0, 06 — 0, 08 кИ/м2, а вес всего покрытия сильно зависит от конструкции образующих покрытие железобетонных плит и колеблется от 0, 8 (ребристая плита толщиной 2, 5 см) до 2кН/м2 (монолитная плита толщиной 8 см). В металлических оболочках вес несущей конструкции также состоит из собственного веса оболочки и веса стабилизирующей оболочку конструкции и в сумме составляет около 0, 4кН/м2 при толщине оболочки 4 мм и около 0, 6 кН/м2 при толщине оболочки 6 мм. В покрытиях с изгибно-жесткими элементами вес несущей конструкции равен 0, 3 — 0, 4 кН/м2, но в отличие от оболочек к этому весу должен быть прибавлен дополнительный вес щитовой конструкции, которая поддерживает кровлю, расположенную между изгибно-жесткими элементами (например, щиты с профилированным настилом) и не участвующую в работе пролетной несущей конструкции покрытия. Для тросовых систем—двухпоясных систем, тросовых ферм, седловидных сеток — характерен очень малый вес несущей конструкции (0, 05 — 0, 12 кН/м2), но подобно покрытиям с изгибно-жесткими элементами они должны иметь дополнительную конструкцию, поддерживающую кровлю, вес которой необходимо учитывать. В двухпоясных покрытиях существенный вес могут иметь сжатые стойки, соединяющие пояса, поэтому предпочтительнее системы, в которых несущие пояса расположены над стабилизирующими, а пояса соединены легкими растяжками. Вес самих несущих элементов покрытия (без учета конструктивных деталей) не может служить показателем расхода материала на все покрытие, так как не включает данных об опорных конструкциях и внутренних кольцах в круглых покрытиях. К постоянным нагрузкам помимо веса несущей конструкции относят вес ограждающей конструкции—утеплителя, гидроизоляции, часто подвесного потолка; ее вес принимается по фактическим весам примененных составляющих элементов. К временным длительно действующим нагрузкам относят вес подвесного потолка, а также вентиляционного и осветительного оборудования, которое часто подвешивается к несущей конструкции покрытия; вес этот обычно задается архитекторами совместно с технологами и в зависимости от здания часто составляет 0, 1—0, 3 кН/м2 и более. Таким образом, суммарное воздействие на покрытие постоянной и временной длительно действующих нагрузок зависит от назначения сооружения, конструкции кровли и наличия технологического оборудования. Для московских олимпийских сооружений оно составляло 1, 5 — 2 кН/м2. Для большинства зданий эти нагрузки принимаются равномерно распределенными по покрытию. Главными кратковременными нагрузками являются ветровая и снеговая нагрузки. Ветровая нагрузка. Расчетное значение ветровой нагрузки принимается по СНиПу в виде произведения коэффициента надежности по нагрузке, скоростного напора Wo, коэффициента е, учитывающего изменение скоростного напора по высоте, и аэродинамического коэффициента с. При проектировании висячих покрытий все данные берут из СНиПа. К сожалению, в действующем СНиПе отсутствуют указания по определению аэродинамических коэффициентов для большинства форм висячих покрытий. В процессе реального проектирования их обычно экспериментально определяют продувкой модели в аэродинамической трубе. Исследования аэродинамического коэффициента, выполненные К. А. Бабаевой, показали весьма сильную зависимость этих коэффициентов от многих параметров здания, что затрудняет обобщенную рекомендацию. Эти данные показывают, что ветер на подавляющей части поверхности большинства покрытий оказывает отрицательное давление—отсос, достигающий па отдельных участках покрытия 0, 2 — 0, 3 и даже 0, 6 кН/м2. В «легких» покрытиях, собственный вес которых не превышает 0, 6 — 0, 8 кН/м2, особенно при недостаточном укреплении его краев, неравномерное давление ветра вызывает большие деформации покрытия и даже явление аэродинамической неустойчивости покрытия, т. е. его вибрацию или полное вывертывание покрытия. В таких случаях необходима специальная стабилизирующая конструкция, предохраняющая покрытие от этого явления. «Тяжелым» покрытиям, 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 также принимается по СНиПу и обычно рассматривается в виде равномерно распределенной по покрытию и в нескольких вариантах неравномерного распределения, учитывающего возможный передув снега ветром, частичную очистку покрытия от снега и др. К сожалению, СНиП не приводит рекомендаций по учету неравномерного распределения снега по большинству форм висячих покрытии, а данные, полученные К. А. Бабаевой, являются первичными п необязательными. Такая неопределенность в отношении неравномерного распределения снега приводит к тому, что проектировщик рассматривает различные схемы загружеиия, вызывающие либо наибольшие усилия в несущей или опорной конструкции, либо наибольшие перемещения, не очень сильно считаясь с вероятностью таких нагружений.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЙ.

