Тросовые фермы (стр. 2 из 3)
1. Конструктивные формы вантовых покрытий
Вантовые покрытия можно применять для покрытий зданий практически любого очертания в плане. Вантовые покрытия могут различаться по конструкции заполнения покрытия (легкие или тяжелые покрытия) и по геометрической форме поверхности (цилиндр, конус, эллипсоид, гиперболический параболоид, складки и т.п.). В качестве определяющих признаков различных конструктивных форм приняты кривизна поверхности покрытия и тип тросовой системы.
Система 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. Заполнения выполняют преимущественно из кессонированных сборных железобетонных плит. При малых пролетах покрытия бетонное заполнение может быть без предварительного напряжения. При больших пролетах необходимо предварительное напряжение бетона для ограничения трещинообразования, одновременно ограничивается деформативность конструкции.
Вантовые покрытия с параллельными одиночными тросами применяют для прямоугольных в плане зданий (рис.3).
Двухпоясные вантовые системы. Несущие элементы таких систем состоят из несущего и стабилизирующего тросов, имеющих кривизну разног знака. Двупоясные системы выполняют обычно в виде тросовых ферм, в которых несущий и стабилизирующий тросы связывают между собой стержнями круглого сечения или тросовыми растяжками (рис. 4).
Преимущества двухпоясных вантовых систем в том, что загруженной собственным весом покрытия тросовой ферме предварительным напряжением можно придавать очертания, соответствующее веревочной кривой для преобладающей временной нагрузки, при этом существенно ограничивается деформативность конструкции. Тросовые фермы отличаются высоким значением декремента затухания колебаний и, следовательно, достаточной надежностью при динамических воздействиях.
Оптимальная величина стрелы провеса (подъема) поясов тросовых ферм для верхнего пояса составляет 1/17 - 1/20, для нижнего пояса 1/20 - 1/25 соответствующего пролета.
На рис. 5 показана схема покрытия с тросовыми фермами на прямоугольном плане. Такие покрытия можно применять и для многопролетных зданий, поскольку величина горизонтальных составляющих опорных реакций, передаваемых на анкерные фундаменты, не зависит от числа пролетов.
Системы из одиночных тросов. Покрытия этого типа 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 ограничиваются по контуру сжатым опорным кольцом. Радиальные тросы, усилия в которых одинаковы при равномерной нагрузке, прикрепляются в середине к растянутому центральному кольцу (рис. 6,а). Устанавливая в центре опору, получают шатровое вантовое покрытие (рис. 6, б).
Заполнение покрытия выполнено из кессонированных сборных железобетонных плит трапециевидного очертания различных размеров.
Вантовые покрытия из одиночных тросов часто применяют и для перекрытия эллиптических планов. Недостаток этого типа покрытий состоит в том, что усилия в тросах при равномерной нагрузке оказываются неодинаковыми, вследствие чего в наружном кольце возникают и сжимающие усилия, и изгибающие моменты. В еще большей степени проявляется этот недостаток в покрытиях с прямоугольным планом. Известны покрытия круглые в плане с применением вантовой фермы Яверта: вантовое покрытие, включающее несущий и стабилизирующий пояса, образующие собой вантовые сети с четырехугольными ячейками, смещенными в плане относительно друг друга, и объединенные зигзагообразными раскосами в пересекающиеся наклонные вантовые фермы с треугольной геометрически неизменяемой решеткой, отличающееся тем, что несущий и стабилизирующий пояса, а также соединяющая их раскосная решетка выполнены непрерывными зигзагообразными вантами, которые пропущены через установленные в углах ячеек вантовых сетей соединительные элементы замкнутого профиля с криволинейной внутренней поверхностью, с образованием между ними участков взаимно пересекающихся наклонных вантовых ферм. Пояса которой объединяет наклонная треугольная раскосная решетка. Недостатком фермы Яверта является большой собственный вес, сложность сборки и трудоемкость монтажа.
Складчатые радиальные покрытия с вантовыми фермами
а - система Яверта (раскосы условно ас показаны); б - варианты складок при вертикальном расположении вантовых Дерм
Двухпоясные системы. При конструировании таких систем используют те же принципиальные решения, что и для двухпоясных систем одинарной кривизны или покрытий двоякой кривизны из одиночных тросов.
