Тросовые фермы (система Верта)

     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 (рис. 6,а). Устанавливая в центре опору, получают шатровое вантовое покрытие (рис. 6, б).

     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.  
 

 

      Складчатые радиальные покрытия с  вантовыми фермами

     а - система Яверта (раскосы условно  ас показаны); б - варианты складок при  вертикальном расположении вантовых Дерм

     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 рис. 7; возможны и комбинированные  системы из радиальных и параллельных вантовых ферм.

     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 (рис. 8).

     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 (рис. 9).

     Высокие прочности свойств тросов эффективно используются в разного рода плоскостных и пространственных конструкциях из стали или железобетона с вантовыми подвесками (рис. 10). 

1. Опорные конструкции вантовых покрытий

 

     Эти конструкции представляют собой  плоские либо пространственные рамы (стальные или железобетонные) со стойками постоянной или переменной высоты. Элементами опорной конструкции являются ригели, стойки, подкосы, тросовые оттяжки и фундаменты.

     Опорные конструкции должны обеспечивать размещение анкерных креплений тросов (вант), передачу реакций от усилий в тросах на основании сооружения и создание жесткого опорного контура покрытия для ограничения деформаций вантовой системы.

     Характер  действующих на опорную конструкцию  нагрузок от усилий в тросах зависит  от очертания покрытия в плане.

     В покрытиях с прямоугольным или  квадратным планом тросы (или тросовые фермы) обычно расположены параллельно друг другу. При этом горизонтальные усилия распора оказываются приложенными в верхних точках опорной конструкции.

     Варианты  решения несущих конструкций  и оснований (фундаментов):

• Передача распора через жесткие балки на торцевые диафрагмы (рис.11, а). Примером такой конструкции (рис. 12) является плавательный бассейн в Вуппертале, Германия (рис. 13).
• Передача распора на рамы, расположенные в полостях тросов (рис. 11, б). Примером конструкции является Городской зал в Бремене, Германия (рис. 14). На рис. 15 показаны массивные рамы опорной конструкции покрытия зала, расположенные с шагом 12,5 м и воспринимающие распор от несущих элементов висячего покрытия, выполненных из предварительно – напряженного железобетона.
• Передача распора через тросовые оттяжки (рис. 11, в). Конструкции несущих стоек и оттяжек вантового покрытия ледового стадиона «Юханнесхоф» в Стокгольме (рис. 16).

     В круговых покрытиях тросы или  тросовые фермы располагаются радиально. При действии на покрытие равномерно распределенной нагрузки усилия во всех тросах одинаковы, а наружное опорное кольцо равномерно сжато. В этом случае отпадает необходимость в устройстве анкерных фундаментов. При неравномерной нагрузке в опорном кольце могут возникать изгибающие моменты, которые необходимо учитывать и не допускать избыточных моментов.

     Для круговых покрытий применяют три  основных варианта опорных конструкций:

     − с передачей распора на горизонтальное наружное опорное кольцо;

     − с передачей усилий в тросах на наклонное наружное кольцо;

     − -с передачей распора на наклонные  контурные арки, опирающиеся на ряд  стоек, которые воспринимают вертикальные усилия от покрытия.

     Для восприятия усилий в арках их пяты опирают на массивные фундаменты, либо связывают затяжками.

 

2. Конструктивные элементы и детали вантовых покрытий

 

     Проволочные тросы (канаты).

