МК_Справочник_том_2

являются покрытия велотрека без преднапряжения в Крылатском, Москва, певче- ской эстрады в Таллинне, эстрадного зала в Паланге совместно с преднапряжением (рис.12.37). Метод стабилизации формой поверхности не требует увеличения постоянной нагрузки сверх минимально необходимой по технологическим соображениям, однако сам по себе не обеспечивает восприятия значительных сосредото- ченных нагрузок.

Методы стабилизации дополнительными элементами и собственной изгибной жесткостью часто близки по конструктивному воплощению. Конструктивно роль дополнительных элементов выполняют балки, арки и фермы, вантовые фермы, оттяжки и т.п. С этих позиций всякая комбинированная висячая система может быть охарактеризована как стабилизированная дополнительными элементами. Достоинством метода является возможность стабилизации без пригруза покрытий с простейшей геометрией поверхности: плоские, нулевой гауссовой кривизны и положительной гауссовой кривизны. При этом могут быть исключены местные кинематические перемещения под воздействием сосредоточенных нагрузок, что позволяет применять подвесное технологическое оборудование, включая подвесные краны.

Номенклатура сооружений, осуществленных с применением методов стабилизации дополнительными элементами и использованием собственной изгибной жесткости, чрезвычайно широка. Примерами таких решений являются покрытия: олимпийского бассейна на проспекте Мира, Москва (рис.12.38), с несущей системой жестких вант, выполненных в виде ферм; Дворца спорта «Зенит», Санкт-Петербург (рис.12.45), с несущей комбинированной системой в виде арочно-вантовой фермы; Дворцов спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге (рис.12.46à) è â Áàêó (ðèñ.12.46á) с радиальной несущей системой в виде двояковыпуклых вантовых ферм со сжатыми либо растянутыми стойками; завода тяжелого машиностроения в Марнеули в виде комбинированных висячих систем с балками жесткости, несущими подвесные краны, и т.д. Примерами пространственных мембранных покрытий, подкрепленных фермами жесткости, могут служить покрытия: стадиона «Олимпийский» в Москве (рис.12.43); ангар в Риге (рис.12.40) с подвесными кранами и др.

Метод стабилизации предварительным напряжением применяется обычно в комбинации с остальными и самостоятельного значения для висячих систем практически не имеет.

3. Тенденции развития конструктивных форм. Процентное соотношение применяемых в России типов несущих систем из общего числа запроектированных нетрадиционных конструкций, а также процентное соотношение осуществленных проектов к их общему числу внутри каждого типа показано в табл.12.6 [14].

Подвесные системы и жесткие ванты. Подвесные (в том числе консольновантовые) системы и жесткие ванты получили наименьшее распространение 3,9 и 3,1 %, соответственно. Это объясняется тем, что подвесные системы представляют собой по существу многоопорные балочные конструкции с дополнительными опорами в виде тяжей и являются промежуточным звеном между балочными и вися-

291

чими системами как по своим конструктивным, так и по экономическим показателям. При этом консольно-вантовые системы являются внешнераспорными. Еще одним недостатком всех подвесных систем является необходимость пересечения тяжами кровельного покрытия, что создает трудности в обеспечении тепло и гидрозащиты конструкций.

Жесткие ванты также являются переходной конструкцией от балки к гибкой ванте, однако они обладают существенными достоинствами: конструктивной простотой обычных балок или ферм и, как следствие, – простотой в изготовлении и монтаже; значительной собственной изгибной жесткостью; возможностью устройства кровли по верху покрытия. Наличие в настоящее время проката из высокопрочной стали с временным сопротивлением 600–700 МПа позволяет в этих конструкциях воспринимать значительные растягивающие усилия и возводить покрытия больших пролетов – äî 101,4 ì (ðèñ.12.38).

Недостатком осуществленных на жестких вантах покрытий является то, что ограждающие конструкции кровли не вводятся в работу вант и являются для них только нагрузкой, что ухудшает общие показатели системы.

Этот недостаток преодолевается в мембранных системах, для которых жесткие ванты могут быть применены в качестве стабилизирующих элементов.

Двухпоясные системы применяются как с обоими гибкими поясами (рис.12.46), так и комбинированные: c гибким нижним и жестким верхним поясами (рис.12.45), с гибким верхним и жестким нижним. Двухпоясные системы с обоими гибкими поясами нуждаются в предварительном напряжении для обеспечения работы сжатого пояса. В комбинированных системах сжатые пояса выполняются из жестких элементов. Характерно, что все осуществленные покрытия имеют в сече- нии выпуклую линзообразную форму с расположением кровли по верхнему поясу, что облегчает обеспечение водоотвода с покрытия и одновременно уменьшает объем стеновых ограждений.

Кроме того, вантовые фермы в этих покрытиях безраскосные, с жесткими сжатыми либо растянутыми стойками, а отсутствие раскосов приводит к значительному упрощению конструкции. Характерно стремление к осуществлению внешнебезраспорных систем: при круглых планах (рис.12.46) распорные силы воспринимаются железобетонными опорными контурами, при прямоугольных планах – жесткими поясами (рис.12.45).

Для производственных зданий с подвесными кранами используются комбинированные двухпоясные системы с жестким нижним поясом – вантовые фермы с балкой жесткости мостового типа. Вантовые фермы могут выполняться как раскосными, так и безраскосными (с вертикальными растянутыми подвесками). Применение раскосной решетки позволяет увеличить жесткость системы и уменьшить ее массу, но требует предварительного напряжения сжатых элементов решетки, что увеличивает трудоемкость монтажа. Ограждающие конструкции и кровля располагаются по нижним жестким поясам, поэтому кровельное покрытие «протыкается» элементами решетки.

Среди однопоясных систем – сетей из гибких элементов и комбинированных – наибольшее распространение получили седловидные сети отрицательной гаусовой кривизны из гибких элементов, криволинейные в плане (рис.12.37). Стабилизация таких сетей обеспечивается формой поверхности в сочетании с предварительным напряжением. Распорные силы воспринимаются опорными контурами. Достоинством таких систем является их исключительная собственная легкость. Ограждающие конструкции могут быть выполнены также из легких элементов. Недостатком является чувствительность к кинематическим перемещениям, в особенности от сосредоточенных нагрузок. В России разработаны и внедрены в практику строи-

292

тельства конструкции, в которых гибкие элементы сети выполняются не из стальных канатов, а из алюминиевых лент [16], причем алюминиевые ленты могут служить одновременно и ограждающей конструкцией, что приводит к дополнительному облегчению покрытия.

Комбинированные сети разработаны для использования в зданиях, прямоугольных в плане [14]. В этих системах стабилизация обеспечивается собственной жесткостью балочных элементов, а распорные силы передаются в узлы опорного контура. Ограждающие конструкции покрытия могут быть выполнены из легких элементов.

Однопоясные системы применяют как для малых, так и для больших пролетов – îò 20 äî 80 ì – причем, 64,8% всех запроектированных в нашей стране объектов – осуществлено (табл.12.6).

4. Мембранные покрытия. Из табл.12.6 видно, что в настоящее время различ- ные конструктивные формы мембранных покрытий получили у нас интенсивное развитие, что вызвано важными преимуществами этих конструкций по сравнению с вантовыми:

∙осуществление в мембране принципа совмещения несущих и ограждающих функций;

∙пространственная работа мембран, что, в частности, позволяет перераспределять распорные силы на опорный контур так, чтобы он работал практически без изгиба;

∙возможность создания конструктивных форм, позволяющих вести монтаж укрупненными элементами, либо в виде рулонированных на заводе мембранных полотен, раскатывая их по стабилизирующим элементам непосредственно на проектной отметке (рис.12.44), либо в виде полной мембраны, собранной предварительно на нулевой отметке с последующим подъемом ее на проектную отметку с помощью, например, ленточных домкратов (рис.12.41), либо в виде жестких пространственных монтажных блоков из элементов стабилизирующих ферм, в состав поясов которых включается мембрана (рис.12.39);

∙мембранные системы являются более надежными, т.к. имеют значительно меньшее количество монтажных узлов и большую степень заводской готовности конструкций в целом;

∙мембранные конструкции проще в эксплуатации, т.к. они легче поддаются осмотру; их антикоррозионная защита может быть надежно осуществлена обыч- ными широко применяемыми методами;

∙включение мембраны в совместную работу со стабилизирующими элементами (например, включение мембраны в работу поясов стабилизирующих ферм) увеличивает жесткость конструкции и является дополнительным положительным фактором при создании мембранных покрытий с подвесным крановым оборудованием.

И, наконец, мембрана не ограничивает возможностей создания различных архитектурных форм поверхностей. Простейшие цилиндрические покрытия – нулевой гауссовой кривизны, седловидные – отрицательной гауссовой кривизны, а также шатровые мембранные системы реализованы в настоящее время пролетами от 24 до 244 м.

Особый интерес представляют мембраны покрытия прямоугольные в плане, в том числе для зданий производственного назначения.

Главная задача в подобных системах – решение проблемы прямолинейного опорного контура. Как видно из рис.12.39–2.41 эта проблема практически может быть успешно решена и решается по-разному в зависимости от конструктивных особенностей мембранного покрытия.

293

Так, в покрытии павильона в Некрасовке размерами в плане 24× 27 м и цеха завода «Компрессор» в Москве размерами в плане 66× 81 м используются возможности мембраны как пространственной системы и ее способность к перераспределению усилий в зависимости от жесткостных характеристик опорного контура. В приведенных ранее примерах прямоугольные стальные мембраны положительной гауссовой кривизны прикреплены по периметру к трубобетонному опорному контуру большой гибкости с очень жесткими рамными углами. В этом случае распорные усилия с мембраны на контур передаются в углах, и прямолинейные элементы контура работают только на сжатие. При этом мембрана служит для элементов контура связевой системой, предохраняющей их от потери устойчивости в плоскости покрытия.

В покрытии универсального спортзала в Измайлове размерами в плане 66× 72 м (рис.12.41) секторы мембраны между полосовыми диагональными тягами образуют линейчатые поверхности нулевой гауссовой кривизны, и распорные силы передаются через эти тяги непосредственно в углы железобетонного контура.

В покрытиях, более вытянутых в плане, как например Дворца спорта им. Ленина во Фрунзе, размерами в плане 42× 72 м, и в ангаре в г.Рига размерами в плане 108×72 м (рис.12.40) для восприятия распорных усилий установлены криволинейные полосовые шпренгельные элементы, жестко соединенные с мембраной и опорным контуром.

Особый класс составляют двухслойные мембраны, которые могут быть названы «жесткими» по аналогии с жесткими вантами. Пример такой конструкции приведен на рис.12.39. Двухслойное мембранное покрытие общественного центра в Ялте размерами в плане 59,6× 63,6 м нулевой гауссовой кривизны создано из каркасных панелей с тонколистовой обшивкой заводского изготовления, объединяемых решеткой на монтажной площадке в пространственные монтажные блоки, обладающие значительной изгибной жесткостью. Распорные силы в этом случае воспринимаются продольными тонкостенными балками, образованными крайними панелями, которые выполнены с утолщенной обшивкой. В торцах эти силы переданы на V-образные опоры. Нижняя мембрана при таком решении служит полом технического этажа и потолком помещения.

Как следует из выше сказанного, мембранные покрытия являются одной из наиболее перспективных конструктивных форм висячих систем, которые следует развивать и совершенствовать в дальнейшем.

12.5.3. Нагрузки и воздействия. Нагрузки и воздействия принимаются в соответствии с действующими СНиПами. Ниже приводятся дополнительные рекомендации для некоторых видов нагрузок [16,17,18,21,22].

12.5.3.1. Снеговая нагрузка

1. Для висячих оболочек на круглом и овальном (при разнице главных осей до 30%) планах зданий рекомендуются следующие схемы вариантов распределения снеговой нагрузки [21, 22] и коэффициенты μ:

вариант I – нагрузка равномерно распределена по всей поверхности покрытия, μ = 1 (ðèñ.12.47à);

вариант II – равномерно распределенная нагрузка на половине покрытия: μ = 1 (ðèñ.12.47á) (реализуется при очистке снега с половины покрытия, а также при интенсивном таянии снега вследствие прямой солнечной радиации);

вариант III – осесимметричное расположение нагрузки, предусматривающее сосредоточение снега в центральной зоне (μ = 2) с линейным понижением значения интенсивности к периметру до нуля (рис.12.47â). Вариант III реализуется при сползании снега, а также при скоплении водно-ледовой массы в пониженной части покрытия.

294

Рис.12.47. Снеговая нагрузка и коэффициенты μ для покрытий с поверхностью положительной гауссовой кривизны на круглом и эллиптическом планах

2. Для цилиндрических оболочек на прямоугольном плане с равновысокими опорами рекомендуются следующие схемы вариантов распределения снеговой на-

Рис.12.49. Снеговая нагрузка и коэффициенты μ для цилиндрических оболочек на прямоугольном плане с разновысокими опорами

295

3. Для седловидных оболочек на квадратном плане рекомендуются следующие схемы вариантов распределения снеговой нагрузки на загруженных четвертях покрытия при μ = 1:

вариант I – по всей поверхности покрытия загружены все четверти (рис.12.50à); вариант II – загружены две диагонально расположенные четверти (рис.12.50á); вариант III – загружены две смежные четверти (рис.12.50â);

вариант IV – загружена одна часть четверти рис.12.50ã).

Рис.12.50. Снеговая нагрузка и коэффициенты μ для покрытий с провисающей поверхностью положительной гауссовой кривизны на квадратном плане

4. Для шатровых оболочек на круглом плане рекомендуются следующие схемы вариантов распределения снеговой нагрузки и коэффициенты μ:

вариант I – равномерно распределенная нагрузка по всей поверхности покрытия μ = 1 (ðèñ.12.51à);

вариант II – равномерно распределенная нагрузка на половине покрытия, μ = 1 (ðèñ.12.51á) (реализуется при одностороннем интенсивном таянии снега или при очистке снега с половины покрытия);

вариант III – нагрузка плавно меняется по косинусоидальному закону (рис.12.51â), а в любой точке покрытия определяется по формуле

μi = (1 + 0,5cos α)3 ri α

(вариант III реализуется вследствие переноса снега при повышенных скоростях и устойчивом направлении ветра).

μ=0,5

μ=1

Рис.12.51. Снеговая нагрузка и коэффициенты μ для шатровых оболочек отрицательной гауссовой кривизны на круглом плане

5. Для провисающих покрытий на плоском прямоугольном контуре рекомендуются следующие схемы вариантов распределения снеговой нагрузки и коэффициенты μ:

вариант I – нагрузка равномерно распределена по всей поверхности покрытия, μ = 1 (ðèñ.12.52à);

вариант II – загружена половина покрытия с границей по диагонали или по главной оси, μ = 1 (ðèñ.12.52á) (реализуется при очистке снега с половины покрытия);

296

Рис.12.52. Снеговая нагрузка и коэффициенты μ для седловидных покрытий отрицательной гауссовой кривизны на квадратном плане

12.5.3.2. Ветровая нагрузка

1. Расчетное значение ветровой нагрузки W, действующей на покрытия и учи-

ãäå W0 – нормативное значение давления ветра; K(h) – коэффициент, учитывающий изменение давления ветра по высоте; h – максимальная высота покрытия, м; (W0 è K(h)) определяется в соответствии со СНиП 2.01.07-85; Ñ – аэродинамиче- ский коэффициент; x = 1,25 – коэффициент, учитывающий действие пульсационной составляющей ветрового давления [16]; gf – коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 1,4.

Для вертикальных ограждающих поверхностей сооружения ветровая нагрузка определяется в соответствии с указаниями СНиП 2.01.07-85.

