Войти  |  Регистрация
Авторизация

Большепролетные покрытия легких конструкций



Современные большепролетные покрытия, строго говоря, не являются легкими конструкциями, так как в действительности они обладают большой массой. Однако они значительно менее материалоемкие, чем традиционные, и это позволяет рассматривать их как легкие. В настоящей главе будут рассмотрены стальные, алюминиевые, деревянные и пластмассовые конструкции, в особенности когда вся структура здания легкого типа.
Конструкции покрытий можно классифицировать по их форме или материалу оболочки, однако чаще всего за основу берется характер несущей конструкции.
Несущей конструкцией большепролетного покрытия может быть:
- структура (стержневая пространственная ферма);
- напряженная оболочка;
- подвесная система;
- надувная (пневматическая) конструкция.
В следующих разделах конструкции рассматриваются в смешанной классификации по системам и форме.
Структуры. В современной практике встречаются структуры не только сварные, но и собираемые с механическим соединением стержней в узлах. Структуры из предварительно изготовленных сварных элементов также иногда собираются с такими соединениями.
Существенными достоинствами таких структур являются:
- большой пролет между опорами; возможность изготовления элементов структуры в заводских условиях индустриальными методами и быстрой сборки конструкции на стройплощадке из крупноразмерных сборных элементов;
- возможность размещения трубопроводов и т.п. между двумя поясами структуры.
Структуры всегда обладают значительными запасами несущей способности, так как некоторые стержни вообще едва загружены, хотя это и приводит к неэкономному использованию материала. Несмотря на этот недостаток, применение собираемых на площадке структур часто является наилучшим решением проблемы перекрытия пролета (рис. 170-183).
Большепролетные покрытия легких конструкций
Большепролетные покрытия легких конструкций

Геометрия структур имеет множество альтернативных форм. Целесообразно ограничить разнообразие размеров стержней и применять в качестве сжатых более короткие стержни, чем растянутые.
Разработано несколько различных типов соединений с широкими областями применения каждого из них.
Одна из систем характеризуется присоединением стержней к узловому элементу посредством винтовых соединений, оси которых совпадают с осями самих стержней. Поскольку концы стержней имеют нарезку, то образуются, по существу, безмоментные соединения. Один из наиболее широко распространенных примеров применения этого приема — система ''Mepo", созданная Менгерингхаузеном (ФРГ); французский аналог известен под названием системы "Тектовис". С применением подобной системы "Ваймар" (ГДР) сооружен Дворец зимнего спорта в Галле.
Другой тип соединения — замковое, имеющее ось, перпендикулярную плоскости элемента структуры, как в системе "Цейсс-Дивидаг", созданной в период между двумя мировыми войнами, в канадской системе "Триодетик" ("Фентиман"), а также в системе "ИФИ Кнотен-фербиндунг" в ГДР, разработанной в настоящее время Институтом промышленного строительства. Структурные покрытия проектируются для сетки пролетов 12x12, 12x18 или 12x24 м. К цилиндрическому узловому элементу могут быть присоединены до восьми трубчатых стержней, иногда различных диам, концы стержней сплющиваются. Трубчатые стержни, сплющенные в местах стыков, применяются в структурах французской системы "Сартон", австралийской "Геро-Динг" и советской системы ЦНИИСКа.
Большепролетные покрытия легких конструкций

Соединения в узловых точках могут быть выполнены с применением штампованных пластин, как, например, в американской системе "Юнистрат", в которой стальные U-образного профиля стержни присоединяются к узловому элементу в виде штампованной пластины болтами, работающими на срез в одной плоскости. Похожее решение имеет венгерская система предприятия "Феммункаш", в которой применяются стержни из алюминиевого сплава. К этой же группе принадлежит другая венгерская система "Купсер", но в ней применяются сдвоенные пластины и болты работают на срез по двум плоскостям.
Большепролетные покрытия легких конструкций
Большепролетные покрытия легких конструкций

К системам из сборных сварных элементов наряду с другими принадлежит английская система "Спейс-Дек". Элементы в виде полувосьмигранника поставляют пакетами. Стержни нижнего растянутого пояса вворачиваются соосно в узловые элементы. Французские системы "Пирамитек", "Тридиматек" и "Тюбакор" и американские системы "Спейс-Грид" и "Мок-ал" отличаются своей геометрией. Система "Пирамитек" применяется в Польше.
Компанией "Маннесман АГ" разработана сварная структура "Октаплатте", в которой применены пустотные элементы узлов, состоящие из выпуклых половинок и заложенной между ними пластины.
Большепролетные покрытия легких конструкций

