Подвесные конструкции в строительстве

Вантовые системы: устройство, достоинства, особенности и недостатки

Сколько разновидностей мостов в мире? Десятки! Арочные, консольные, разводные, ледовые, понтонные, отодвигаемые, затопляемые, подъемные, поворотные, висячие, балочные, столоподобные и многие другие. Но в этой статье мы поговорим с вами об эстетически выверенной и надежной вариации — с висячими вантовыми конструкциями покрытий, а также и о самих таких системах.

Вантовые и висячие системы

Висячие конструкции — это стальные сооружения, несущие составляющие которых направлены на растяжение. Они здесь следующие:

• стальные проволочные канаты;
• полосовая либо круглая сталь;
• мембраны (особые стальные листы);
• прокатного вида профили (для представления — жесткие металлические нити), способные не только на растяжение, но и на изгиб.

Вантовые конструкции, в отличие от предыдущих, в покрытии имеют не только растянутые нити, но и жесткие элементы. Последние работают как раз-таки на изгиб, на них возможно наложить ограждения, в т. ч. включающие в себя кровлю и настил.

И висячие, и вантовые системы способны перекрыть собой пролет расстоянием до 200 м. Однако средняя длина их на практике колеблется в пределах 50-150 м.

Достоинства конструкций

Перечислим достоинства висячих и вантовых конструкций:

• Создание благоприятной основы для видимости, акустики, освещения.
• Можно применять разнообразные конструктивные формы вантовых висячих конструкций, что ведет к многообразию вариаций архитектурных исполнений.
• Мосты данного вида способны перекрывать внушительной длины пролеты.
• При строительстве объекта нельзя не отметить хорошую транспортабельность применяющихся конструкций — гибкие ленты и канаты возможно свернуть в рулоны или бухты.
• Процесс возведения моста упрощается тем, что не нужно устанавливать помосты, строительные леса.
• При восприятии нагрузки в растянутой конструкции несущих работает целиком вся площадь сечения. При использовании в их производстве высокопрочной стали за счет этого качества можно существенно уменьшить расход данного металла.

Недостатки конструкций

Коснемся недостатков висячих и вантовых покрытий:

• Наблюдается повышенная степень деформации конструкции — особенно это характерно для висячих разновидностей, т. к. там для стабилизации нитей необходимо установить предварительное напряжение.
• Для восприятия распора растянутых несущих составляющих требуется устройство ряда опорных контуров.
• В некоторых случаях налицо трудности устройства системы водоотвода.

Особенности вантовых систем

Состав вантовых подвесных конструкций — это несущие прямолинейные растянутые канаты или тросы, а также жесткие составляющие — стойки, балки и проч. С учетом того, что ванты прямолинейны, они могут состоять из полосных профилей либо стержней. Важно отметить что угол наклона вант не должен доходить до 25-30 градусов.

Самая простая схема вантовых систем — это вантово-балочная. Для нее характерно, что ванты в одном или нескольких местах поддерживают балку жесткости. При этом сами они либо расходятся лучами из вершин пилонов, либо напоминают собой очертания арфы, когда идут параллельно друг другу.

Разновидности висячих систем

После вантовых систем посмотрим на разновидности висячих:

• Однопоясные. Выполняются над помещениями как круглой, так и прямоугольной формы. Восприятие распора металлических нитей обеспечивается пилонами, оттяжками, пристройками к зданию и проч. Характерно использование гибких нитей или арок в качестве промежуточных опор. Покрытие стабилизируется кровельными железобетонными панелями, замоноличиванием швов.
• Двухпоясные. Кроме несущих канатов, также имеют стабилизирующие, которые соединяются с несущими растяжками или распорками. Менее всего недостатки висячих систем обнаруживаются при использовании выпукло-вогнутой комбинированной схемы покрытия.
• Тросовые сетки (разновидность двухпоясных). Их непререкаемые плюсы — многообразие формообразования и архитектурные достоинства, достигаемые при квалифицированном проектировании.
• Мембранные покрытия. Это состоящие из листов или полос сплошные однослойные покрытия, которые раскроены и соединены таким образом, что образуют заранее запланированную поверхность двоякой или одинарной кривизны. Их выделяет на фоне других висячих конструкций выполнение ограждающей и несущей задачи. Но существенные недостатки мембранного покрытия — это малая огнестойкость в связи с большими поверхностями открытого металла, незащищенность от коррозии, вследствие чего минимальная толщина листа стали должна быть в пределах 4-5 мм при допустимых 1-2 мм. Мембраны могут быть цилиндрической, круговой, шатровой формы.

