Пластика распорных большепролетных систем — вантовые поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры

Кафедра

Основ архитектуры

Реферат

по предмету «Архитектурная композиция»

на тему: «Пластика распорных большепролетных систем -- вантовые поверхности»

Выполнила студ. 924 группы

Бодальникова О. В.

Проверил

Никицкий В.В.

Днепропетровск 2012г.

1. История возникновения большепролетных систем

Пространство, освобожденное от опор, перекрытое большепролетной конструкцией, придает зданию эмоциональную и пластическую выразительность.

Большепролетные конструкции покрытий появились в древние времена. Это были каменные купола и своды, деревянные стропила. Так, например, каменное купольное покрытие Пантеона в Риме (1125 г.) имело диаметр около 44 м, купол мечети Айя - София в Стамбуле (537 г.) - 32 м, купол Флорентийского собора (1436 г.) - 42 м, купол Верхнего Совета в Кремле (1787 г.) - 22,5 м.

Строительная техника того времени не позволяла строить в камне легкие сооружения. Поэтому большепролетные каменные сооружения отличались большой массивностью, а сами сооружения возводились в течение многих десятилетий.

Деревянные строительные конструкции были дешевле и проще в возведении, чем каменные, давали возможность перекрывать также большие пролеты. Примером могут служить деревянные конструкции покрытия здания бывшего Манежа в Москве (1812 г.), пролетом 30 м.

Развитие черной металлургии в XVIII - XIX вв. дало строителям материалы более прочные, чем камень, дерево - чугун и сталь.

Во второй половине XIX в. большепролетные металлические конструкции получают широкое применение.

В конце XVIII в. появился новый материал для большепролетных зданий - железобетон. Совершенствование железобетонных конструкций в XX в. привело к появлению тонкостенных пространственных конструкций: оболочек, складок, куполов. Появилась теория расчета и конструирования тонкостенных покрытий, в которой приняли участие и отечественные ученые.

Во второй половине XX в. широко применяются висячие покрытия, а также пневматические и стержневые системы. Применение большепролетных конструкций дает возможность максимально использовать несущие качества материала и получить за счет этого легкие и экономичные покрытия.

Уменьшение массы конструкций и сооружений является одной из основных тенденций в строительстве. Уменьшение массы означает уменьшение объема материала, его добычи, переработки, транспортировки и монтажа. Поэтому вполне естественен интерес, который возникает у строителей и архитекторов к новым формам конструкций, что дает особенно большой эффект в покрытиях.

Так, масса железобетонного ребристого покрытия при сравнительно небольших пролетасоставляет 400 - 500 кг/м2 перекрываемой площади; масса железобетонных оболочек при пролетах 40 - 50м составляет около 300 кг/м2; масса облегченных покрытий по металлическим конструкциям при тех же пролетах снижается до 50 - 100 кг/м2; масса пневматических конструкций всего лишь 2 - 5 кг/м2.

Большепролетные конструкции покрытий можно разделить по их статической работе на две основных группы систем большепролетных покрытий:

? плоскостные (балки, фермы, рамы, арки);

? пространственные (оболочки, складки, висячие системы, перекрестно-стержневые системы и тд)

1.1 Возникновение вантовых систем

В 1834 г. был изобретен проволочный трос - новый конструктивный элемент, нашедший очень широкое применение в строительстве, благодаря своим замечательным свойствам - высокой прочности, малой массе, гибкости, долговечности.

В строительстве проволочные тросы были впервые применены в качестве несущих конструкций висячих мостов, а затем уже получили распространение в большепролетных висячих покрытиях.

Развитие современных вантовых конструкций началось в конце XIX в. на строительстве нижегородской выставки 1896 г. русский инженер В.Г. Шухов впервые применил пространственно работающую металлическую конструкцию, где работа жестких элементов на изгиб была заменена работой гибких вант на растяжение. Пространственная сетка этих покрытий представляла собой поверхность гиперболоида и была выполнена из взаимно пересекающихся лент полосовой стали. Павильон круглой формы имел диаметр наружного кольца 68 м, павильон овальной формы был выполнен размером 98X51 м.

Долгое время в строительстве висячие покрытия не применяли. Опасения сводились к тому, что свойства таких покрытий недостаточно изучены, отсутствуют надежные методы расчета. В 1950 г. архитектор Новицкий впервые разработал покрытие в виде ортогональной вантовой сети и в 1952 г. по его проекту в США в г. Рэлей (штат Северная Каролина) (был перекрыт спортивный зал размером в плане 97X92 м.

