Висячие покрытия. Металл

Тема: «Висячие покрытия. Металл»

 

Содержание:

 

1. Общая характеристика висячих покрытий.

 

2. Висячие конструкции покрытий.

 

3. Висячие металлические конструкции: достоинства и проблемы.

 

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЙ

       Висячими называются покрытия, в которых основные элементы несущей конструкции работают на растяжение. В большинстве висячих покрытий в качестве основного несущего элемента применяют стальной канат — трос свитый из высокопрочной проволоки с временным сопротивлением разрыву 1200—1800 МПа и более. В случае использования канатов-тросов или арматурных стержней систему называют висячей с гибкими вантами. Если ванта выполнена из жестких стержней, например гнутых двутавров или ферм, то такую систему называют висячей с жесткими вантами или изгибно-жесткими элементами. Висячие покрытия могут быть также в виде металлической или железобетонной предварительно напряженной оболочки. Металлические оболочки из листовой стали и алюминия называются мембранными конструкциями. Идея применения гибкой нити для покрытий зданий впервые была предложена В. Г. Шуховым, которым в 1896 г. были запроектированы и построены четыре павильона на Всемирной выставке в Нижнем Новгороде рекордных по тому времени размеров — 30X70; 50Х 100 м и диаметром 68 м . Второе рождение висячие конструкции получили в 1953 г. после возведения в.США Рэлей-арены — седловидного сетчатого покрытия из тросов размером 92x97 м. С этого времени началось широкое применение висячих конструкций в зданиях и сооружениях различного назначения: спортивных и выставочных сооружениях, крытых рынках и универсальных залах, крупных гаражах, ангарах и эллингах, а также в универсальных зданиях промышленного назначения.

          Достоинства висячих конструкций: наиболее полное использование несущей способности высокопрочных сталей, совмещение в одной конструкции несущих и ограждающих функций, благодаря которому дополнительно снижается масса покрытия, сейсмостойкость. Конструкции с весьма малой   массой способны перекрывать пролеты 40—300 м, а в мостовых конструкциях до 1000 м и более. С увеличением пролета эффективность висячих конструкций увеличивается.

         Формообразующие способности висячих покрытий открывают возможности создания самых разнообразных архитектурно-конструктивных композиций зданий и сооружений, Благодаря малому весу висячие конструкции просты в транспортировке и монтаже, удобны и индустриальны в изготовлении. Висячие системы являются распорными. Для погашения распора применяют мощные опорные конструкции в виде изогнутых колонн и пилонов ( 214, а, б), рам и конструкций трибун ( 214, в, г), оттяжек ( 214, д, е), а также замкнутых опорных контуров ( 215, м, н, ф, х), которые воспринимают большие усилия и требуют значительного расхода материала. Все эти устройства усложняют и удорожают висячие конструкции и в значительной мере снижают эффект от их применения.

 

            К недостаткам висячих покрытий относят также их повышенную деформативность, являющуюся следствием пониженного модуля упругости высокопрочной стали £«(1,5—1,8)104 кН/см2 по сравнению с прокатной сталью, и кинематическую изменяемость системы от действия неравномерных нагрузок ( 213, б—е). Для уменьшения    кинематических    перемещений в висячих системах проектируют стабилизрующие устройства: при-груз весом более 1 кН/м2 ( 215, а, б); предварительное напряжение несущего троса (вогнутого) стабилизирующим      (выпуклым)    с     помощью       распорок элементов ( 215, в, и, п—с). При проектировании висячих покрытий обращают внимание на отвод воДы с покрытия и герметизацию кровли. В зависимости от конструктивных форм, вида основного несущего элемента, способа стабилизации покрытия и других признаков висячие покрытия можно разделить на шесть групп ( 215). В свою очередь каждую группу в зависимости от взаимного расположения элементов в системе можно подразделить на подгруппы, имеющие свои особенности при проектировании.

 

2.  ВИСЯЧИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ

       Висячие конструкции представляют собой один из наиболее экономичных видов покрытий, благодаря тому, что материал несущих конструкций работает исключительно на растяжение и несущая способность конструкций используется полностью. Основным несущим элементом для висячих покрытий могут служить металлические канаты, тросы или, как обычно их называют, ванты; металлические полосы и целые листы, металлический прокат, синтетические и другие материалы. Основной недостаток свободно провисающих несущих систем — неустойчивость их формы. Для предотвращения этого необходима стабилизация конструкций. Стабилизацию висячих покрытий выполняют по-разному: а) путем при-грузки до достижения общей массы покрытия 1 кН/м2 (100 кГ/м2), которую ветер не может вывернуть; б) путем ужесточения конструкции — приданием жесткости ее форме; в) посредством предварительного напряжения несущих тросов стабилизирующими тросами. В связи с этим и различают следующие виды висячих покрытий:

        а) пригруженные, у которых на свободно подвешенные ванты укладываются металлические или железобетонные балки, поверх которых кладут железобетонные плиты и элементы покрытия. Плиты могут быть уложены и непосредственно на ванты. Кроме того, любая висячая конструкция, вес которой превышает 1 кН/м2, может тоже считаться пригруженной. К такой, например, можно отнести первые висячие покрытия, построенные по проекту В. Г. Шухова и состоящие из тяжелых металлических лент, покрытых сверху железными листами.

         б) ужесточенными считают такие висячие системы, жесткость которых препятствует возникновению недопустимых кинематических и упругих деформаций, Сюда относятся в основном висячие предварительно напряженные оболочки , а также провисающие балки и фермы, очертание которых заранее согласовано с очертанием провисающей, свободно подвешенной нити. Висячие оболочки применяют круглой, овальной и прямоугольной форм в плане. Висячие предварительно напряженные оболочки обычно выполняют из железобетонных плит, которые навешивают на ванты с помощью крюков, выпущенных из торцов этих плит. Затем плиты пригружают временными нагрузками, швы между плитами заполняют бетоном и после его затвердения временные нагрузки снимают. При этом ванты, растянутые подпригрузкой, стремясь сжаться, создают в висячей оболочке предварительное напряжение. Предварительное напряжение висячих оболочек может быть выполнено и без пригрузки. Для этого после замоноличивания швов Ванты, заранее заложенные в специальные трубки, натягивают домкратами, а трубки после закрепления концов винт заполняют цементным раствором. Круглые в плане висячие оболочки, как и другие висячие покрытия круглого плана, имеют то преимущество, что распор от покрытия погашается в круглом опорном контуре, превращая конструкцию во внешне безраспорную. Это упрощает устройство опорных стоек или стен и фундаментов под ними. В то же время при чашеобразном покрытии водоотводные трубы подвешиваются в помещении под ним, что не украшает интерьер.

         В висячей оболочке на круглом плане можно достичь уклона к периметру при наличии центральной опоры, возвышающейся над наружным опорным кольцом. В висячих оболочках над зданиями прямоугольного плана не встречается затруднений с отводом воды, которая при небольших уклонах кровли свободно стекает к торцам здания. В таких оболочках другие сложности — в каждом отдельном случае приходится находить особое, наиболее удобное решение для восприятия и передачи в грунт распора, возникающего в оболочке. Особое положение в висячих покрытиях занимают легкие вантовые, предварительно напряженные конструкции, вес которых обычно значительно меньше 1 кН/м2 и устойчивость которых обеспечивается лишь за счет предварительного напряжения конструкции покрытия. Такие покрытия выполняются в двух вариантах: как однопоясные конструкции (или предварительно напряженные вантовые сетки) и как двухпоясные (или предварительно напряженные вантовые фермы).  Вантовые фермы можно возводить как на круглом, так и на прямоугольном плане: они представляют собой двухпоясные предварительно напряженные вантовые системы. При круглом варианте в центре покрытия находится барабан, состоящий из двух растянутых металлических колец, верхнего и нижнего, соединенных между собой стойками или металлической стенкой. К нижнему кольцу крепятся несущие ванты, к верхнему — стабилизирующие, предварительно напряженные; между вантами устанавливаются распорки, а сами ванты с наружной стороны покрытия закрепляются в контурное сжатое кольцо, выполняемое обычно из железобетона. Такое вантовое покрытие получило название велосипедное колесом.

 

В дальнейшем этот вид покрытия получил некоторое усовершенствование. Это позволило уменьшить высоту покрытия почти в два раза по сравнению с системами с непересекающимися вантами, без уменьшения стрел провисания несущих и стабилизирующих вант.

        Струнные конструкции состоят из вант, сильно натянутых на массивные торцевые опоры и покрытых легкими металлическими листами кровли. Для уменьшения прогиба струны на всем протяжении между торцевыми опорами подперты рамами, установленными с шагом до 12 м. При такой конструкции прогибы покрытия не превышают 1/50…1/100 шага промежуточных опор. Такая конструкция используется для покрытия складов и длинных вокзальных перронов. Мембранные покрытия, состоящие из свободно провисающих или предварительно натянутых металлических листов, имеют то преимущество перед вантовыми конструкциями, что мембраны являются одновременно и несущей, и ограждающей конструкцией. В то же время к недостаткам мембранных покрытий следует отнести больший расход металла, чем в вантовых конструкциях.

