Гибкие оболочки (висячие конструкции)

 

Прообраз – тент над Колизеем.

В СССР – проектные решения – с 1938 г., но не были осуществлены.

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

Впервые авторские права на устройство висячих сетчатых конструкций были получены в 1895 г. выдающимся русским инженером и ученым, почетным академиком В. Г. Шухо­вым. 1898 – сетчатые оболочки двоякой кривизны.

В 1969 г. во Владивостоке – кинотеатр «Океан», но висячее – закрыто.

Преимущества:

· 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.

· Стрела прогиба висячих конструкций составляет 1/15—1/25 пролета (у пологих выпуклых покрытий - стрела подъема - 1/5—1/8 пролета), что поз­воляет значительно уменьшить строительный объем здания.

· Вогнутая внутрь поверхность висячих кон­струкций способствует рассеиванию звуковой энергии в зале.

· Возможность возведения большепролет­ных покрытий без лесов и подмостей. Систе­ма тросов, перекинутых с опоры на опору, служит основанием для устройства огражда­ющей конструкции покрытия.

Рис. Схема висячего покрытия с оттяжками:

1 висячее покрытие; 2 - опорные железобетонные балки; 3 - наклонная оттяжка; 4 - тарельчатый анкер; 8 - стойки; 6 - вертикальная оттяжка; 7 - железобетонная распорка; 8 - анкерная балка; 9 – фундамент.

 

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. Это требует выпол­нения трудоемких неиндустриальных работ и дополнительных затрат материалов.

В вися­чих покрытиях необходимо исключить:

· воз­можность вывертывания конструкции (особенно при легк. и гибких констр. покрытия) в об­ратную сторону под воздействием отсоса, возникающего при ветровых нагрузках (0,6 - 0,8 от ветрового напора),

· вибрации и явлений резонанса,

· местного провисания при неравномерных нагрузках.

Предупреж­дение этих явлений также вызывает необхо­димость в дополнительных затратах материала и увеличивает трудоемкость работ

Опорные контуры висячих покрытий мо­гут быть двух видов: незамкнутые и замкну­тые (плоские прост­ранственные).

А. Незамкнутый опорный контур характе­рен для висячих покрытий прямоугольных зданий с опорами в виде колонн, располо­женных по двум противоположным сторонам. Этот вид покрытий носит название «палаточ­ный».

Б. Замкнутый опорный контур может иметь круглую, эллиптическую и овальную форму с устройством опорного кольца по всему периметру здания. В зависимости от формы и статической работы висячие конструкции разделяются на плоские и пространственные.

В плоских - для обеспечения пространственной устой­чивости висячих покрытий приме­няются тяжелые ограждения из железо­бетонных панелей, после укладки которых на тросы, покрытию дают монтажную пригрузку, 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. Для отвода атмосферных вод средним тросам придают меньшую стрелу прогиба и постепенно увели­чивают ee к торцевым краям покрытия, обеспечивая уклон в 1,5-2,5%. По панелям укладываются пароизоляция, слой утеплите­ля и затем гидроизоляционный ковер.

В покрытиях над прямоугольными заль­ными помещениями находят применение двухпоясные тросовые фермы, со­стоящие из верхнего и нижнего поясов и ре­шетки в виде диагональных растяжек.

Восприятие горизонтальных усилий в ви­сячих покрытиях с незамкнутым контуром осуществляется:

· с помощью проч­но заанкеренных в грунте оттяжек,

· рам с наклонными стойками,

· распорных балок или ферм.

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 грунтах (плотных, скальных породах), а также при использовании на­клонных рам в качестве несущих конструк­ций зрительских трибун.

Наиболее эффективно применение прост­ранственных висячих систем покрытий заль­ных помещений (замкнутый опорный кон­тур). Он воспринимает горизонтальные уси­лия. Наиболее целесообразна круглая форма, обеспечивающая при рав­номерной нагрузке равномерное распределе­ние усилий от покрытия и безмоментную работу самой контурной балки.

Висячие покрытия с круглым опорным контуром находят применение в виде одно­поясных и двухпоясных систем.

В однопояс­ных круглых покрытиях тросы, расположен­ные радиально, закрепляются в контурном опорном и в центральном кольцах. 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 три незамкнутом контуре, т. е. путем применения тяжелого ограждения в виде железобетонных плит, замоноличивания перекрытия с предварительным напря­жением тросов и превращения его в жесткую висячую оболочку.

Отвод атмосферных вод - водосточными трубами, под­вешенными к покрытию.

В двухпоясных висячих покрытиях нижние тросы - несущие, а верхние - стабилизирующие (напрягающие), соединенные распорным и трубчатыми стойками. Применением схемы с пересечением несущих и напрягающих тросов удалось несколько уменьшить строительный объем зала.