Купола и оболочки. Снижение массы большепролетного покрытия может быть достигнуто при применении куполов или оболочек (рис. 184).
В Лондоне в 1951 г. был сооружен алюминиевый купол диаметром 110 м. Он покоится на расположенном на высоте 13 м над уровнем земли стальном спорном кольце, которое в свою очередь поддерживается 48 сигарообразными стойками. На сооружение ребристой конструкции купола, обшивки и козырька было израсходовано 232 т алюминия.
В Питтебурге (США) сооружен купол диаметром 127 м. Другим примером покрытие выставочного павильона диаметром 93,5 м в Брно (Чехия), имеющее несущую конструкцию из сварных стержней.
Первыми крупноразмерными пластмассовыми куполами были круглые в плане покрытия с поверхностью гиперболического параболоида, как, например, торговый павильон в парижском пригороде Сент-Уэн. Железобетонное кольцо несет 20 армированных стекловолокном элементов оболочки толщиной 7 мм с массой 10 кг/м2 поверхности оболочки или 15 кг/м2 поверхности пола.
Большепролетные покрытия легких конструкций

Большепролетные покрытия легких конструкций

В Аржантейе под Парижем торговый павильон диаметром 30 м перекрыт 30 элементами оболочки, но в этом сооружении они передают нагрузку на трубчатые ребра, тогда как в предыдущем примере сама пластмассовая оболочка является несущей.
На территории Ганноверской промышленной ярмарки (ФРГ) фирмы "Хоеш" и "Бейер" в 1970 г. построили совместный выставочный павильон с уплощенным куполом диаметром 45 м и массой 13 кг/м2. Для сравнения купол собора Св. Петра в Риме (XVI в.) диаметром 40 м имеет массу 2600 кг/м2, а построенный в 1925 г. Йене (ГДР) железо-бетонный купол диаметром 40 м обладает массой 150 кг/м2. Изготовленные компанией "Хоеш" элементы "Изованд" состоят из стальных листов толщиной 1 мм с пенополиуретаном между ними толщиной 150 мм. Опорные части элементов выполнены из стальных листов толщиной 2 мм. Купол состоит из 40 сегментов по три элемента в каждом. Короткие стороны элементов прямые, поэтому зазоры между ними составляют 20—85 мм. Листы соединены заклепками диаметром 4,8 мм. Купол покоится на круглом опорном кольце, которое в свою очередь опирается на четыре V - образные опоры. Пенопласт имеет плотность 90 г/м3 (рис. 185).
Большепролетные покрытия легких конструкций

Круглые купола могут быть возведены как независимые несущие покрытия, изготовленные из свариваемых пенопластовых плит. Этот метод был разработан в США для армейских цепей под названием "Спирал Дженерейшн". Один такой купол диаметром 27 м был сооружен в Траверс-Сити в штате Мичиган (США). Элементы из пенополистирола устанавливались последовательными рядами, начиная от опорного железобетонного кольца, с использованием размещенных в центре подмостей. После установки элементов каждого ряда их сваривали между собой. Таким образом был быстро собран самонесущий купол, нуждающийся только в каком-либо тонком слое покрытия для защиты от атмосферных воздействий. Купол такого размера может быть сооружен (на предварительно устроенном фундаменте) несколькими рабочими за один день! С военной точки зрения такой купол обладает особым преимуществом "электронной прозрачности", благодаря которому он пригоден для укрытия радарных установок от атмосферных воздействий. Он не дает или почти не дает тени и может быть легко замаскирован.
Американец Р. Бакминстер Фуллер был инициатором строительства геодезических куполов. Их общим основным принципом является размещение узловых точек на сферической поверхности (рис. 186).
Большепролетные покрытия легких конструкций