Некоторые формы круговых двухпоясных систем показаны на рис. 7; возможны и комбинированные системы из радиальных и параллельных вантовых ферм.
Перекрестные системы (тросовые сетки). Эти сетки 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 (рис. 8).
Для перекрестных вантовых систем оптимальная величина стрелы подъема стабилизирующих тросов составляет 1/12 - 1/15 пролета, а стрелы провеса несущих тросов 1/25 - 1/75 пролета.
Перекрестные вантовые системы сочетаются с легкими кровельными покрытиями, 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. Существует опасность появления флаттера (динамической неустойчивости) таких покрытий, особенно при малой кривизне.
Конструкции этого типа характеризуются повышенной чувствительностью к температурным воздействиям. Для них опасны также динамические нагрузки, особенно при больших пролетах.
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 подкрепляются в пролете балками или фермами, располагаемыми с шагом до 12 м. Такая конструкция и может быть использована для протяженных в плане покрытий железобетонных платформ, складов и промышленных зданий.
Другой возможный тип конструкции покрытия - ортогональная тросово-балочная сетка, образованная семейством тросов и семейством перпендикулярных к ним жестких балок (рис. 9).
Высокие прочности свойств тросов эффективно используются в разного рода плоскостных и пространственных конструкциях из стали или железобетона с вантовыми подвесками (рис. 10).
1. Опорные конструкции вантовых покрытий
Эти конструкции представляют собой плоские либо пространственные рамы (стальные или железобетонные) со стойками постоянной или переменной высоты. Элементами опорной конструкции являются ригели, стойки, подкосы, тросовые оттяжки и фундаменты.
Опорные конструкции должны обеспечивать размещение анкерных креплений тросов (вант), передачу реакций от усилий в тросах на основании сооружения и создание жесткого опорного контура покрытия для ограничения деформаций вантовой системы.
Характер действующих на опорную конструкцию нагрузок от усилий в тросах зависит от очертания покрытия в плане.
В покрытиях с прямоугольным или квадратным планом тросы (или тросовые фермы) обычно расположены параллельно друг другу. При этом горизонтальные усилия распора оказываются приложенными в верхних точках опорной конструкции.
Варианты решения несущих конструкций и оснований (фундаментов):
· Передача распора через жесткие балки на торцевые диафрагмы (рис.11, а). Примером такой конструкции (рис. 12) является плавательный бассейн в Вуппертале, Германия (рис. 13).
· Передача распора на рамы, расположенные в полостях тросов (рис. 11, б). Примером конструкции является Городской зал в Бремене, Германия (рис. 14). На рис. 15 показаны массивные рамы опорной конструкции покрытия зала, расположенные с шагом 12,5 м и воспринимающие распор от несущих элементов висячего покрытия, выполненных из предварительно – напряженного железобетона.
· Передача распора через тросовые оттяжки (рис. 11, в). Конструкции несущих стоек и оттяжек вантового покрытия ледового стадиона «Юханнесхоф» в Стокгольме (рис. 16).
В круговых покрытиях тросы или тросовые фермы располагаются радиально. При действии на покрытие равномерно распределенной нагрузки усилия во всех тросах одинаковы, а наружное опорное кольцо равномерно сжато. В этом случае отпадает необходимость в устройстве анкерных фундаментов. При неравномерной нагрузке в опорном кольце могут возникать изгибающие моменты, которые необходимо учитывать и не допускать избыточных моментов.
Для круговых покрытий применяют три основных варианта опорных конструкций:
− с передачей распора на горизонтальное наружное опорное кольцо;
− с передачей усилий в тросах на наклонное наружное кольцо;
− -с передачей распора на наклонные контурные арки, опирающиеся на ряд стоек, которые воспринимают вертикальные усилия от покрытия.
Для восприятия усилий в арках их пяты опирают на массивные фундаменты, либо связывают затяжками.
2. Конструктивные элементы и детали вантовых покрытий
Проволочные тросы (канаты).