После первого применения висячих покрытий прошло около трех десятилетий. За это время они все шире и шире внедрялись в строительную практику. Следует, отметить, что стремление использовать свойства висячих покрытий, (поиски архитектурного образа, решение различных проблем проектирования и возведения покрытий привели к быстрому развитию типов этих конструкций. В настоящее время различные системы покрытий позволили создать весьма выразительные и оригинальные произведения современной архитектуры.

2. Принцип формообразования вантовых покрытий с ортогональной структурой сети на гиперболическом параболоиде

Одной из наиболее распространенных поверхностей вантовых покрытий является поверхность гиперболического параболоида. При этом сеть чаще всего представляет собой два семейства взаимно перпендикулярных вант, имеющих максимальную по величине (для данной поверхности) и различную по знаку кривизну. Такие поверхности дают возможность создавать экономичные предварительно напряженные сети, обладающие достаточной жесткостью.

Покрытие на опорном контуре в виде трех наружных и трех внутренних пересекающихся арок: 1,2 -- напрягающие и несущие ванты; 3 жесткие связи между арками

Не случайно большинство осуществленных вантовых покрытий имеют поверхность гиперболического параболоида или близкую к нему. Однако применение вантовых сетей, очерченных по поверхности одного параболоида, естественно, ограничивает архитектурные и конструктивные решения покрытий. Поэтому часто используют составные поверхности вантовых сетей, в которых гиперболический параболоид является элементарной составной ячейкой. представлено одно из таких покрытий. Подобные композиции можно образовывать из гиперболических параболоидов на любом плане. При помощи трех гиперболических параболоидов на опорном контуре из пересекающихся арок, наклоненных к горизонту под различными углами, можно образовывать также составную поверхность покрытия , Центральные бортовые арки, соединенные между собой, одновременно воспринимают вертикальную нагрузку и, таким образом, дают возможность отказаться от промежуточных опор. Такие схемы целесообразны при перекрытии больших пролетов -- от 150 м и более. При перекрытии названных пролетов Байтовым покрытием, очерченным по поверхности одного гиперболического параболоида, перепад высших и низших точек получается огромным, что приводит к бессмысленному увеличению объема здания.

Обычно поверхности рассмотренных схем не являются кусочно-гладкими, когда по линиям сопряжения параболоидов имеются переломы поверхности. Это требует устройства в местах переломов обычно жестких элементов, уравновешивающих напряженное состояние поверхности, что вызывает дополнительные затраты материалов и, следовательно, уменьшает эффективность вантовых систем. Оправданными в этом случае являются поиски новых рациональных решений вантовых сетей, которые бы обладали достоинствами сетей гиперболического параболоида и не содержали жестких элементов, кроме опорного контура. Важно также найти общий принцип структурного образования ортогональных сетей на любом опорном контуре.

Если проанализировать формообразование поверхности одного прямого гиперболического параболоида на квадратном плане , то можно заметить, что его поверхность условно членится на четыре участка, каждый из которых также представляет собой параболоид. Очевидно, такая поверхность не имеет разрыва кривизны, а линии сопряжения участков (в данном случае асимптоты -- линейчатые образующие) являются прямыми линиями и находятся в одной горизонтальной плоскости. Следуя замеченной особенности и взяв в качестве основной ячейки гиперболический параболоид на ромбическом плане, можно создать более сложные кусочно-гладкие поверхности. При этом количество сопрягаемых параболоидов должно быть четным и высотные отметки внешних углов опорного контура должны чередоваться. Направляя ванты по линиям максимальных кривизн каждого параболоида, достигаем полного соответствия между структурой сети и поверхностью.

Очевидно, что подобный принцип применим при любом очертании в плане опорного контура. Рассмотрим применение этого принципа к сетям на опорном контуре в виде арок.

Схема ортогональной вантовой сети на опорном контуре из двух арок, примененная в выставочном здании г. Ралей (США), стала классической и занимает одно из главных мест во всем многообразии вантовых покрытий. В ней гармонично сочетаются рациональные формы, поверхность и очертание опорного контура. Однако создать рациональную ортогональную вантовую сеть на опорном контуре из трех и более наклонных к горизонту арок, используя лишь два направления нитей относительно всей поверхности, не представляется возможным. В этом случае нити имеют различные кривизны с недопустимо малыми величинами, появляются нежелательные сплощенные зоны поверхности.