        В Советском Союзе мембранные покрытия применены на нескольких олимпийских объектах в Москве. Так, ими покрыт главный крытый Олимпийский стадион на проспекте Мира. Здесь мембранное покрытие использовано совместно с провисающими фермами, расположенными радиально над овальным контуром стадиона. Они предназначены для монтажа мембран  и придания   жесткости покрытию.

       Помимо металла висячие конструкции могут быть выполнены и из дерева, что особенно важно для районов, богатых лесом . Покрытие состоит из провисающих деревянных ребер, один конец которых шарнирно прикреплен к деревянной арке, расположенной над серединой зала, а другой конец опирается на криволинейный опорный контур, тоже из дерева. На ребра уложены доски, которые вместе с утеплителем и гидроизоляционным ковром образуют кровлю над спортзалом. Важным элементом висячих покрытий является опорный контур. Обычно опорный контур имеет прямоугольное сечение и изготовляется из железобетона, как монолитного, так и сборного. При круглом и овальном планах контура его ширину принимают от 1/40 до 1/60 пролета, а высоту — от 1/2 до 1/4 ширины. Ширина прямолинейного опорного контура принимается от 1/8 до 1/15 расстояния между опорами, а высота — от 1/1,5 до 1/3 ширины. Указанные величины могут быть приняты как предварительные и уточнены расчетами. Опорный контур служит для крепления висячего покрытия, передающего на него растягивающие усилия. Провисающие фермы обычно крепятся к нему на шарнирах. Мембраны могут привариваться к стержням, которые затем крепятся к контуру подобно вантам. Крепление вант может быть выполнено намертво, т. е. без регулирования натяжения, или с возможностью такого регулирования.

 

При устройстве натяжных устройств, позволяющих подтягивать ванты, придавая им требуемое напряжение, применяют несколько способов: закрепление  вант в шарнирах и натяжение с  помощью муфт; пропуск вант через  опорный контур и упор в него снаружи  с помощью натяжных гаек и т. п. Крепление покрытия к вантам выполняется несколькими способами в зависимости от вида покрытия. Если покрытие светопрозрачное и состоит из синтетических листов, армированных проволокой, то крепление их выполняется обычными проволочными скрутками. При этом, чтобы предотвратить протекание через проделанные для скруток отверстия, сверху наклеивается еще один слой неармированного синтетического листа.

          Если в покрытии применен стальной или алюминиевый лист гофрированный, с утеплителем или без него, крепление выполняется с помощью стержней, приваренных к листу. При закругленных гофрах крепление может быть осуществлено крюками, пропущенными через верхнюю волну гофры, над которой устанавливается гайка с резиновой шайбой, закрывающей отверстие. Покрытие из трехслойных утепленных панелей крепится на прокладке из гетинакса, закрепляемой на пластинках, одновременно скрепляющих и пересечение вант. При этом верхние пластины панелей могут свариваться. Покрытие типа висячей оболочки монтируют на крюках, на которых сборные железобетонные плиты подвешивают к несущим тросам. В швах между панелями, в которых несущих тросов нет, панели соединяют с помощью выпущенной из бетона арматуры, которую сваривают. Панели временно пригружаются, и швы между ними замоноличиваются. После затвердения бетона в швах временная нагрузка снимается и тросы, растянутые под временной нагрузкой, стремясь сжаться, обжимают железобетонное висячее   покрытие, превращая его в предварительную напряженную висячую оболочку.

           Важным конструктивным моментом у всех висячих покрытий является восприятие распора. В конструкциях с круглым или овальным в плане контуром распор полностью в нем погашается; контур в основном работает на сжатие и лишь при отдельных неравномерных положениях нагрузки воспринимает также и некоторые изгибающие моменты. Такая конструкция висячего покрытия внешне без распорная, т. е. вертикальные опоры воспринимают вертикальные усилия. Иначе обстоит дело с прямолинейным контуром. Опоры здесь воспринимают от покрытия как вертикальные нагрузки, так и распор, передавая равнодействующую от этих усилий на фундамент. В этих случаях часто опорам придают наклонную форму, с тем чтобы равнодействующая проходила возможно ближе к оси опоры при разных положениях нагрузки на покрытии . Большие значения распора при горизонтальной подошве фундамента могут вызвать сдвижку фундамента вдоль плоскости подошвы; чтобы этого не произошло, иногда приходится давать соответствующий уклон подошве фундамента. В тех случаях, когда проект сооружения позволяет соединить противолежащие фундаменты железобетонными ребрами или распорками, горизонтальные усилия в фундаментах могут быть ими погашены. Стабилизация мачтовых покрытий, представляющих обычно металлический каркас с легким заполнением, выполняется с помощью оттяжек, заанкеренных в грунт. Стабилизация башенных подвешенных покрытий обычно обеспечивается массой самого покрытия, подвешенного к достаточно массивной башне. Жесткое железобетонное мостовое покрытие поддерживается подвесками, закрепленными к вантам по аналогии с несущими вантами висячих мостов. Такая конструкция требует устройства мощных опорных устоев, сильно удорожающих конструкцию в целом, и очень веского технологического обоснования.

3. ВИСЯЧИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ:ДОСТОИНСТВА И ПРОБЛЕМЫ

          Мост через Западный Буг. Фотография 1911 г.Преобладающее большинство металлических сооружений и конструкций выполняется из стали, которая в современном строительстве остается одним из основных видов строительных материалов. Благодаря высокой прочности стальные конструкции оказываются более легкими и технологичными при возведении сооружений любых размеров. В промышленном и гражданском строительстве в применении металлических конструкций наблюдается тенденция роста, несмотря на широкое использование железобетона (их доля от общего числа сооружений — примерно 15–25%). В транспортном строительстве Беларуси металлические мосты дорожного и коммунального секторов составляют до 9% парка мостовых сооружений. Тем не менее основной и более дешевый строительный материал – железобетон – не мешает использованию стали, без которой он и сам не может существовать как композитный материал. Стремление перекрывать большие пространства выражено наиболее ярко в мостостроении. Особое положение в нем занимают так называемые висячие сооружения – самые эффективные при перекрытии акваторий огромных размеров. В современной мировой практике максимальная длина пролета приближается к двухкилометровому рубежу и составляет 1991 м. В условиях рельефа Беларуси нам доступны менее обширные пространства, в которых целосообразнее использование металлических мостовых сооружений с Мост через р. Мухавецпролетами в 100–200 м. В нашей республике построено небольшое количество висячих сооружений, но с точки зрения их экономичности, эстетической значимости и влияния на окружающую среду они представляют определенный интерес. Первый висячий мост длиной 89 м на территории нашей республики построен в 1836 г., соединив берега Западного Буга у крепости Брест-Литовск. В то время строительство подобных конструкций было уже достаточно развито в Европе, затем и Россия заняла передовые позиции в этой области. Строительство легких висячих мостов связано с прогрессом в тяжелой промышленности, где вместо чугуна освоивалось массовое производство железа. Несмотря на явные успехи в своем развитии‚ висячие мосты не имели достаточной жесткости и подвергались опасным колебаниям. Неоднократные аварии предопределили дальнейшее их совершенствование. С одной стороны‚ это коснулось расчетов висячих конструкций, с другой – у мостостроителей возрастал интерес к новому материалу – железобетону, у которого были и свои противники. Однако с 1907 г. по рекомендации Главного военно-инженерного управления в качестве основного материала для строительства мостов принимается железобетон, в то время еще недостаточно изученный, но очень долговечный материал. Одной из главных причин являлся тот факт, что железобетонные конструкции обладали большим сопротивлением при воздействии взрывной волны, тогда как металлические разрушались почти мгновенно. Сегодня нельзя сказать, что эти два вида материалов являются конкурирующими. Напротив, каждый из них занимает свое определенное место в строительной отрасли. Мост в парковой зоне НоволукомляЧерез 140 лет‚ в 1976 г.‚ вновь у Брестской крепости‚ но уже над Мухавцом появляется висячий пешеходный мост. Он построен на месте старого деревянного моста, который имел несколько промежуточных опор в русле реки. Новая конструкция висячего пролетного строения позволила перекрыть без промежуточных опор русло реки шириной 79 м. Увеличился и подмостовой габарит сооружения, что имело значение в то время для судоходства. В конструкции пролетного строения используются две главные металлические двутавровые балки высотой всего лишь в 50 см, соединенные поперечными балками меньшего сечения и диагональными связями. На балку жесткости уложен легкий деревянный настил. Особенностью этого висячего моста является закрепление несущих канатов к главным балкам в середине пролета. Это позволило увеличить жесткость висячей системы и снизить ее вертикальные колебания. Балка жесткости подвешена к несущим канатам, изготовленным из тонкой стальной проволоки диаметром около 2 мм, а диаметр каждого каната составляет 68 мм. Длина висячей конструкции, с учетом пролетов оттяжек несущего каната — 128 м при высоте пилонов около 15 м. Полная длина моста, которая включает металлическую висячую систему, железобетонную эстакаду с лестничными сходами и подземные железобетонные анкерные опоры, — более 141 м. Пилоны моста выполнены из железобетона, а их форма является продолжением архитектурной идеи мемориального комплекса “Брестская крепость- герой”.