Тросовые фермы (система Верта)

Московский  архитектурный институт

(государственная  академия) 
 
 

РЕФЕРАТ

на тему: 
 
 
 
 

«Тросовые фермы (система Верта»

» 
 
 

Выполнила:

студентка экстерната

5 курса 10 группы

Забава  Е.О. 

Преподаватель:

Макаров Г.П. 
 
 
 
 

Москва 2011 г.

 

      Введение 

     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. 

       

 

      Конструкция покрытия состоит из двух наклонных железобетонных арок параболического  очертания, между которыми натянуты продольные и поперечные стальные канаты. Наибольшая собственная масса покрытия (около 30 кг на 1 м), низкая стоимость сооружения и выразительность седлообразной формы поверхности привлекли внимание многих стран. Такая форма покрытия нашла широкое применение в общественных сооружениях, в том числе и в СССР (киноконцертный зал «Украина» в Харькове, певческая эстрада в Талине, летний кинотеатр в Баку, эстрада в Паланге и др.).

     В 1953 г. по проекту архитектора Шеллинга был перекрыт зрелищный зал в г. Карлсруэ (ФРГ). В плане зал имеет эллиптическую форму с размерами по осям 75,5X48,6 ,м. Покрытие решено с наружным опорным кольцом, изогнутым в вертикальной плоскости на 6 м и опирающимся на железобетонные стойки. Байтовая сеть образует седлообразную форму покрытия, по большой оси канаты провисают, в поперечном направлении они имеют обратную кривизну. 

       

     Первое  вогнутое радиальное покрытие появилось  в 1956 г. Оно было применено по проекту  архитектора Риоса в Монтевидео (Уругвай) для стадиона круглой формы  в плане диаметром 94 м. Жесткость  покрытия была обеспечена предварительным  напряжением кровли путем временного пригруза железобетонных плит кирпичом.

     В 1968 г. на Всемирной выставке в Брюсселе по проекту архитектора Стоуна павильон США был перекрыт двухпоясной  радиальной, вантовой системой. В плане  павильон имел круглое очертание  Диаметром 104 .м. Система стальных канатов передавала распор на наружное кольцо и центральный барабан диаметром 20 м и высотой 8,5 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. 

 

      Основная часть 

     В литературе имеются разнообразные  предложения по классификации покрытий, которые охватывают различные признаки: геометрию поверхности, форму сооружения в плане, конструктивную схему вант, материал покрытия, характер обеспечения жесткости и т. п. Поскольку практически любое висячее покрытие состоит из пролетной части и опорного контура, то целесообразно делить покрытия в зависимости от конструктивных и статических особенностей на следующие основные схемы:

• висячие оболочки,
• винтовые покрытия,
• висячие фермы и балки,
• мембраны,
• комбинированные системы,
• подвесные конструкции.

     Висячие оболочки образуются путем укладки  на ванты железобетонных, армоцементных или керамзитобетонных плит с последующим замоноличиванием швов вместе с вантами для обеспечения жесткости покрытия. Висячие оболочки образуются также при укладке монолитного бетона по вантам. По конструктивному решению все висячие оболочки являются однопоясными системами и имеют плоский опорный контур. Ванты в таких покрытиях располагают параллельно или радиально, в отдельных случаях возможно применение пересекающихся вант в виде провисающей сети. тросовый ферма верта конструкция покрытие

     Байтовыми считают такие покрытия, в которых  жесткость обеспечивается путем  использования системы несущих  и стабилизирующих вант, образующих двухпоясную конструкцию или  сеть. Вантовая сеть всегда имеет поверхность  отрицательной гауссовой кривизны. Вантовое покрытие может быть выполнено из нитей, натянутых как струны. После укладки элементов кровли вантовая система, как правило, продолжает работать без обеспечения совместной работы ограждающих элементов между собой и с опорным контуром. В висячей оболочке вантовую схему используют как промежуточную стадию при строительстве.

     Висячие фермы и балки представляют собой  жесткие ванты. Их используют для  стабилизации покрытий с легкой кровлей.

     Мембраны  являются висячими оболочками, и которых  несущая конструкция выполнена из тонколистового металла (стали или алюминиевого сплава).

     Комбинированные системы состоят из гибких вант и  жестких элементу. Жесткие элементы применяют для стабилизации формы  покрытия и распределения сосредоточенных  и неравномерных нагрузок на несколько несущих вант.