Перейдем конкретно к висячим и вантовым мостам.

Вантовый мост

Эта разновидность характеризуется особым видом несущих систем — вантовыми фермами, которых образуют растянутые гибкие стержни (ванты). Иногда встречаются комбинированные вариации, в которых нижние части данных ферм заменяются балками жесткости. Работа последних направлена на изгиб, а функция — поддерживать платформу проезжей части. Ванты здесь — высокопрочная проволока, сформированная в пучки, либо стальные канаты.

И вантовые фермы, и комбинированные системы в этой структуре поддерживаются пилонами. С мест подвешивания вант на пилоне горизонтальная составляющая их опорного давления передается на анкеры системой оттяжек. Если присутствует балка жесткости, то концы оттяжек закрепляются на ней, отчего система превращается во внешне безраспорную. Конструкция проезжей части прикрепляется уже к узлам вантовых ферм.

Первый вантовый мост в Советском Союзе построили в 1932 г. — через реку Магану (современная Грузия). Однако первый мост современной вантовой системы появился только в 1956 г. — это шведский Стомсунд. Пионерское вантовое ж/д сооружение было построено в 1979 г. в Белграде.

Первый вантовый мост на территории современной России — это Октябрьский через реку Шексну (Череповец). Его строительство закончилось в 1979 году. В РФ также находится и вантовое сооружение-рекордсмен. Это Русский мост во Владивостоке, перекрывающий пролив Босфор Восточный. Он выделяется самым длинным пролетом — 1104 м (общая длина при этом — 1886 м), который поддерживают два пилона.

Достоинства и недостатки вантового моста

Рассмотрим плюсы и минусы таких мостов. Для лучшего восприятия мы решили представить вам их в виде таблицы, расположенной ниже.

Достоинства	Недостатки
Легкие несущие конструкции	Пониженная жесткость — используются только в качестве городских или автомобильных мостов
Перекрывающая способность достаточно велика	В редких случаях можно использовать в роли ж/д моста — только при определенной конструкции балки жесткости
Расход материала минимален, к тому же не требуется закупка дорогостоящих конструкций
Возможно произвести навесной монтаж
Архитектурная эстетичность
В отличие от висячих более неподвижны

В заключение рассмотрим и висячие мосты.

Висячий мост

Висячий (иначе — подвесной) мост — сооружение, чья несущая основная конструкция — это гибкие элементы (канаты, цепи, кабели и др.), работающие на растяжении, а проезжая часть находится в подвешенном состоянии. Такие мосты — настоящая находка в случаях, когда требуется большое покрытие, а промежуточные опоры установить опасно или вовсе невозможно (например, на судоходной реке).

Несущие конструкции подвешиваются между построенными на обоих берегах пилонами. К этим тросам уже прикрепляются вертикальные балки, к которым непосредственно подвешивается дорожная часть основного пролета. Сосредоточенная нагрузка позволяет менять несущей конструкции свою форму, что уменьшает жесткость моста. Дабы этого не случалось, дорожное полотно усиливается продольными балками.

Первые висячие мосты строили еще древние египтяне, инки, другие народности Центральной и Южной Америки, Юго-Восточной Азии. Конструкции современного вида начали появляется в XVII-XVIII вв. в Испании, Франции, Великобритании, а позднее в США. В России первый висячий мост был построен в 1823 г. в парке Екатерингоф в Петербурге. Одним из самых известных на сегодня отечественных подвесных мостов можно назвать Крымский в Москве, построенный в 1938 г.