Один из первых геодезических куполов был сооружен в Детройте на заводе "Форд" в 1953 г. в виде полусферы диаметром 28 м. Элементы были сначала соединены в треугольники, а затем из них образованы восьмигранники. Восьмигранники собирались в блоки по 10 шт. Длина стороны такого блока 3,7 м, и его мог перемещать один рабочий. Общая масса купола, включая прозрачное пластиковое покрытие, составила только 8,5 т. Купол сооружался без подмостей.
Исходя из условий устройства соединений геодезических куполов пластиковую водозащитную оболочку можно подвешивать, оставляя несущую конструкцию открытой снаружи. Конструкция купола может быть затем покрыта алюминиевыми листами или пластмассовыми плитами.
После возведения первого геодезического купола Фуллера были созданы новые проекты таких куполов. Геодезический купол диаметром 115 м в Батон-Руже (штат Луизиана, США) состоял из шестиугольных элементов.
В геодезических куполах другого вида вместо стержневых элементов применяются плоские — треугольные, ромбовидные, шестиугольные, выполняющие и несущую, и ограждающую функции. Из таких куполов наиболее известным является купол, разработанный американской алюминиевой компанией "Кайзер". Первый такой купол был сооружен в Гонолулу в 1957 г., он имел диаметр 44 м. С тех пор был построен ряд подобных куполов, в том числе купол диаметром 61 м американского выставочного павильона в Москве и спортивного зала в Париже. Масса алюминия в последних двух объектах составляла 47 т или всего 16 кг/м2 поверхности. Каждый из них был сооружен из 1100 ромбовидных пластин 14 различных размеров. Maтериалом элементов служит AlMgSi. Пластины толщиной 1,6 мм с ребрами по кромкам, имеющие форму ромба, перегибались по длинной диагонали и раскреппялись трубками эллиптического сечения в направлении короткой диагонали. Элементы по углам присоединялись к специальным соединительным деталям, а вдоль кромок склепывались один с другим, и каждый стык герметизировался тиоколом.
Эти купола были смонтированы с применением центральной мачты высотой 40 м. При возведении одного из таких куполов использовалась надувная пластиковая сфера.
Для американского павильона на Всемирной выставке в Монреале (ЭКСПО-67) был сооружен купол в виде 3/4 сферы диаметром 75 м и высотой 60 м. Его несущая конструкция представляет собой структуру с треугольниками на внешней поверхности и шестиугольниками на внутренней. Для элементов ограждающей оболочки использовалось прозрачное акриловое стекло толщиной около 6,5 мм. Длина стороны самой крупной пластины 3,6 м. Несущая конструкция выполнялась из круглых труб. Всего было устроено 200 внешних и 400 внутренних узловых точек. Во внешних узлах соединялись 12 стержней, а во внутренних - 6 стержней. Площадь поверхности оболочки около 14 000 м2.
В Мехико в 1968 г. для проведения Олимпийских игр был построен спортивный зал площадью 42 000 м2 (авторы проекта - Кандела, Кастанеда и Пейри), покрытый оболочкой, отсеченной от купола диаметром 170 м; алюминиевая трубчатая конструкция покрыта слоистыми плитами толщиной 12 мм в два слоя, защищенными медной листовой обшивкой.
Большепролетные покрытия легких конструкций

В Будапеште крытый теннисный корт спортклуба "Вашаш" имеет оболочку с формой поверхности (рис. 187). Размер зала 42х24 м. Самонесущая ортотропная оболочка выполнена из профилированных листов алюминиевого сплава "Наутал" толщиной 2 мм, покрытых синтетической тканью. В 1961 г. был спроектирован несферический купол для выставочного павильона тяжелой индустрии Венгрии на Международной ярмарке в Будапеште (рис. 188). Купол высотой 15 м имеет шестиугольный план с диагональю 44,8 м. он опирается на сварные коробчатого сечения балочные эстакады. Выполнен купол из элементов покрытия 21 различного типа с массой до 50 кг каждый. Элементы из алюминиевого сплава "Хегал" представляют собой сварные треугольники с длиной стороны 3,2-4,7 м. Покрытие состоит из листов полиэфирного стеклопластика, прикрепленных к узловой точке в центре тяжести каждого треугольного элемента. Эти треугольные элементы соединены между собой и с опорными эстакадами на болтах. Для выполнения всей конструкции израсходовано 12,5 т алюминия.
Большепролетные покрытия легких конструкций
Большепролетные покрытия легких конструкций