     Основной  конструктивный материал вантовых покрытий – изготавливаются из стальной холоднотянутой проволоки диаметром 0,5 … 6 мм, с пределом прочности до 220 кг/мм». Различают несколько типов тросов:

     − спиральные тросы (рис. 17, а), состоящие из центральной проволоки, на которую спирально навиты последовательно в левом и правом направлении несколько рядов круглых проволок;

     − многопрядевые тросы (рис. 17, б, в), состоящие из сердечника (пенькового каната или проволочной пряди), на который навиты односторонней или перекрестной круткой проволочные пряди (пряди могут иметь спиральную свивку) в этом случае трос будет называться спиральнопрядевым;

     − закрытые или полузакрытые тросы (рис. 17, г, д), состоящие из сердечника (например, в виде спирального троса), вокруг которого навиты ряды проволок фигурного сечения, обеспечивающие их плотное прилегание (при полузакрытом решении трос имеет один ряд навивки из круглых и фигурных проволок);

     − тросы (пучки) из параллельных проволок (рис. 17, е), имеющие прямоугольное или многоугольное сечение и связанные между собой через определенные расстояния или заключенные в общую оболочку;

     − плоские ленточные тросы (рис. 17, ж, з), состоящие из ряда витых тросов (обычно четырех прядевых) с попеременной правой или левой круткой, связанных между собой одинарной или двойной прошивкой проволокой или тонкими проволочными прядями, требуют надежной защиты от коррозии. Возможны следующие способы антикоррозийной защиты тросов: оцинкование, лакокрасочные покрытия или смазки, покрытие пластмассовой оболочкой, покрытие оболочкой из листовой стали с нагнетанием в оболочку битума или цементного раствора, обетонирование.

     Окончания тросов должны быть выполнены таким  образом, чтобы обеспечивать прочность  окончания не меньше прочности троса  и передачу усилий от троса на другие элементы конструкции.

3. Концевое  крепление тросов

 

     Традиционный  вид концевого крепления тросов – петля со сплеткой (рис. 18,а), когда конец троса распускается на пряди, которые вплетаются в трос. Для обеспечения равномерной передачи усилия в соединении в петлю вкладывают коуш. По длине тросы сращивают также сплеткой, кроме закрытых соединений.

     Вместо  сплетки для скрепления и сращивания тросов часто применяют зажимные соединения:

     − запрессовывание обеих ветвей троса при петлевом креплении в овальную муфту из легкого металла, внутренние размеры которой соответствуют диаметру троса (рис. 18, б);

     − винтовые соединения, когда конец троса распускают на пряди, которые укладывают вокруг стержня с винтовой нарезкой, а затем запрессовывают в муфту из легкого металла (рис.18, в);

     − крепление посредством хомутов (рис. 18, ж), не рекомендуемых для напряженных тросов вантовых покрытий, так как они с течением времени ослабевают;

     − крепление тросов с заливкой металлом, когда конец троса расплетают, очищают, обезжиривают и помещают в коническую внутреннюю полость специальной муфты-наконечника, а затем заливают муфту расплавленным свинцом или сплавом свинца с цинком (возможна заливка бетоном);

     − клиновые крепления тросов, редко применяемые в строительстве;

     − стяжные муфты, применяемые для корректировки длины тросов при монтаже и их предварительного натяжения.

 

4. Анкерные узлы

 

     Анкерные  узлы служат для восприятия усилий в тросах и передачи их на опорные  конструкции. В предварительно - напряженных  вантовых покрытиях они используются также для предварительного натяжения тросов.

     На  рис. 19, а, показана анкеровка радиального троса кругового вантового покрытия в сжатом опорном кольце. Чтобы обеспечить свободное перемещение троса при изменении угла его наклона, в опорном кольце и примыкающей к нему оболочке покрытия устроены конические гильзы, заполненные битумом. Жесткое опорное кольцо и гибкая оболочка разделены деформационным швом. 

5. Покрытия  и кровли

 

     Вантовые  конструкции более деформативны, чем другие типы конструкций; поэтому и покрытие по вантам должно быть достаточно гибким, чтобы под нагрузкой в нем не образовывались трещины и не раскрывались швы. Кровли по вантовым покрытиям выполняются из стальных или алюминиевых листов, асфальтной или битумной массы, рубероида, технических тканей и т.п. В зависимости от назначения сооружения покрытие может быть теплым или холодным.