Чтобы избежать таких недостатков, нити необходимо направлять по линиям кривизны в пределах каждого параболоида. В случае арочного очертания опорного контура удобно исходить из параболической формы всех нитей с наперед заданной величиной кривизны.

Таким образом, опорным контуром покрытия являются не плоские арки, а аркообразные элементы, состоящие из участков (в пределах радиальных секторов) с кривизной в одной из плоскостей -- вертикальной или горизонтальной. Образованная по такому принципу поверхность не имеет разрывов кривизны, линии сопряжения параболоидов находятся на одной горизонтальной плоскости, а кривизна поверхности в кольцевом направлении по линиям сопряжения меняет свой знак.

Предложенный принцип структурного образования вантовых сетей покрытий лег в основу разработанных ортогональных сетей при количестве аркообразных элементов от двух до бесконечности.

В связи с этим проследим фазы изменения структуры ортогональной сети, поверхности и предварительного натяжения в зависимости от увеличения количества аркообразных элементов .

С увеличением количества аркообразных элементов количество радиальных секторов, в пределах которых принята ортогональная сеть, увеличивается. Это, в свою очередь, ведет к уменьшению влияния предварительного натяжения сети, а при бесконечном возрастании количества аркообразных элементов они образуют замкнутый кольцевой контур. При этом несущие ванты образуют простую радиальную сеть, очерченную по поверхности вращения.

В случае, когда самые низкие и самые высокие точки контура при увеличении количества аркообразных элементов сохраняют свои отметки, возможна вторая форма перехода ортогональных сетей в преднапряженное покрытие, состоящее из прямого и обратного куполов непрерывной радиальной структуры, соединенных непрерывными вертикальными связями типа подвесок. Промежуточные формы этого перехода -- покрытия в виде вантовых складок «системы Яверта».

3. Виды вантовых покрытий

В сооружениях, где надо перекрывать без промежуточных опор большие площади, весьма эффективны висячие покрытия. Такие покрытия могут применяться для производственных и гражданских зданий разнообразного назначения и различного сечения в плане (прямоугольное, круглое и овальное). Крытые стадионы, цирки, рынки, выставочные залы часто имеют такую конструкцию покрытия, так как висячие покрытия выгодны по расходу материалов на единицу перекрываемой площади и отличаются невысокой трудоемкостью при возведении.

Висячие покрытия выполняют в виде преднапряженных оболочек из сборно-монолитного железобетона, вант, вантовых ферм и стальных мембран.

Висячей оболочкой называют монолитное или сборное с последующим замоноличиванием железобетонное покрытие, опертое на систему висячих вант. В период возведения такой оболочки рабочими элементами ее пролетной конструкции служат стальные канаты. После замоноличивания в эксплуатационной стадии оболочка работает совместно с вантами.

Байтовая система и висячая оболочка опираются на опорный контур, воспринимающий на себя горизонтальные и вертикальные реакции пролетной конструкции. Опорный контур висячего покрытия может быть замкнутым. Висячие растянутые элементы в этом случае крепят к жестким опорным конструкциям, которые могут быть выполнены в виде опорного замкнутого контура (кольцо, овал, прямоугольник), передающего усилия через колонны или через контурные наклонные рамы или арки на фундаменты. Распор (горизонтальные реакции) пролетной конструкции погашается внутри опорного контура и на нижележащую часть сооружения передаются только вертикальные нагрузки.

Если опорный контур не замкнут, то усилия распора передаются через подкосы, контрфорсы, оттяжки с анкерами и т. д. на фундаменты. Эти элементы испытывают значительные усилия от распора вант и требуют соответственно большего расхода материалов.

Системы с замкнутым контуром поэтому являются более экономичными.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3.1 Прямоугольные в плане системы

В таких зданиях применяют системы из параллельных вант или вантовых ферм; поверхность оболочки имеет цилиндрическую форму. Ванты или фермы опираются на продольные балки, которые передают усилия на опорные рамы с анкерами или на контрфорсы. Огромные растягивающие усилия для прямоугольных зданий обычно воспринимаются дополнительными вышосными анкерными опорами. Для исключения взаимного смещения, обеспечения пространственной жесткости в прямоугольном здании обычно применяют систему взаимно перпендикулярных вант, шарнирно соединенных в узлах. В качестве контрфорсов целесообразно использовать смонтированные в здании конструкции, как, например, поперечные стены боковых пристроек.

Предварительно напряженные железобетонные висячие оболочки сооружают в следующей последовательности: выполняют замкнутый опорный контур, к нему крепят ортогональную сетку из стальных канатов, по которым затем укладывают железобетонные плиты. Для исключения появления растягивающих напряжений в оболочке осуществляют дополнительное натяжение канатов с усилием, которое должно превышать на 25% суммарную нагрузку от собственной массы покрытия и полезной нагрузки. После замоноличивания швов между плитами и набора бетоном необходимой прочности оболочка начинает работать как пространственная система.

Технологическую последовательность возведения предварительно напряженной вантовой оболочки рассмотрим на примере сооружения с пролетом 48 м. Висячие ванты образуют поверхность двоякой кривизны. Ванты закрепляют к опорному контуру и по ним укладывают сборные железобетонные плиты размером 2,4 х 2,4 м, швы между плитами замоноличивают. Байтовая система из спаренных канатов диаметром 52,5 мм образована пересекающимися под прямым углом канатами, соединенными в местах пересечения металлическими накладками на болтах. Для крепления к опорному контуру и возможности натяжения на концах канатов устанавливают гильзоклиновые зажимы.

Доставленные на объект ванты объединяют попарно, к ним прикрепляют вертикальные подвески. Поднимают ванты при синхронной работе двух кранов с применением траверс специальной конструкции. Концевые участки объединенных вант с гильзоклиновыми зажимами заводят в отверстия железобетонного контура и после монтажа всех вант осуществляют их натяжение ступенями, в определенной последовательности, исключающей перегрузку контура.

Размещено на http://www.allbest.ru/

После натяжения и геодезической выверки канаты соединяют в местах пересечения и осуществляют натяжение вертикальных подвесок. Только после этого в квадратные ячейки, образованные вантами, монтируют железобетонные плиты, имеющие по два опорных элемента на каждой стороне. Для соединения канатов в узлах и укладки железобетонных плит для рабочих используют передвижные мостики и автовышки.

В швы между плитами укладывают арматуру. Перед замоноличиванием швов ванты вновь натягивают гидравлическими домкратами, чем создают требуемое предварительное натяжение вантовой системы. После достижения бетоном проектной прочности вертикальные подвески снимают. Смонтированная система включается в самостоятельную работу, приходит время устраивать кровельное покрытие.

Системы могут быть однопролетными или многопролетными. Последние более экономичны, так как опорные конструкции располагаются только по внешним опорным осям системы и их влияние на общий расход материалов системы уменьшается.

Промежуточные стойки целесообразно проектировать с шарнирным закреплением в фундаментах, качающимися, чтобы при неравномерной нагрузке в пролетах на стойку не передавались горизонтальные усилия.

3.2 Системы эллиптические или овальные

Для них обычно применяют системы перекрестных вант или вантовых ферм. Они могут быть разнообразны по очертанию и кривизне поверхности и по конструкции опорных элементов.

После укладки и закрепления сверху вант или вантовых ферм элементов покрытия образуется единая висячая монолитная конструкция, работающая как единое целое только после проектного натяжения вантовой сети и замоноличивания швов между плитами и вантами.

Висячая оболочка подвергается значительному растяжению, поэтому в ней могут возникнуть трещины. Для уменьшения деформаций покрытия и во избежание появления трещин оболочку обычно предварительно напрягают следующими способами:

натяжением домкратами на затвердевший бетон оболочки; в этом случае ванты располагают в каналах или гибких трубках и после натяжения каналы заполняют раствором под давлением;

натяжением пригрузкой с передачей усилий на опорную конструкцию; груз укладывают на незамоноличенные плиты или подвешивают к покрытию снизу. Оболочка сжимается после достижения бетоном замоноличивания необходимой прочности.

Для оболочек и опорных конструкций используют бетон класса В15...В35, для плиты оболочки -- не ниже В25. Для вант применяют арматурные стержни периодического профиля, упрочненные вытяжкой, арматурные пучки и пряди из высокопрочной проволоки, стальные канаты.

3.3 Круглые в плане системы

Для них используют радиально расположенные в плане ванты или вантовые фермы. При равномерной, осесимметричной нагрузке на покрытие они не вызывают изгиба в сжатом наружном кольце и оказываются весьма эффективными по своим технико-экономическим показателям благодаря полному использованию специфики материалов -- растянутые ванты и сжатое опорное кольцо. В круглых в плане зданиях идет взаимное погашение усилий в наружном опорном кольце, которое и рассчитано на сжимающие усилия. Для тех же целей в круглых зданиях применяют вантовые фермы, состоящие из несущих и стабилизирующих вант, соединенных в пространственную систему стойками с шарнирными узлами примыкания.