Висячими называют покрытия, в которых главная несущая пролетная конструкция работает на растяжение. Она может быть образована из стальных стержней, канатов, тросов, прокатных профилей, а также может представлять собой металлическую или железобетонную предварительно напряженную оболочку. Висячие покрытия за последние годы 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. Работа 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, и висячие покрытия являются одной из наиболее перспективных конструктивных форм для применения относительно более дешевых (так как увеличение прочности материалов опережает рост их стоимости) высокопрочных материалов. Полное использование несущей способности высокопрочного материала ведет к уменьшению собственного веса несущей конструкции и, следовательно, позволяет наиболее эффективно перекрывать большие пролеты; с ростом пролета преимущества висячей конструктивной формы покрытия увеличиваются, что хорошо подтверждается практикой мостостроения; уже существуют мосты пролетом 1000 м и более. Большое разнообразие архитектурных форм висячих покрытий позволяет применять их для зданий самого различного назначения—от покрытия небольших коровников и теплиц до покрытия крупных общественных зданий.

рис 3. Висячее покрытие на прямоугольном плане.

Транспортабельность элементов висячих покрытий (тросов в бухтах, металлических оболочек—в рулонах) и почти полное отсутствие вспомогательных подмостей при монтаже делают их достаточно индустриальными. Малый собственный вес несущей конструкции и её повышенная деформативность делают ее сейсмостойкой, так как резко уменьшается сейсмический импульс на конструкцию. Однако висячие покрытия имеют и недостатки, от удачного преодоления которых часто зависит эффективность применения системы в целом. Висячие системы — системы распорные, и для восприятия распора (горизонтальной составляющей тяжения тросов или оболочки) необходима специальная опорная конструкция, способная воспринять эти горизонтальные силы; стоимость опорной конструкции может составлять значительную часть стоимости всего покрытия. Желание уменьшить стоимость опорной конструкции путем повышения эффективности ее работы приводит к преимущественному использованию покрытий круглой, овальной и других непрямоугольных форм плана, который плохо согласуется с современной планировкой производственных зданий; в этом одна из причин недостаточно широкого применения висячих покрытий для производственных зданий.

рис. 4. Двускатные висячие покрытия.

К специфическим особенностям висячих покрытий относится их повышенная деформативность. Она связана, во-первых, с повышенными упругими деформациями применяемых высокопрочных материалов и особенно тросов, в которых нормальные напряжения в несколько раз больше, а модуль упругости Е меньше, чем в обычной конструкционной стали. Таким образом, относительное удлинение элементов конструкции е = о/Е оказывается значительно большим, чем в традиционных конструкциях. Во-вторых, повышенная деформативность вызвана 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, она обусловлена 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 расчеты. Чтобы уменьшить деформативность покрытия, применяют специальные мероприятия, стабилизирующие его, которые, естественно, увеличивают стоимость покрытия. К недостаткам висячих покрытий можно отнести также трудность водоотвода с покрытия.