При наличии надежных данных натурных или модельных испытаний о распределении пульсационной составляющей давления ветра по поверхности покрытия различного типа методика назначения действующей на них ветровой нагрузки, а также значения коэффициента x, зависящего от динамических характеристик покрытия, могут быть уточнены [16].

2. Аэродинамический коэффициент Ñ в каждой точке покрытия определяется как разность коэффициентов внешнего (Ñå) и внутреннего (Ñi) давлений, взятых со своими знаками, т.е.

ÑÑå - Ñi. (12.34)

Коэффициенты внешнего и внутреннего давления принимаются в соответствии с результатами обдувок моделей покрытий в аэродинамических трубах или применительно к литературным данным обдувок моделей подобных сооружений. В [16] приведены значения коэффициентов Ñå для сооружений с различной формой поверхности покрытий висячего типа, схемы которых даны на рис.12.53, 12.54. Расположение точек замеров при аэродинамических испытаниях моделей сооружений представлено на рис.12.55.

Рис.12.53. Модели для аэродинамических испытаний сооружений à-â – с цилиндрическими покрытиями на прямоугольном плане и различными вариантами

расположения стенового ограждения; ã – с провисающим покрытием на прямоугольном плане; ä – то же, на круглом плане; å – с шатровым покрытием на круглом плане

297

Рис.12.54. Модели для аэродинамических испытаний сооружений с цилиндрическими покрытиями на квадратном плане и различными вариантами расположения стенового ограждения

Рис.12.55. Расположение точек замеров при аэродинамических испытаниях моделей сооружений

à – с цилиндрическим покрытием на квадратном плане; á – с провисающим покрытием на квадратном плане; â – с цилиндрическим покрытием на прямоугольном плане; ã – с провисающим покрытием на круглом плане; ä – с шатровым покрытием на круглом плане

298

Коэффициент Ñi внутреннего давления для всей поверхности покрытия принимается постоянным и равным:

∙для стадии эксплуатации при наличии стенового ограждения Ñi = ±0,2 (çíàê «+» èëè «−» выбирается из условий реализации наихудшего варианта нагружения);

∙для стадии монтажа: Ñi = +0,7 ïðè β = 0°; Ñi = +0,4 ïðè β = 45° (для покрытий на прямоугольном плане), где β – угол между направлением ветра и одной из осей сооружения (рис.12.55).

В [18] также приведены данные обдувок моделей ряда конкретных сооружений.

12.5.3.3. Сейсмические воздействия

1. Проектирование зданий с покрытиями висячего типа при расчетной сейсмичности зданий 7–9 баллов следует выполнять с учетом требований СНиП II-7- 81* «Строительство в сейсмических районах».

Ниже рассматриваются основные особенности, которые следует учитывать при проектировании и расчете зданий с покрытиями висячего типа для сейсмических районов. Изложение опирается на рекомендации [16], разработанные применительно к мембранным покрытиям.

2.Размеры зданий (отсеков) в плане принимаются в соответствии с требованиями к несейсмическим районам, но не более 150 м при вертикальных несущих конструкциях из стального или железобетонного каркаса, монолитных железобетонных стен, пилонов и т.п.

При выборе конструктивных решений висячих покрытий, опорного контура, элементов кровли, колонн, стен и т.п. следует обеспечивать снижение сейсмиче- ских нагрузок уменьшением массы несущих и ограждающих конструкций.

Особое внимание при проектировании висячих покрытий для сейсмических районов следует уделять обеспечению четкой передачи инерционных нагрузок (с пролетной конструкции на опорный контур, вертикальные несущие конструкции и фундаменты), надежности работы несущих конструкций и их сопряжений, обеспе- чению жесткости покрытия в горизонтальной плоскости.

3.Расчет зданий с мембранными покрытиями для сейсмических районов следует проводить:

à) на условные статические нагрузки, определяемые согласно пп.8–10 è 14 íà-

стоящего раздела. При этом усилия в элементах конструкций не должны превышать предельных значений, определяемых главами СНиПа по проектированию стальных и железобетонных конструкций с учетом п.20 настоящего раздела. На эти условные статические нагрузки рассчитываются все здания, проектируемые для сейсмических районов;

á) на выбор расчетных сейсмических воздействий, которые определяются с уче- том характера сейсмического режима в районе строительства, а также данных детального и микросейсмического районирования.