Круглые системы можно проектировать однопролетными или многопролетными в виде двух и более концентрических окружностей в плане. Промежуточные опорные кольца работают на разность усилий, передаваемых вантами смежных кольцевых пролетов.

4. Конструктивные формы вантовых покрытий

Вантовые покрытия можно применять для покрытий зданий практически любого очертания в плане. Вантовые покрытия могут различаться по конструкции заполнения покрытия (легкие или тяжелые покрытия) и по геометрической форме поверхности (цилиндр, конус, эллипсоид, гиперболический параболоид, складки и т.п.). В качестве определяющих признаков различных конструктивных форм приняты кривизна поверхности покрытия и тип тросовой системы.

4.1 Система из одиночных тросов

Несущая конструкция покрытия состоит из параллельно расположенных растянутых элементов (тросов), образующих вогнутую поверхность. Для системы этого типа необходима тяжелая конструкция заполнения покрытия. Заполнения выполняют преимущественно из кессонированных сборных железобетонных плит. При малых пролетах покрытия бетонное заполнение может быть без предварительного напряжения. При больших пролетах необходимо предварительное напряжение бетона для ограничения трещинообразования, одновременно ограничивается деформативность конструкции.

Вантовые покрытия с параллельными одиночными тросами применяют для прямоугольных в плане зданий .

4.2 Двухпоясные вантовые системы

Несущие элементы таких систем состоят из несущего и стабилизирующего тросов. Двупоясные системы выполняют обычно в виде тросовых ферм, в которых несущий и стабилизирующий тросы связывают между собой стержнями круглого сечения или тросовыми растяжками .

Преимущества двухпоясных вантовых систем в том, что загруженной собственным весом покрытия тросовой ферме предварительным напряжением можно придавать очертания, соответствующее веревочной кривой для преобладающей временной нагрузки, при этом существенно ограничивается деформативность конструкции. Тросовые фермы отличаются высоким значением декремента затухания колебаний и, следовательно, достаточной надежностью при динамических воздействиях.

Оптимальная величина стрелы провеса (подъема) поясов тросовых ферм для верхнего пояса составляет 1/17 - 1/20, для нижнего пояса 1/20 - 1/25 соответствующего пролета.

4.3 Системы из одиночных тросов

Покрытия этого типа могут быть в плане различного очертания, чаще всего их выполняют с круговым планом. Растянутые элементы (тросы) располагают радиально, реже - по хордам. Круговое покрытие в форме вогнутой поверхности вращения ограничиваются по контуру сжатым опорным кольцом. Радиальные тросы, усилия в которых одинаковы при равномерной нагрузке, прикрепляются в середине к растянутому центральному кольцу . Устанавливая в центре опору, получают шатровое вантовое покрытие .

Заполнение покрытия выполнено из кессонированных сборных железобетонных плит трапециевидного очертания различных размеров.

Вантовые покрытия из одиночных тросов часто применяют и для перекрытия эллиптических планов. Недостаток этого типа покрытий состоит в том, что усилия в тросах при равномерной нагрузке оказываются неодинаковыми, вследствие чего в наружном кольце возникают и сжимающие усилия, и изгибающие моменты. В еще большей степени проявляется этот недостаток в покрытиях с прямоугольным планом. Известны покрытия круглые в плане с применением вантовой фермы Яверта: вантовое покрытие, включающее несущий и стабилизирующий пояса, образующие собой вантовые сети с четырехугольными ячейками, смещенными в плане относительно друг друга, и объединенные зигзагообразными раскосами в пересекающиеся наклонные вантовые фермы с треугольной геометрически неизменяемой решеткой, отличающееся тем, что несущий и стабилизирующий пояса, а также соединяющая их раскосная решетка выполнены непрерывными зигзагообразными вантами, которые пропущены через установленные в углах ячеек вантовых сетей соединительные элементы замкнутого профиля с криволинейной внутренней поверхностью, с образованием между ними участков взаимно пересекающихся наклонных вантовых ферм. Пояса которой объединяет наклонная треугольная раскосная решетка. Недостатком фермы Яверта является большой собственный вес, сложность сборки и трудоемкость монтажа.

4.4 Двухпоясные системы

При конструировании таких систем используют те же принципиальные решения, что и для двухпоясных систем одинарной кривизны или покрытий двоякой кривизны из одиночных тросов.

Некоторые формы круговых двухпоясных систем показаны на ; возможны и комбинированные системы из радиальных и параллельных вантовых ферм.

4.5 Перекрестные системы (тросовые сетки)

Эти сетки образуются двумя взаимно ортогональными семействами параллельных тросов (несущих и стабилизирующих); поверхность покрытия при этом имеет седловидную форму.

Применение перекрестных систем дает архитекторам возможность создавать весьма разнообразные формы вантовых покрытий .

Для перекрестных вантовых систем оптимальная величина стрелы подъема стабилизирующих тросов составляет 1/12 - 1/15 пролета, а стрелы провеса несущих тросов 1/25 - 1/75 пролета.

Перекрестные вантовые системы сочетаются с легкими кровельными покрытиями, в качестве, которого часто применяют сборные плиты из легкого бетона или армоцемента.

Ввиду малого собственного веса покрытий из тросовых сеток существенное значение приобретает ветровая нагрузка. Существует опасность появления флаттера (динамической неустойчивости) таких покрытий, особенно при малой кривизне.

Конструкции этого типа характеризуются повышенной чувствительностью к температурным воздействиям. Для них опасны также динамические нагрузки, особенно при больших пролетах.

Струнное покрытие состоит из параллельно расположенных стальных струн (диаметром до 5 мм), которые натягивают между жесткими (неподвижными) торцевыми конструкциями. Чтобы ограничить прогибы струн и предотвратить их поднятие при ветровом отсосе, струны подкрепляются в пролете балками или фермами, располагаемыми с шагом до 12 м. Такая конструкция и может быть использована для протяженных в плане покрытий железобетонных платформ, складов и промышленных зданий.

Другой возможный тип конструкции покрытия - ортогональная тросово-балочная сетка, образованная семейством тросов и семейством перпендикулярных к ним жестких балок .

Высокие прочности свойств тросов эффективно используются в разного рода плоскостных и пространственных конструкциях из стали или железобетона с вантовыми подвесками .

большепролетный вантовый покрытие ортогональный

5. Возведение покрытий с вантами

Гараж в Петербурге выполнен круглым в плане, наружный диаметр 102 м, несущая конструкция состоит из 108 вант диаметром 40 мм, внутреннее стальное кольцо диаметром 9 м опирается на стальную колонну диаметром 1,5 м; наружное кольцо -- из сборного железобетона.

Муниципальное здание в г. Утика (США) в плане круглое диаметром 73 м. Покрытие образовано 72 радиально расположенными Байтовыми фермами со сжатыми стойками. Центральный барабан представляет собой два плоских стальных кольца диаметром 6 м со стойками между ними. Для монтажа покрытия был применен раздельный метод работ, при котором первоначально на установленную центральную монтажную башню монтировали нижнее металлическое кольцо и осуществляли навеску нижних тросов. Затем на нижнем кольце монтировали верхнее кольцо и навешивали верхние тросы. Далее с помощью раздвижки внутренних колец домкратами создавалось частичное натяжение системы. После этого на проектных отметках установили 504 распорки между верхними и нижними тросами и окончательное натяжение системы осуществляли домкратами со стороны наружного опорного кольца.

В качестве примера уменьшения внутренних напряжений можно привести построенный в Калининграде Дворец спорта, выполненный прямоугольным в плане. В нем сжимающие усилия в вантах воспринимают два ряда трибун, поэтому продольные ванты оказались не нужны. Покрытие было выполнено в виде жесткой опрокинутой арки. В вантовой ферме несущим принят нижний канат, а верхний -- стабилизирующим, на нем закреплены металлические прогоны-связи, по которым уложен и зафиксирован настил из легких асбестоцементных листов покрытия.

6. Компьютерный анализ нелинейной работы вантового покрытия при различных сочетаниях нагрузок и воздействий

Расчет и исследование напряженно-деформированного состояния пространственного двухпоясного радиального вантового покрытия многофункционального спортивно-зрелищного комплекса “Минск-Арена” выполнены на основе метода конечных элементов в нелинейной постановке как единой пространственной нелинейно деформируемой системы. Вантовые покрытия подобного типа характеризуются повышенной деформативностью вследствие больших упругих деформаций вант, выполненных из высокопрочной стали, и кинематических перемещений, свойственных мгновенно-жестким системам и проявляющихся при изменении характера нагружения. Кроме того, ванты и другие гибкие элементы не способны работать на сжатие и изгиб и должны рассматриваться как односторонние связи. Таким образом, расчет покрытия велся с учетом геометрической и конструктивной нелинейности итерационными и шаговыми методами.