Достоинства и недостатки висячих мостов

Рассмотрим плюсы и минусы данных подвесных сооружений, которые представлены в таблице ниже.

Достоинства	Недостатки
Для строительства длинного основного пролета требуется сравнительно небольшой расход материала	Недостаточная жесткость — мост опасно эксплуатировать, например, при шторме
Небольшой собственный вес сооружения	Для надежности опор-пилонов требуется капитальный фундамент
Мосты данной конструкции можно построить высоко над водной гладью, что очень кстати для судоходных водоемов	При сильно неравномерной нагрузке полотно висячего моста имеет свойство прогибаться, что мешает его использованию в качестве ж/д
Нет необходимости в установке промежуточных опор
Под сильным действием стихии или сейсмическими нагрузками данные мосты могут изгибаться, не нанося никакого вреда конструкции в целом

Вот и все, что нам хотелось рассказать вам о вантах, вантовых конструкциях, мостах. Подвесные и вантовые покрытия — легкие в постройке, способные покрывать большие пролеты, гармонично смотрящиеся, предоставляющие простор для конструкторских решений. Однако у них также есть и свои недостатки, возводящие ограничения, например, для постройки определенного типа мостов.

Источник

Здания с висячими системами конструкций.

Идея использования в строительстве гибких материалов в виде тросов возникала давно. Но лишь в начале XX в. она получила реальное воплощение в строительстве мостов висячей конструкции.

В покрытии зданий применять тросы стали недавно. Название «висячее покрытие» не совсем точно отражает характер работы таких покрытий, так как главным в таких конструкциях является не провисание, а натяжение перекрещивающихся тросов, образование из них изогнутых поверхностей и создание конструкции, обладающей пространственной жесткостью.

Особенностью висячих конструкций является то, что металлические тросы в ней работают только на растяжение, наиболее благоприятный вид нагрузки для металла. Поэтому висячими конструкциями можно перекрыть громадные площади длиной более 200 м при наименьшем расходе металла. При увеличении пролета экономичность висячих конструкций возрастает. Распор от висячих конструкций передается либо на опорный контур, либо в грунт через стойки и оттяжки, заанкеренные в землю или в массивные части здания. Круглый или овальный в плане опорный контур наиболее экономичен, так как, работая на сжатие, он гасит распор и передает на опоры только вертикальные нагрузки.

Висячие конструкции можно разделить на пять групп:

· односторонне изогнутые покрытия;

· тросовые сетки двоякой кривизны;

· комбинированные конструкции из стержней и тросов;

Односторонне изогнутые висячие конструкции (рис. 13) представляют собой ряд параллельно подвешенных тросов. Для обеспечения совместной работы тросов по ним укладывают поперечные балки, концы закрепляют в боковых стенах для предупреждения от поперечного раскачивания. По балками укладывают плиты покрытия. Такие покрытия могут быть из монолитного железобетона, и тогда их называют висячими оболочками. Висячие оболочки устраива ют и на тросах, подвешенных радиально к круглому опорному контуру.

Рис. 13. Односторонне изогнутые висячие

а—на вертикальных стойках с оттяжками; 6 — на жестких наклонных стенках

Тросовые сетки двоякой кривизны(рис. 14) состоят из двух систем тросов: несущих, воспринимающих всю вертикальную нагрузку и всегда изогнутых книзу, и стабилизирующих, которые оттягивают несущие тросы книзу, стабилизируя их положение, воспринимают ветровые усилия и передают их на опорный контур или на стойки с оттяжками. Первым покрытием такого рода бы­ло покрытие арены в Ралей (рис. 14,б). Арена в Ралей была построена по проекту архит. Новицкого в 1948 г. и стала своего рода символом сетчатых кровельных покрытий. Несущие тросы висят между двумя наклонными арками, стабилизирующие тросы натянуты впоперечном направлении, придавая седлообразную форму покрытию. Сжатые наклонные арки, подвесные и натяжные тросы уравновешивают друг друга, образуя систему, которая не нуждается в опирании арок на наружные стойки или стены. Покрытия этого типа наиболее легкие.