При выборе расчетных сейсмических воздействий (акселерограмм) рекомендуется использовать инструментальные записи, полученные в районе строительства или в аналогичных по сейсмическим условиям местностях, а также записи, синтезированные применительно к местным условиям. Максимальные амплитуды ускорений расчетных акселерограмм должны быть не менее 1, 2, 4 м/с2 при сейсмич- ности площадок строительства соответственно 7,8 и 9 баллов.

При расчете по п.3á на набор расчетных сейсмических воздействий рекомендуется учитывать возможность развития неупругих деформаций и локальных повреждений конструкций, а также пространственный характер деформирования зданий и их взаимодействие с грунтом основания. При этом состояние сооружения после

299

землетрясения не должно достигать предельного, указанного в табл.19.6 [16]. Этот расчет является дополнительным и рекомендуется для особо ответственных зданий, зданий с размерами мембранных покрытий в плане более 60 м.

4.Расчет по п.3à следует проводить для:

∙пролетной конструкции (совместно с опорным контуром) и узлов их сопряжения, а также участков контура между опорами на вертикальные сейсмические нагрузки;

∙вертикальных несущих конструкций (колонны, стены и т.п.) на совместное действие усилий от горизонтальных и вертикальных сейсмических нагрузок;

∙наклонных несущих конструкций (пилоны, рамы и т.п.) на совместное действие усилий от горизонтальных и вертикальных сейсмических нагрузок;

5.Расчет по п.3á следует проводить для:

∙пролетной конструкции совместно с опорным контуром на вертикальные сейсмические воздействия;

∙здания в целом – на совместное действие горизонтальной (или двух горизонтальных) и вертикальной составляющих сейсмического воздействия. При этом динамические расчетные модели должны достаточно полно учитывать пространственный характер колебаний здания, нелинейную работу покрытия, распределение масс и жесткостей конструкций. Допускается определять сейсмиче- ские нагрузки на висячие покрытия с учетом их протяженности (воздействия бегущей волны [24]).

6.При расчете мембранных покрытий по п.3à,á на вертикальные сейсмические воздействия динамические расчетные модели покрытия следует принимать в виде континуальных систем с распределенной вертикальной нагрузкой или в виде системы дискретных масс, связанных с безмоментной оболочкой. Считается, что в общем случае опорный контур работает на сжатие, изгиб в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и на кручение. Указанные деформации учитываются при определении матрицы жесткости элементов деформируемого контура.

При расчете висячего покрытия внешним возмущением для него являются перемещения опорного контура по горизонтальным осям Õ è Y и по вертикальной оси Z [24, 25]. Учитывая, что висячие покрытия, как правило, пологие, допускается в практических расчета в первом приближении пренебрегать инерционными силами, действующими в плоскости покрытия (поскольку перемещения точек срединной поверхности по осям X è Y очень малы), а также силами из плоскости покрытия, вызванными горизонтальным перемещениями опорного контура.

7.Периоды (частоты) и формы собственных колебаний для расчетных моделей определяются по специально разработанным алгоритмам с помощью ЭВМ как для систем с конечным числом степеней свободы. В связи с близостью значений собственных частот мембранных конструкций определяется не менее 5–7 низших

частот и форм собственных колебаний.

При вычислении вертикальных сейсмических нагрузок по п.3,а допускается периоды и формы собственных колебаний принимать с помощью справочников по динамике сооружений и других пособий [24, 25], как для мембран с разными очертаниями в плане и с различающимися граничными условиями [16].

Расчет висячих покрытий на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических должен выполняться аналогично расчетам на вертикальные статические нагрузки.

8. При расчете по п.3,à расчетная вертикальная нагрузка Sizk, приложенная к точке k и соответствующая i-му тону собственных колебаний мембранного покрытия, находится по формуле

300