Проектировщиками "Алутерв" разработаны алюминиевые сводчатые покрытия главным образом для пролетов 40 и 24 м. Элементы двуслойной конструкции пролетом 40 м имеют размер 40x2,4 м и массу 1500 кг. Расход алюминия в конструкции 13,5 кг/м2. Теплоизоляция размещается либо между двумя алюминиевыми листами, либо снизу покрытия (рис. 189).
Прочность пластмассовых конструкций может быть повышена, а их прогибы уменьшены за счет применения конструкций типа сэндвич, в особенности в случаях криволинейных пространственных конструкций. Турбины электростанции в Зэкингене (Швейцария) покрыты тремя светопрозрачными элементами размером 12x13 м каждый и толщиной 380 мм. Поверхности и боковые грани этих элементов кессонной формы выполнены из стеклопластика. Малая собственная масса конструкции в этом случае была особенно важна, так как при обслуживании или ремонте турбин элементы должны быть демонтированы.
Как отмечалось ранее, большие пролеты могут быть перекрыты также с применением деревянных конструкций. Сводчатые оболочки и купола на болтовых соединениях были разработаны еще до второй мировой войны. Среди современных примеров следует назвать спортивный зал и каток в Реймсе (Франция) и гимнастический зал в Эссене (ФРГ).
Подвесные, напряженные и пневматические конструкции. В эту группу объединены тонкие большепролетные конструкции с растягивающими напряжениями, которые могут быть следствием подвешивания, натяжения или надувания конструкции.
Советский павильон на Всемирной выставке в Брюсселе (Бельгия) имел площадь 150x72 м. По ширине он разделен двумя рядами колонн на три пролета: средний - 48 м и боковые по 12 м, имеющие консольное покрытие. Колонны высотой до 20 м выполнены из стали, а верхние их части высотой 12 м -из алюминия. Алюминиевая конструкция покрытия и остекленные алюминиевые витражи наружных стен подвешены на стальных вантах, закрепленных в верхних частях колонн. Крыша имеет покрытие из профилированных алюминиевых листов.
Особым типом легких большепролетных покрытий являются покрытия из пластикованного брезента или листовой пластмассы. Они выполняют одновременно несущие и ограждающие функции.
Листы могут натягиваться тросами как мембраны при ребристой или решетчатой опорной конструкции (например, геодезический купол) или поддерживаться за счет избыточного давления воздуха или надутыми трубчатыми арками.
Конструкции типа "надувной матрас" состоят из надуваемой пневматической "подушки", выполненной из водостойкого листового материала, которая, будучи надутой, принимает форму плоской арки, закрепленной в опорном основании. По такому принципу в 1959 г. выполнена крыша летнего открытого театра в Бостоне (США), перекрывающая площадь диаметром 43,5 м; ее толщина составляет 6 м. Бакминстер Фуллер в своих куполах также применял пневматические сэндвичные элементы.
Камеры надувных трубчатых опор изготовляются из армированной тканью пластмассы или покрытой тканью пленки и надуваются с давлением 2*104—7*105 Па.
Выставочный павильон "Фудзи", построенный в 1970 г. на Всемирной выставке в Осаке (Япония), имел покрытие, поддерживаемое 16 надутыми воздушными трубчатыми камерами диаметром 4 м каждая и длиной 78 м (авторы Мурата и Кавагучи). Высота этой конструкции 40 м (рис. 190).
Другой тип пластмассово-тканевых покрытий — тент, поддерживаемый избыточным давлением воздуха от 0,1 до 1,5 кПа. Вход устраивается через воздушный шлюз. Утечка воздуха и срыв покрытия ветром могут быть предотвращены пригрузом краев тента, в частности емкостями с водой. Наиболее часто встречающаяся форма конструкций покрытий, поддерживаемых за счет создания избыточного давления воздуха, — полусферические конструкции с круглым планом или полукруглый цилиндрический свод, замкнутый с торцов двумя четвертьсферами.
Большепролетные покрытия легких конструкций

Покрытие в виде подвешенного тента особенно пригодно для временных сооружений (например, выставочных павильонов). Одним из таких покрытий является покрытие выставочного зала в Лозанне (Швейцария). Брезент, покрывавший западногерманский павильон площадью 8500 м2 на ЭКСПО-67 в Монреале, остается одним из крупнейших покрытий такого типа. Масса его оболочки всего 6,2 т. В таких покрытиях часто применяют подвешенную сетку проволочных тросов, к которой крепится синтетическая ткань.
В настоящее время в Европе насчитывается около 1500 залов с тентовыми покрытиями (рис. 191), среди них одним из крупнейших является выставочный зал в Аугсбурге (ФРГ) площадью 120x35 м. Крыша выполнена из покрытой поливинилхлоридом полиэфирной ткани "Тревира" массой 0,85 или 1,3 кг/м2 поверхности пола. Крупнейшее новое пластиковое покрытие было сооружено к Олимпийским играм в Мюнхене (ФРГ). Его площадь почти 80 000 м2. Материалом оболочки служит акриловое стекло толщиной 4 мм, изготовленное компанией "Рем ГмбХ". Покрытие напряжно растяжением и прикреплено стальными вантами к стальным мачтам. Литые акриловые плиты размером 2х2 м растянуты до размера 3х3 м и зажаты в алюминиевых профилях. Максимальное растягивающее усилие в одном ванте (проволочный трос) составляет 9,8 МН, наиболее нагруженная опорная точка, где сходятся 10 вантов диаметром 130 мм каждый, несет нагрузку 39,2 МН. Самый большой бетонный опорный блок имеет размеры 13х12х20 м. Динамические ветровые нагрузки воспринимаются специальными высокоамплитудными анкерами устройствами. В частности, они представляют собой расширенные пучки тросовых концов, закрепленные в конических стальных гильзах вместе с эпоксидным раствором, содержащим стальные шарики и цинковый порошок. при расчете этого покрытия необходимо было решить систему уравнений с 10 тыс. неизвестных.
Большепролетные покрытия легких конструкций