Для моделирования вант и кольцевых связей использовались геометрически и конструктивно нелинейные конечные элементы, работающие только на растяжение (гибкие нити). Стержни опорных рам, стойки вантовых ферм и центральные металлические кольца моделировались изгибно-жесткими стержнями и пластинчатыми элементами, железобетонные конструкции наружного опорного кольцевого контура - четырехугольными элементами оболочечного типа. На рис. 1 приведен общий вид принятой к расчету пространственной вантово-пластинчато-стержневой конечно-элементной модели покрытия. Модель имеет более 100 тыс. узлов и более 56 тыс. элементов и рассматривается как единая нелинейно деформируемая система. Количество уравнений, совместно решаемых на каждой итерации (каждом шаге), достигает 370 тыс.

При исследовании вантового покрытия учтены различные сочетания нагрузок и воздействий. Установлено 7 видов загружения. К первому загружению отнесен собственный вес вантовых ферм, кольцевых связей и центральных металлических колец. В качестве второго принято предварительное напряжение вантовой системы. Третье загружение включает в себя постоянные нагрузки от веса металлических плит покрытия, утеплителя и кровли. К четвертому относятся длительные временные нагрузки от подвесного оборудования (трубопроводы, рекламные щиты, ходовые мостики для обслуживания, видеотабло, светотехническая и акустическая аппаратура). При этом учтено разное расположение нагрузки от оборудования, необходимого при создании боковой сцены для проведения концертов и центральной сцены для эстрадно-циркового шоу. Пятое и шестое загружения соответствуют равномерной осесимметричной снеговой нагрузке и односторонней неравномерной нагрузке при переносе снега ветром. В седьмом загружении учтены температурные воздействия.

Для подготовки исходных данных, необходимых для исследования вантового покрытия, на компьютере выполнен предварительный приближенный расчет по методике Н.С. Москалева, принятой в Рекомендациях по проектированию висячих конструкций, разработанных ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко.

Для формирования вант применены 7-проволочные пряди француз-
ской фирмы “Фрейссине” по стандарту pr EN 10138-3 класса 1860 с расчетным сопротивлением 840 МПа. Пряди имеют высокую степень антикоррозионной защиты с простым, удобным в работе и надежным анкерным креплением с помощью цапф. Предварительным расчетом установлено, что несущие ванты должны состоять из 27 прядей сечением 4050 мм2, а стабилизирующие - из 7 прядей сечением 1050 мм2. Усилия предварительного натяжения стабилизирующих вант должны быть не менее 50 тс. В дальнейшем это усилие принято равным 51 тс. Для поясов центрального нижнего кольца применена сталь класса С390 (10ХСНД) толщиной 50 мм и общей шириной полос 1120 мм, для верхнего кольца - такой же ширины толщиной 25 мм. Стойки вантовых ферм имеют трубчатое сечение диаметром 159 мм и толщиной стенки 5 мм. Усилия в стойках небольшие, и их сечение определено из условия предельной гибкости.

Три ряда кольцевых связей из арматурной стали класса S500 диаметром 25 мм предусмотрены для обеспечения устойчивости вантовых ферм в покрытии и для перераспределения усилий между ними при действии неравномерных нагрузок. Расстояние между точками крепления связей варьируется от 12 до 14 м. При осесимметричных воздействиях гибкие кольцевые связи не работают - выключены. Только при неравномерных нагрузках в части кольцевых связей возникают растягивающие усилия. Тем самым обеспечивается пространственная работа вантовой системы: усилия в более нагруженных фермах перераспределяются между менее нагруженными.

Окончательные расчеты вантового покрытия выполнены в нелинейной постановке с учетом истории нагружения при помощи программных комплексов “LiraW9.2” , “ANSYS” , “COSMOS/M”, а также авторского программного комплекса “RK5” . Расхождение в значениях усилий и перемещений, полученных по разным программным продуктам, оказалось незначительным и составило не более 3%. Максимальные расчетные усилия в несущих вантах в местах крепления к железобетонному опорному кольцу при полной расчетной нагрузке с учетом осесимметричной снеговой и коэффициента надежности по назначению гn = 1,2 достигают 300 тс. Усилия в несущих вантах в точках закрепления к внутреннему металлическому кольцу составляют 278 тс. В стабилизирующих вантах при действии внешней нагрузки начальные растягивающие усилия предварительного натяжения значением 51 тс могут снижаться до 12 тс.

При воздействии на вантовое покрытие расчетной нагрузки с учетом односторонней неравномерной снеговой наибольшие усилия в несущих вантах достигают значения 222 тс. Исследования показали, что отказ (разрушение) одной из несущих вант не приводит к прогрессирующему обрушению вантового покрытия. В этом случае усилия в смежных несущих вантах увеличиваются до 325 тс, а нормальные напряжения могут достигать величины 800 МПа, что не превышает расчетного сопротивления. Проведенные исследования выявили особенность вантового покрытия, заключающуюся в том, что тепловые воздействия не приводят к существенному изменению усилий в вантах, а сказываются только на перемещениях узлов. Незначительное влияние на работу вантового покрытия (в сторону снижения усилий в вантах) оказал и учет податливости наружного опорного контура и особенно нижележащих опорных конструкций.

Вертикальные перемещения центральных металлических колец при действии постоянной нормативной нагрузки составляют от 1160 до 1190 мм по отношению к начальному монтажному состоянию, а с учетом длительной временной и осесимметричной снеговой доходят до 1360-1390 мм. Односторонняя неравномерная снеговая нагрузка не приводит к увеличению вертикальных перемещений центральных колец, но создает их горизонтальные перемещения до 27 мм.

Центральные металлические кольца напряжены неодинаково. В верхнем кольце наибольшие растягивающие напряжения 70 МПа возникают при создании предварительного напряжения вантовой системы. При опускании временной монтажной башни и возрастании внешних нагрузок напряжения в кольцевых пластинах уменьшаются и при полной расчетной нагрузке с осесимметричной снеговой составляют 50 МПа. В нижнем кольце при этой нагрузке растягивающие кольцевые напряжения доходят до 200 МПа. При обрыве одной из вант напряжения в кольце возрастают.

Наружные опорные железобетонные кольца (наклонное верхнее, цилиндрическое вертикальное и горизонтальное нижнее) также нагружены неодинаково. Наибольшие усилия и напряжения возникают в верхнем кольце. При полной расчетной нагрузке с осесимметричной снеговой кольцо очти равномерно сжимается. Нормальные сжимающие напряжения в бетоне не превышают 7,2 МПа (с учетом коэффициента гn = 1,2). При односторонней неравномерной снеговой нагрузке или отказе одной из несущих вант максимальные нормальные напряжения в бетоне увеличиваются до 8,4 МПа. В нижнем железобетонном опорном кольце под действием усилий в стабилизирующих вантах возникают незначительные напряжения в бетоне (до 3,6 МПа).

Нормативные документы не ограничивают значений прогибов вантовых конструкций. Тем не менее исследован отклик покрытия на временные нагрузки и выполнена оценка его жесткости (деформативности). За отсчетное состояние было принято состояние вантовой системы под действием постоянной нормативной нагрузки после укладки кровли. Временные нагрузки, увеличивая провисание покрытия, уменьшают усилия в стабилизирующих вантах, что приводит к деформированию кровли. Приращение провисания центральных колец при этом может достигать значения 200 мм, или 1/580 пролета, а относительная деформация стабилизирующих вант - e = 0,0006.

Горизонтальные перемещения узлов верхнего и нижнего поясов безраскосных вантовых ферм имели место на всех этапах деформирования как при осесимметричных нагрузках , так и при односторонних . Но особенно влияние горизонтальных перемещений при односторонней снеговой нагрузке проявляется в области перекрещивания стабилизирующей и несущей вант у коротких стоек , где плиты покрытия должны опираться одной стороной на несущую, а другой - на стабилизирующую ванту. Взаимные смещения узлов несущей и стабилизирующей вант в этом месте достигали значения порядка 90 мм как в сторону сближения, так и в сторону расширения в зависимости от положения временной неравномерной нагрузки. Данное обстоятельство вынудило принять специальное конструктивное решение для плит покрытия в этом месте с целью обеспечения бездефектной работы кровли в период эксплуатации.

Список литературы

1) Здания с большепролетными покрытиями. А.В. ДЕМИНА. Учебное пособие. Издательство ТГТУ 2003

2) Руле, Г. Пространственные покрытия (конструкции и методы возведения). 2 том. М.: Стройиздат, 1974

Размещено на Allbest.ru