Рис. 14. Тросовые сетки двоякой кривиз­ны:

а — на двух арках по торцам здания; б — на двух наклонных параболических арках; / — несу­щие тросы; 2 — стабилизирующие тросы; 3 — опор­ные арки; 4 — легкое стеновое ограждение

Рис. 15. Двухпоясные покрытия:

а — несущие тросы расположены над стабилизи­рующими; б — то же. пересекаются со стабили­зирующими; в — то же, находятся под стабилизи­рующими; г — план тросов; д—покрытие мемб­ранного типа в здании СКК в Ленинграде; / — несущие тросы; 2 — подвески; 3 — кольцевой опор­ный контур; 4 — стойки-опоры; 5 — стабилизиру­ющие тросы; 6 — центральное растянутое кольцо; 7 — кровля; 8 — распорки; 9 — несущие стальные листы (мембрана); 10— пригружающая площад­ка, используемая под технические нужды; 11 — стабилизирующие тросовые фермы

Двухпоясными покрытиями (рис. 15) называют висячие конструкции, в которых несущие и стабилизирующие тросы расположены в разных криволинейных поверхностях. При этом поверхность несущих тросов выгнута книзу, а стабилизирующих — кверху. Двухпоясные конструкции обычно применяют для перекрытия круглых или овальных в плане помещений с радиальным расположением тросов. По внешней стороне тросы заделывают в опорный контур в виде кольца. Это кольцо сжимается усилиями от тросов и гасит весь распор от них. Само оно покоится на вертикальных стойках, передавая им лишь вертикальную нагрузку от массы конструкции. В центре тросы заделывают в цилиндрический барабан, испытывающий растягивающие усилия и висящий на несущих тросах. Несущие и стабилизирующие тросы располагают попарно в одной вертикальной плоскости и соединяют растяжками, если несущий трос находится над стабилизирующим, или распорками, если несущий трос находится под стабилизирующими. Примером может служить схема покрытия спортзала «Юбилейный» в Ленинграде (1967 г., инж. Морозов А. П., Елисеев Ю. А., Курбатов О. А., ЛенЗНИИЭП)(15в). В 1980 г. в Ленинграде окончено строительство еще одного здания, являющегося следующим шагом коллектива ЛенЗНИИЭПа в совершенствовании висячих конструкций. Круглое _в плане помещение театрально-спортивного комплекса им. В. И. Ленина., диаметром 160 м перекрыто мем­бранным покрытием(15д). Несущей основой этого покрытия являются не тросы, а металлические листы, закрепленные в опорном кольце.

Составные или комбинированные висячие покрытия создаются из различных сочетаний элементов висячих конструкций с введением и сжатых элементов, выполняемых в виде арок, вертикальных или наклонных опор и т. д. Примером такой конструкции может служить олимпийский велотрек в Москве.

Тентовые покрытия, или палатки, известны давно, но лишь недавно их стали применять при строительстве крупных зданий. Тентовые покрытия состоят из равномерно натянутой ткани (рис. 16). Поверхность полотнища в натянутом состоянии должна иметь двоякую кривизну, подчиняясь тем же законам, что и тросовые сетки. Coбственно ткань можно рассматривав как сетку с очень маленькими ячеками. Натянутая ткань должна поддерживаться жесткими мачтами арками или ребрами. Ткань тентовых покрытий является одновременно и несущей и ограждающей конструкцией. В этих сооружениях форма полностью совпадает с конструкцией. Нетектоничные формы у палаток невозможны, так как такие палатки будут колеблющимися и неустойчивыми.

Источник