     Подвесные конструкции образуют комбинацией  внешних тросов и жестких балок  или ферм.

     Материалом  для вант в висячих покрытиях  служит сталь, которую применяют  в виде канатов, арматурных стержней и пучков из высокопрочной проволоки.

     Для сравнительно небольших пролетов используют ванты из арматурной стали периодического профиля классов A-III и A-IV. Максимальный диаметр стержневой арматуры для вант ограничен 40 мм.

     Весьма  широкое применение для вант получили канаты. Отечественная промышленность выпускает стальные канаты следующих видов:

• одинарной свивки (пряди, или спиральные);
• двойной свивки (тросовые), т. е. проволоки скручены в пряди, а пряди - в канаты;
• многократной свивки (кабельтовые).

     Для висячих покрытий в основном используют канаты одинарной и двойной свивки. В канатах с точечным касанием проволок (ТК) угол наклона свивки по слоям постоянный, поэтому шаг свивок по слоям разный и проволоки в них касаются одна другой в отдельных точках. В канатах с линейным касанием проволок (ЛК) шаг свивки во всех слоях пряди одинаковый. Эта особенность отражается на жесткости канатов: канаты типа ЛК являются более гибкими по сравнению с канатами типа ТК.

     Канаты изготовляют из высокопрочной проволоки с временным сопротивлением разрыву 1176, 1274, 1372, 1470, 1568, 1666, 1764, 1862 и 1960 МПа. Разрывное усилие каната меньше суммарного разрывного усилия проволок. В зависимости от конструкции каната эти потери составляют: 15-19%-для канатов типа ТК конструкции 1х37 и типа ЛК-Р конструкции 6x19; 20-25% для канатов типа ТЛК-РО конструкции 6х36. Витая структура каната снижает первоначальный модуль упругости каната при одинарной свивке на 15-35% и при двойной свивке на 50-65%.

     Для устранения неупругих деформаций и  повышения первоначального модуля упругости канаты необходимо подвергать предварительной вытяжке в течение примерно 2 часов с нагрузкой 65-76% разрывного усилия. После вытяжки модуль упругости для закрытых спиральных канатов составляет 167 ГПа, для спиральных канатов с металлическим сердечником - 147 ГПа и канатов с органическим сердечником -127 ГПа.

     Для вант из пучков используют высокопрочную проволоку, гладкую или периодического профиля диаметром 4-6 мм. Проволока меньших диаметров интенсивнее подвергается коррозии, проволока больших диаметров, труднее поддается обработке и имеет меньшие значения расчетного сопротивления.

     Статика вантовых систем

• Стабилизация пригрузкой (рис. 1, а)
• Двухпоясные системы (рис. 1,б)
• Перекрестные системы (рис. 1,в)

     Предварительное натяжение или пригрузка, как  и стабилизация отдельных тросов, - характерный признак вантовых конструкций. Чем больше предварительное натяжение, тем меньше при той же нагрузке деформация троса. Благодаря этому можно ограничить деформации вантовых систем, что они не превысят соответствующих величин для обычных (жестких) конструкций. Предварительное натяжение (пригрузка) значительно улучшает работу вантовых конструкций при динамических воздействиях.

     Различными  способами стабилизации отдельных  тросов можно создать вантовые системы  различных типов (рис. 2). Для однопоясных систем (рис. 2,а) необходимо устройство достаточно тяжелой конструкции покрытия; для двупоясных и перекрестных систем (рис. 2, б и в) можно применять легкие покрытия. Форма поверхности покрытия определяется принятым типом вантовой системы. При параллельном расположении отдельных тросов или тросовых ферм образуется поверхность одинарной кривизны; при радиальном их расположении либо при использовании перекрестной системы тросов - поверхность двоякой кривизны. 

     

1. 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.

     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 (рис.3).

     Двухпоясные вантовые системы. Несущие элементы таких систем состоят из несущего и стабилизирующего тросов, имеющих кривизну разног знака. Двупоясные системы выполняют обычно в виде тросовых ферм, в которых несущий и стабилизирующий тросы связывают между собой стержнями круглого сечения или тросовыми растяжками (рис. 4).

     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.

     На  рис. 5 показана схема покрытия с  тросовыми фермами на прямоугольном  плане. Такие покрытия можно применять  и для многопролетных зданий, поскольку  величина горизонтальных составляющих опорных реакций, передаваемых на анкерные фундаменты, не зависит от числа пролетов.