В настоящее время вантовые системы, позволяющие в случае дождя легко натянуть брезентовые покрытия, применяются на трибунах открытых стадионов, как это сделано в Бад-Херсфельде (ФРГ).
В точку подвешивания мембраны создается высокая концентрация усилий. Для передачи и распределения нагрузки наиболее часто применяются закладные круглые плоские или конические элементы, изготовленные из материала с высокой прочностью на растяжение.
При пролетах до 20 м синтетическая ткань может поддерживаться непосредственно вантами, но при больших пролетах (до 40 м) возникает необходимость в специальной сетке из проволочных тросов. В этом случае несущая и ограждающая функции разделяются.
Вантовые (тросовые) конструкции, как, например, тентовые покрытия, могут быть достаточно устойчивыми за счет собственной массы ("тяжелые" кровли) или могут быть заанкерены к устойчивым конструкциям ("легкие" кровли).
Важную роль в вантовых конструктивных системах играют стыки вантов, крепления опорного кольца, опорные конструкции и фундаменты, которые решаются различным образом. Примерами построенных сооружений могут служить: цилиндрические подвесные покрытия: цех в Красноярске, Россия; спортзал в Жешуве, Польша; Бассейн в Вуппертале, ФРГ;
- круглые подвесные покрытия: спортзал в Окленде, штат Калифорния, США;
покрытия двойной вантовой системы: спортзал в Братиславе; концертный зал в Таллине; выставочный в зал в Оклахоме, США.
Большепролетные покрытия легких конструкций

Крытый каток в Гданьске (Польша; авторы Кус. Доманский и Коца) имеет площадь 88x71 м. Сигарообразные стальные опоры, расположенные в одной плоскости, выполнены с предварительным напряжением. Покрытие со скатом в одном направлении обеспечивает хороший водосток. Это сооружение, так же как и спортзал в Конине, имеет криволинейное покрытие со стальными конструкциями (рис. 192).
Однако из важнейших сооружений такого типа - спортзал в Катовицах, построенный в 1971 г. (авторы Журавский, Влодарж и Залевский). Диаметр зала 126 м. Радиально расположенные несущие элементы покрытия связывают внешнее сжатое и внутреннее растянутое стальные опорные кольца. Крыша покрыта легкими панелями на деревянном каркасе с пенополистиролом толщиной 50-60 мм между двумя 6-мм асбоцементными листами и гидроизоляционным покрытием. Подобные же панели применены в стенах нижней части сооружения, имеющего форму усеченного конуса, сужающегося к основанию.
В России ряд круглых и овальных сооружений имеет покрытия с радиальными тросами, натянутыми между двумя кольцами, например спортивный зал диаметром 93 м в Санкт-Петербурге, зал диаметром 102 м в Баку, крытый рынок диаметром 72 м в Ульяновске (рис. 193).
Напряженные вантовые конструкции обладают большей устойчивостью, чем подвесные покрытия, несущие только свою собственную массу. Аналогичным образом запроектированы некоторые большепролетные покрытия в Польше.
Большепролетные покрытия легких конструкций

Несущая конструкция и кровельное покрытие, как правило, должны быть независимыми, за исключением покрытия из стальных листов, которое может быть запроектировано на восприятие растягивающих усилий. Подвесное покрытие из стальных листов с уклоном внутрь спроектировано в Австрии ("ЛБ-Шалендах"). Проект разработан для перекрытия площади пола диаметром до 120 м (рис. 194—195). Аналогичное покрытие применено в Венгрии для круглого спортзала Народного стадиона в Будапеште (авторы Л. Гараи и И. Юхас, научно-исследовательский институт по строительству). Покрытие имеет пролет 43,3 м и перекрывает площадь пола диаметром 50 м. Конструкция очень экономична, но ее недостатком является внутренний водосток.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent