23. Висячие покрытия общие положения

23.1. Висячими называются покрытия, в которых пролетные конструкции, непосредственно несущие нагрузку, представляют собой нити, т. е. гибкие криволинейные растянутые стержни, закрепленные за опоры. Нити могут обладать изгибной жесткостью, в этом случае их называют жесткими нитями. Если начальная длина нити равна или меньше расстояния между опорами, то такую нить называют струной или предварительно напряженной струной. Если струна не несет поперечной нагрузки, ее называют вантой или оттяжкой.

23.2. Поверхности покрытия рационально придавать ту форму, которая соответствует равновесию образующих ее нитей под полной нагрузкой. Например, если нити расположены в плане параллельно друг другу, то покрытие будет опираться на них лентами постоянной ширины, полную нагрузку можно принять постоянной по пролету, кривизна нитей тогда будет постоянной, а очертание - параболическим. Если нити расходятся радиальноиз какого-либо узла, то интенсивность нагрузки и, следовательно, кривизна нити будет расти пропорционально расстоянию от узла, и естественной формой их кривой будет кубическая парабола. Поэтому форма поверхности не может быть любой, а будет зависеть от формы кривых нитей, ее образующих. Возможно форму самой кровли несколько видоизменить по желанию, введя между кровлей и нитями специальную надстроенную конструкцию.

3. Пролетная конструкция может быть выполнена в виде:

а) сеток из нитей, расположенных параллельно друг другу, ортогонально, гексагонально, косоугольно, радиально и т. д.;

б) систем плоских или пространственных (рис. 51,52);

в) ванто-балочных систем;

г) оболочек железобетонных висячих;

д) систем комбинированных; возможны двухпоясные покрытия (рис.53).

Рис. 51. Виды систем и опорных контуров

а - радиальная система на контуре, круглом в плане; б - система параллельных нитей на плоском прямоугольном контуре; в, г - седловидные сетки на криволинейных контурах; д-ж - висячие системы и контуры зданий, квадратных в плане; з - висячая система на двух диагональных арках

23.4. Неотъемлемой частью висячего покрытия является опорная конструкция, воспринимающая усилия прикрепленных к ней нитей. В качестве опор желательно назначать те элементы здания, которые уже имеются в его конструктивном решении. Например, несущие стены, перекрытия, рамные конструкции пристроек, “ноги” трибун и т.д. Кроме того, это могут быть специальные конструкции: опорные балки, опорные контуры, рамы, оттяжки, закрепленные за анкерные фундаменты, пилоны.

Рис. 52. Покрытия

а - ванто-балочное; б - радиально-кольцевое шатровое; в - ячеистое

Рис. 53. Двухпоясные покрытия

а - виды систем; б - примеры радиальных покрытий

23.5. Форму контура в пространстве следует выбирать таким образом, чтобы изгибающие моменты в нем, вызванные воздействием нитей, были минимальными. В овальных зданиях это достигается за счет подбора кривой оси, соответствующей кривой давления. В прямоугольных зданиях выгоднее нити направлять в углы контура. Возможно применение диагональных арок, поддерживающих нити покрытия. Сами контуры могут покоиться на стенах или частых опорах, но могут передавать нагрузку на отдельные пилоны.

23.6. Сети, образованные из провисающих нитей (чаши), обладают наибольшей несущей способностью. Для повышения стабильности в чашеобразных и цилиндрических покрытиях не рекомендуется превращать их в предварительно напряженные железобетонные оболочки, что сильно увеличивает массу и усложняет возведение. Желательно применять сетки, состоящие из жестких нитей. Это решение позволит значительно снизить массу покрытая, применить легкий сборный настил и упростить возведение. Положительной особенностью гексагональных сетей, кроме того, является равенство распоров в стержнях при нагрузках произвольного вида, что делает опорный контур практически безмоментным. Жесткие нити проще всего изготовлять из проката, желательно из стали повышенной прочности.

23.7. Рационально применять совместно два вида нитей - систему жестких нитей и натянутую на них сетку из высокопрочных стальных канатов. Седловидные покрытия обладают меньшей несущей способностью, чем чашеобразные, зато они более стабильны. Эти свойства позволяют использовать в качестве нитей седловидных систем высокопрочные тросы и применять эластичные кровли, например тентовые. Рекомендуется применять металлические или деревянные настилы.

Чем меньше разница между начальной длиной нити и расстоянием между опорами, тем меньше возможные кинематические перемещения нити под нагрузкой. Но упругие прогибы при этом могут расти. Используя эти свойства, можно применять струнные конструкции, причем для протяженных многопролетных зданий струны рационально направлять в продольном направлении и стабилизировать поперечными балками. Для квадратных и овальных в плане однопролетных покрытий зданий из струн рационально образовывать сетку, позволяющую пространственное перераспределение нагрузки между струнами.

23.8. Деформативность висячего покрытия под действием временных нагрузок не должна превышать пределов, допустимых для данной принятой конструкции кровли, из условия сохранения ее герметичности. Особенно важно ограничить изменение кривизны покрытия как вдоль, так и поперек пролета от действия местной нагрузки. Чем хрупче материал и конструкция кровли, тем жестче или натянутой должны быть несущие нити. Гибкие, эластичные настилы предпочтительнее. Применяя жесткие плиты и панели, надлежит обеспечивать герметичность стыков, которая достигается применением жестких нитей, укладкой на. них настилов, плит или панелей по неразрезной схеме, применением нащельников, предварительным напряжением.

РАСЧЕТ

23.9. Расчет отдельной нити на прочность рекомендуется производить, задаваясь пролетом нити l, шагом и стрелкой провеса f под расчетной нагрузкой.

Для заданной нагрузки q расчетное усилие распора определяется по формуле

, (159)

где h - разница уровней опор;

f - угол наклона касательной нити у нижней опоры (рис. 54).

Рис. 54. К расчету нити на прочность

Если опоры расположены на одном уровне, формула (159) приобретет вид

, (160)

где М - изгибающий момент от расчетной нагрузки q в свободно опертой балке пролетом l.

Расчетное усилие Т определяется по формуле

, (161)

где Q - поперечная сила (реакция) у более нагруженной опоры.

Требуемое сечение нити А определяется по формуле

,

где g_c - коэффициент условий работы;

R_y - расчетное сопротивление металла нити.

Расчет по недеформированной схеме позволяет получить не только расчетное усилие и требуемое сечение нити, но, при известном модуле упругости Е определить растяжимую жесткость ЕА и, следовательно, начальную длину нити (заготовки) и рассчитать монтажную (начальную) геометрию нити, исходя из которой при расчетной нагрузке она займет принятое расчетное положение.

23.10. При расчете на прочность системы или сетки сопряженных нитей можно, как и для отдельной нити, задаться стрелкой и определить усилие в нити от полной нагрузки. Но это усилие будет максимальным (расчетным) только для тех сеток, несущие нити которых не пересекаются, например, в цилиндрических или седловидных покрытиях. В чашеобразных покрытиях все нити будут несущими, и если они пересекаются, то максимальное усилие в нити вызывает не полная нагрузка на покрытие, а та, которая расположена вдольнити. Остальные нити при этом должны быть нагружены минимально - только весом покрытия. Расчет систем обычно производится на ЭВМ.

23.11. Расчет висячего покрытия на деформации и перемещения производится для проверки системы покрытия на пригодность к эксплуатации.

Для гибких конструкций сетей свойственны перемещения по трем осям координат: и - вдоль данной нити; v - поперек данной нити; w - в вертикальном направлении.

Эти перемещения могут быть большими из-за большой растяжимости и кинематичности нитей. Висячие конструкции следует проверять по первым и вторым производным перемещений:

(162)

Полученные величины от местных нагрузок необходимо сравнивать с допустимыми для данной конструкции кровли с точки зрения ее герметичности. Если к кровле подвешивается оборудование, трубопроводы, кабели, то необходимо проверить их целостность. Повышение стабильности достигается за счет введения предварительного напряжения системы, применения жестких нитей, включения в работу настилов. Для небольших пролетов допускается применять висячие железобетонные оболочки.

Расчет сложных висячих систем следует производить с учетом податливости контура и нелинейности. Как правило, расчет производится на ЭВМ. В простейших случаях для расчета перемещений отдельной нити можно воспользоваться следующими формулами для вертикальных перемещений нити и их производных от действия произвольной вертикальной нагрузки q_i:

;

;

,

где M_i, Q_i - соответственно изгибающий момент и поперечная сила в данной точке пролета х;

М_о, Q_o, q_o - соответственно изгибающий момент, поперечная сила и интенсивность нагрузки исходного состояния, относительно которого определяются перемещения;

Н_i, Н_о - соответственно распоры для нагружений q_i и q_о; если Н_i неизвестен, то его определяют по формуле

,

здесь D_i - характеристика нагрузки, равная ;

a - коэффициент температурного расширения;

t° - изменение температуры, град;

S,l - соответственно длина и пролет нити;

- поправка на кривизну;

DS, Dl - соответственно удлинение нити и уменьшение пролета, вызвавшие изменение распора (Н_i-Н_o),

h - разница уровней опор.

Упругий провес нити (рис. 55) определяется следующим образом.

Рис. 55. К расчету нити на упругий провес

Если к начальной нагрузке постоянной интенсивности g прибавить нагрузку постоянной интенсивности р, то начальная стрелка нити получит приращение Df, определяемое по формуле

,

где

.

При загружении нагрузкой постоянной интенсивности половины пролета (рис. 56) прогиб нити w в четвертях пролета будет равен

;

где Df- упругий провес;

.

Горизонтальные перемещения нити и в точке х определяются как разность длины нити на данном участке Ох до и после загружения:

u = (S_xo - S_xi + DS_x)cosj,

где DS_x - удлинение нити на участке Ох;

j - угол наклона касательной в точке х (рис. 57).

Рис. 56. К расчету нити на загружение полупролета

Рис. 57. К расчету нити на горизонтальные перемещения