Висячие покрытия. Однопоясные системы с гибкими и жесткими вантами. Составляющие элементы однопоясных систем. Основы конструирования и расчета однопоясных систем

Висячими называются покрытия, в которых главная несущая пролетная конструкция работает на растяжение. Она может быть образована из стальных стержней, канатов, прокатных профилей. Возникающие в ее элементах растягивающие усилия условно называют тяжением нитей, а их горизонтальную составляющую – распором.

Висячие покрытия в последнее время 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, к которым следует отнести:

1) Работу 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, для которых висячие покрытия являются наиболее перспективными областями применения.

С увеличением пролета преимущество висячей конструктивной формы покрытия повышаются, что подтверждается практикой мостостроения; уже существуют мосты пролетом 1000 м и более.

2) Большое разнообразие архитектурных форм висячих покрытий позволяет применять их для зданий самого различного назначения – от покрытий небольших коровников и теплиц до покрытия крупных общественных зданий.

3) Транспортабельность элементов висячих покрытий (канатов в бухтах, металлических оболочек в рулонах) и почти полное отсутствие вспомогательных подмостей при монтаже делают их достаточно индустриальными.

4) малый собственный вес несущей конструкции и ее повышенная деформативность делают ее сейсмостойкой, поскольку резко уменьшается сейсмический импульс на конструкцию.

Висячие конструкции имеют и недостатки, от удачного преодоления часто зависит эффективность применения системы в целом.

1) Висячие системы – системы распорные; для восприятия распора необходима специальная опорная конструкция, стоимость которой составляет значительную часть стоимости всего покрытия. Желание уменьшить стоимость опорной конструкции повышением эффективности ее работы приводит к преимущественному использованию покрытий круглой, овальной и других прямоугольных форм плана, которые плохо согласуются с современной планировкой производственных зданий; в этом одна из причин недостаточно широкого применения висячих покрытий для производственных зданий.

2) Повышенная деформативность. Она обуславливается, во-первых, повышенными упругими деформациями применяемых высокопрочных материалов и особенно канатов, в которых нормальные напряжения больше, а модуль упругости меньше, чем в обычной конструкционной стали. Таким образом, относительное удлинение элементов конструкции оказывается значительно большим, чем в традиционных конструкциях. Во-вторых, 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, 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 расчет.

Для уменьшения деформативности покрытия применяют специальные мероприятия, стабилизирующие его.

3) Трудность водоотвода с покрытия.

Конструктивная форма висячих покрытий весьма разнообразна. По характерным особенностям работы несущей конструкции большинство из них можно разделить на несколько групп:

1. однопоясные висячие покрытия и металлические оболочки – мембраны;

2. покрытия двухпоясными системами;

3. покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами;

4. покрытия тросовыми фермами;

5. покрытия седловидными сетками;

6. комбинированные висячие системы.

Каждая из этих групп имеет свои положительные и отрицательные особенности. Действующие на висячие покрытия нагрузки подразделяются на постоянные и временные – длительно действующие и кратковременные. К постоянным нагрузкам относится вес несущих и ограждающих конструкций покрытия. К временным длительно действующим нагрузкам относят вес подвесного потолка, вентиляционного и осветительного оборудования, которое часто подвешивается к несущей конструкции покрытия.

Главными кратковременными нагрузками являются ветровая и снеговая.

Расчетное значение ветровой нагрузки принимается в виде произведение коэффициента надежности по нагрузке, скоростного напора q_o, коэффициента K, учитывающего изменения скоростного напора по высоте и аэродинамического коэффициента С. В действующем СНиП нет указаний по определению аэродинамических коэффициентов для большинства форм висячих покрытий. В процессе реального проектирования их обычно определяют экспериментально продувкой модели в аэродинамической трубе. Значение этих коэффициентов зависит от многих параметров здания, что затрудняет их обобщенную рекомендацию. Данные продувок показывают, что ветер на подавляющей части поверхности большинства покрытий оказывает отрицательное давление – отсос.

В легких покрытиях, особенно при недостаточном закреплении его краев, неравномерное давление ветра вызывает большие деформации покрытия и даже явление аэродинамической неустойчивости покрытия, то есть его вибрацию или полное вывертывание покрытия. В этих случаях необходима специальная стабилизирующая конструкция, предохраняющая покрытие от этого явления.

Для покрытий, 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 обычно просматривается в нескольких вариантах: в виде равномерно распределенной по покрытию и несколько вариантов неравномерного распределения, учитывающего возможный передув снега ветром, частичную очистку покрытия от снега и др.

Расчет несущих конструкций висячих покрытий проводится для определения прочности сооружения и для определения его деформативности. Нерастяжимая нить может иметь только кинематические перемещения и изменяет форму очертания в зависимости от вида и расположения нагрузки. Упругие деформации (удлинение и провис), могут быть только в упругой нити. При упругой деформации увеличивается стрелка провиса нити, а вместе с тем уменьшается усилие в ней, непосредственно зависящее от величины стрелки. Таким образом, при увеличении нагрузки (и стрелки) усилие нити возрастает нелинейно. Следовательно расчет нити не отвечает правилам линейной строительной механики. Расчет нити без учета упругих деформаций дает завышенные значения усилий в нити, что идет в запас прочности. Влияние упругих деформаций на усилие нити зависит от отношения , - стрелка провиса нити, - ее приращение от действия нагрузки. Оно существенно только при малых стрелках и при составляет около 10 %.

Влияние упругих деформаций на точность определения перемещений нити (прогибов) большое и должно учитываться уже при отношении < . Пологая гибкая нить является основой большинства висячих систем. Нелинейность работы висячих систем, особенно при неравновесных нагрузках (вызывающих кинематические перемещения) часто вынуждает делать расчет три раза: первоначально приближенно 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, последний, контрольный расчет на ЭВМ для окончательной проверки несущей способности всех элементов и деформативности системы.