VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Висячие покрытия считаются наиболее рациональными и экономичными конструкциями для перекрытия больших пролетов. Идея применения гибкой нити для покрытий зданий впервые была предложена В. Г. Шуховымв 1896 г. для зданий выставочных павильонов Нижегородской ярмарки. Висячие покрытия стали широко внедряться в строительство только со второй половины XX в., когда возрос уровень развития строительной техники. За рубежом начало развития современных висячие конструкций покрытий относится к 30-м гг. XX в. Такие покрытия применяют для спортивных и зрелищно-спортивных зданий, выставочных павильонов, аэровокзалов и крытых рынков. Экономический эффект применения висячих систем существенно возрастает по мере увеличения пролета, их применяют преимущественно для пролетов свыше 60-70 м.

Седловидное покрытие представляет собой систему, состоящую из напряженной сетки, имеющей чаще всего поверхность гиперболического параболоида и жесткого или комбинированного опорного контура. Сетки образуются двумя семействами ортогонально расположенных взаимно перпендикулярных тросов, одни из которых несущие (вогнутые), другие — стабилизирующие (выпуклые). [1]

Различают три типа седловидных систем [2]:

1. Покрытия с передачей распоров от несущих и напрягающих нитей на наклонные или вертикальные арки;

2. Покрытия, у которых анкерной конструкцией служит замкнутое кольцо или пояс сложной формы;

3. Системы с передачей распора на краевые тросы (подборы), которые могут быть закреплены в анкерах или на стрелах, оттяжках и т.п.

Покрытия седловидными напряженными сетками на опорном контуре из пересекающихся арок впервые предложены архитектором Матвеем Новицким и выполнены в 1953 г. в здании крытого катка Ралей-арена размером 92x97 м в Северной Каролине, США (Рисунок 1).

К двум железобетонным аркам сечением 4,2 на 0,75 м, наклоненным к горизонту под углом 22º и поддерживаемым опорными стойками, подвешены рабочие тросы, располагаемые по вогнутой поверхности. Перпендикулярно к ним натянуты напрягающие (стабилизирующие) тросы, образующие выпуклость кверху. В результате получается седлообразная относительно жесткая поверхность. Несущие тросы имеют диаметр 19-32 мм и шаг 1,83 м, диаметры напрягающих тросов 18-19 мм. Рабочие тросы воспринимают вес покрытия и снеговую нагрузку, стабилизирующие - отрицательную ветровую нагрузку (отсос), обеспечивая аэродинамическую устойчивость системы. В покрытии с поверхностью отрицательной кривизны предварительное напряжение обеспечивает стабилизацию системы.

Сочетание такого покрытия с различными вариантами расположения арок придает зданиям интересные индивидуальные формы. В связи с этим оно неоднократно применялось в покрытиях большепролетных спортивных сооружений. В таких покрытиях легко организовать наружный водоотвод, а их форма способствует рассеиванию отраженных звуковых волн, что улучшает пространственную акустику перекрываемого зала.

Рисунок 1 – Висячее седловидное покрытие над стадионом Ралей-арена (США):

а – общий вид здания; б – схема покрытия; в – план; г – часть разреза; 1 – арка;

2 – кровля; 3 – ветровые оттяжки

Система седловидных сеток может быть применена в качестве конструкции несущей (ограждающие элементы покрытия из металлических панелей, не участвующих в работе покрытия) либо, наоборот, использована в качестве «постели» под стальное мембранное покрытие.

Пример такого варианта — покрытие здания Олимпийского крытого велотрека в Москве. Авторы конструкций - инженеры В. Ханджи. М. Савицкий, Ю. Родниченко. В. Бородин, И. Лисицин. В. Трофимов. Л. Гольденберг. П. Еремеев.

Покрытие над спортивным залом, имеющим эллипсовидный план, образовано двумя гиперболическими параболоидами, симметрично расположенными относительно продольной оси здания. Две внутренние почти вертикальные арки пролетом по 168 м жестко защемлены в фундаментах и соединены между собой фермами. Наружные арки занимают положение, близкое к горизонтальному, и опираются на консоли трибун, а внутренние объединены связями в пространственный блок и не имеют промежуточных опор.

Стальная мембрана покрытия толщиной 4 мм образует гиперболическую поверхность, испытывая двухосное напряженное состояние, преимущественно растяжение по направлению ската. В продольном направлении в мембране возникает растяжение от ветрового отсоса и от местного провисания мембраны между направляющими полосами, которые расположены с шагом 6, м. Для уменьшения этих напряжений и облегчения монтажа мембраны введены прогоны из гнутых профилей, которые раскрепляют направляющие полосы через 3 м.