Мембраны. Висячие покрытия с замкнутым контуром, выполняемые из листового металла (сталь, алюминиевые сплавы), носят название мембран. 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),

· относительная простота монтажа покрытия.

Применение мембран целесообразно при значительных пролетах (100 - 200 м и б.).

Мембранные покрытия отличаются легкостью (30—40 кгс/см²). Поэтому для стабилизации их формы и обеспечения устойчивости:

· применяются системы напрягающих тросов и оттяжек, закрепленных во внешних стойках и в промежуточном кольце;

· устраивается 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.

Стационарная часть покрытия представляет собой террасированную кольцевую мембрану.

Мембранные конструкции обладают рядом объективных достоинств (2-х осное напряженное состояние, растяжение практически по всей поверхности, совмещение несущей и ограждающей конструкции), благодаря чему она безусловно наиболее экономичная система. Применительно к покрытию стадиона с учетом его формы и размеров классическая мембрана имеет 3 основных недостатка: - значительная строительная высота (около 10 м); - обязательная депланация внутреннего контура около 2 м с низшей точкой посередине длинной стороны; - малая жесткость покрытия на действие динамики ветра. Первый минус приводит либо к значительному подъему опорного контура, что нарушает внешний облик стадиона, либо к опусканию внутреннего кольца, что ухудшает обзор интерьера. Предложенная в проекте террасированная мембрана решает все три перечисленные для классической мембраны недостатка. Благодаря подъему каждой внутренней мембраны создается общая вспарушенность покрытия в интерьере при возможности сохранить высоту существующего фасада, а также решается проблема водостока.

Висячие покрытия с поверхностями отрицательной гауссовой кривизны в форме гиперболических параболоидов находят все более широкое применение в покрытиях общественных зданий. Построение гипаров и преимущества покрытий с этой формой поверхностей рассмотрены в § 20. Несущая конструкция покрытия состоит из предварительно напряженных тросов, расположенных под углом друг к другу. По образованной тросовой сетке укладывается ограждающая конструкция.

Тросовая сеть обладает большой пространственной жесткостью. Несущие тросы, провисающие вниз, воспринимают растягивающие усилия от положительных нагрузок (вес ограждения, снега и пр.), а напрягающие тросы, выгнутые вверх, придают напряжение всей системе и воспринимают растягивающие усилия от отрицательных нагрузок снизу вверх (отсос в результате действия ветра). Надежная устойчивость несущих конструкций покрытия позволяет применять для ограждений легкие материалы (волнистые металлические, асбестоцементные листы, ткани и т.п.). Форма поверхности таких покрытий не создает трудностей для удаления атмосферных осадков, а внутренняя поверхность благоприятна в акустическом отношении.

Схемы висячих покрытий (гипаров) с несущими конструкциями в виде тросовых сетей: а, б, в.

Тканевые покрытия.

 

 

В вантовых конструкциях основным несущим элементом сооружения служат натянутые стальные тросы или система тросов (тросовые фермы), по которым укладываются тонкие мембраны из стали, алюминия, дерева и пр. Для покрытия зданий с большим пролетом вантовые конструкции представляются наиболее эффективным решением.

В Санкт-Петербурге построен спортивно-концертный комплекс с покрытием в виде мембраны диаметром 160 м, толщиной 6 мм и универсальными Байтовыми конструкциями. За натяжением мембраны ведутся постоянные наблюдения. Крыша-мембрана спортивного зала Олимпийского стадиона в Москве толщиной 5 мм перекрывает без единой промежуточной опоры площадь свыше 30 тыс. кв. м. Отметим, что мембранные конструкции были известны и раньше, но в них использовались другие принципы, например, В.Г.Шухов использовал гиперболоид вращения.

показана висячая мембрана Шухова в круглом павильоне Нижнегородской выставки. В оригинальном павильоне круглого здания поверху наружных стен на высоте 6,4 м уложено металлическое кольцо диаметром 68 м. Внутри здания 16 металлических колон (высотой 15 м) держат второе кольцо диаметром 25м.

Пространство между двумя кольцами перекрыто свободно висящей сеткой, состоящей из взаимно перекрещивающихся стальных полос, образующих ячейки в виде ромбов. По этому техническому проекту первое такое покрытие было построено Шуховым в 1894 г. над цехом котельного завода фирмы Бари в Москве.

Принцип вантовых конструкций использовался еще в сооружениях древности; и очень широко используется в наше время.

Принцип вантовых конструкций многократно использовал всемирно известный японский архитектор Кензо Танге. Среди его наиболее известных сооружений - два олимпийских спортивных зала в Токио - Ёёги, построенных для XVII летних Олимпийских игр 1964 г.