Рисунок 2 – Велотрек в Крылатском (Москва):

план, разрезы, общий вид

Седловидное покрытие с включением в несущие конструкции фонаря. Покрытие гимнастического зала в г. Мито (Япония) имеет пролет в направлении несущих канатов около 70 м и в направлении напрягающих – 88,5 м. Последние прерываются в середине пролета фонарной конструкцией шириной 4 м и выстой 2 м. Роль фонаря как жесткой стабилизирующей конструкции несомненна, однако устройство стыков кровли и ограждений фонаря осложняет производство работ и эксплуатацию покрытия. [2]

Рисунок 3 – Седловидное покрытие гимнастического зала в г. Мито (Япония):

1 – бортовой элемент; 2 - несущие ванты; 3 - стабилизирующие ванты; 4 - конструкция фонаря

Плавательный бассейн на проспекте Мира в Москве. В здании Олимпийского плавательного бассейна запроектированы многоярусные трибуны для зрителей, поэтому покрытие принято высоким (до 46 м) с большой стрелой провеса (до 16 м). Основные несущие элементы покрытия – поперечно расположенные фермы из прокатных профилей. Покрытие стабилизируется системой предварительно напряженных продольных связей, образующих с фермами сетчатую седловидную систему. Распоры от висячих ферм передаются на две наклонные арки, которые представляют собой стальные короба, заполненные бетоном. Проект выполнен институтами Моспроект и ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко.

Достоинства седловидных висячих конструкций [1]:

• наиболее полное использование несущей способности высокопрочных сталей;

• совмещение в одной конструкции несущих и ограждающих функций, благодаря которому дополнительно снижается масса покрытия;

• сейсмостойкость;

• их использование позволяет создавать самые разнообразные архитектурные формы зданий и сооружений.

Рисунок 4 – Олимпийский бассейн на проспекте Мира (Москва):

план, разрез, общий вид

Рисунок 5 – Седловидное висячее покрытие бассейна в г. Аркадия (Одесса):

1 - железобетонная арка; 2 – тросы; 3 - пилоны

Конструкции с весьма малой массой способны перекрывать пролеты 40—300 м, и с увеличением пролета эффективность висячих конструкций увеличивается. Благодаря малому весу висячие конструкции просты в транспортировке и монтаже, удобны и индустриальны в изготовлении.

В зависимости от конструкции опорного контура можно создавать разнообразные по композиционному решению архитектурно-конструктивные формы седловидных покрытий и зданий в целом, благодаря чему седловидные сетки получили широкое распространение в практике строительства.

Кроме функционально необходимых форм сооружений с седловидными сетками в практике проектирования появляются объекты, в которых с использованием возможностей формообразования конструкций этого типа решение полностью подчиняется какой-либо символике. В результате рождаются большепролетные покрытия экстравагантной архитектуры, но конструктивно сложные и требующие большого расхода материала. Такое покрытие выполнено в большом плавательном бассейне олимпийского комплекса «Йойоги» в Токио.

Рисунок 6 – Пример сложного сетчатого покрытия плавательного бассейна Олимпийского комплекса в Токио (Япония):

1 – пилоны; 2 – тросы-подборы; 3 – анкерные фундаменты; 4 – контурные балки;

5 - вантовые фермы; 6 – связи; 7 – распорные балки

С точки зрения распределения усилий наилучшей поверхностью седловидного покрытия является поверхность гиперболического параболоида. В этом случае несущие и стабилизирующие нити имеют форму соответственно вогнутых и выпуклых квадратных парабол с постоянным отношением f/l² в каждом тросе, что создает равенство усилий во всех тросах при равномерно-распределенной нагрузке на покрытии. [1]

Работа седловидных сеток отличается также тем, что каждому несущему тросу соответствует не один стабилизирующий, а совокупность всех стабилизирующих тросов, т. е. система в целом работает как пространственная.

Эффективность седловидных систем в большой степени зависит от материалоемкости опорного контура. Снизить расход материалов на контур можно, проектируя его безизгибным в виде параболических наклонных арок и эллиптического или круглого пространственного кольца. Однако безизгибность контура имеет место только при постоянных равномерно распределенных по покрытию нагрузках. При одностороннем действии временной нагрузки в опорном контуре появляются изгибающие моменты, требующие увеличения мощности контура.

Седловидные висячие покрытия нашли широкое применение не только для строительства спортивных сооружений, а так же для выставочных павильонов, крытых рынков, вокзалов и других большепролетных зданий.

Библиография

[1] Файбишенко В. К. Металлические конструкции: Учеб. пособие для вузов. — М.: Стройиздат, 1984. — 336 с., ил.

[2] Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции: Учеб. пособие для вузов. — М.: Стройиздат, 1981.— 158. с, ил.

[3] Фомина В. Ф. Архитектурно-конструктивное проектирование общественных зданий: учебное пособие / В. Ф. Фомина. – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – 97 с.

Код для цитирования: Скопировать