6 Вопрос
Висячие конструкции наряду с покрытиями из тонкостенных жестких оболочек являются наиболее экономичными конструкциями большепролетных покрытий. Такие покрытия применяют преимущественно для пролетов свыше 60 м в спортивных и зрелищно-спортивных зданиях, выставочных павильонах, аэровокзалах и т. д. Висячие конструкции выполняют из металла – тросов, прутков, тонколистовых мембран, сеток, металлических лент. Принципиальными особенностями, определяющими специфику висячих систем, являются их высокая деформативность и аэродинамическая неустойчивость.
Работа пролетного строения на растяжение обеспечивает максимальное использование несущей способности материала по сравнению с условиями его работы в изгибаемых или сжимаемых конструкциях. Именно это преимущество определяет минимальную массивность и экономичность пролетного строения. Однако минимальная массивность при больших (по сравнению с конструкционными сталями) относительных деформациях металла тросов, определяет и повышенную деформативность висячей системы – способность к кинематическим перемещениям при воздействии сосредоточенных нагрузок на покрытие и опасность потери общей устойчивости системы при ветровом относе – ее «выхлоп» в сторону, обратную провису. Для устранения этих недостатков предусматривают специальные меры, которые обеспечивают стабилизацию формы, но и удорожают конструкцию: увеличение массы покрытия, введение изгибножестких элементов в систему или ее предварительное напряжение.
Висячие конструкции представляют собой распорную систему и осуществление конструктивных мероприятий по восприятию распора является вторым удорожающим конструкцию фактором.
Чаще всего распор передают на опорный контур системы. Очертания опорного контура висячего покрытия образуются по линии пересечения поверхности покрытия с наружными стенами. Соответственно опорный контур может представлять собой плоскую или пространственную фигуру. Если это допускает конструктивно-планировочная схема здания, опорный контур проектируют замкнутым. В этом случае он воспринимает распор системы и передает на поддерживающие контур конструкции (стены, колонны) только вертикальные усилия.
По геометрическому признаку различают висячие конструкции с нулевой гауссовой кривизной поверхности (цилиндрические, консоидальные), положительной кривизной (поверхности переноса, сферы, параболоида вращения) и отрицательной кривизны (шатры, гипары, поверхности переноса).
По конструктивному признаку различают однопоясные покрытия из тросов и стержней, мембранные покрытия из стальных листов, покрытия из системы изгибно-жестких элементов, двухпоясные системы из тросов, вант и тросовых ферм, седловидные покрытия из сеток или металлических лент, комбинированные системы
Наибольшим архитектурным своеобразием и индивидуальностью обладают комбинированные формы покрытий.
Однопоясные конструкции проектируют со стрелой провиса от 1/17до 1/25 пролета и применяют для покрытий зданий с прямоугольной, круглой или эллиптической формой плана.
Покрытие над прямоугольным залом выполняют из системы параллельных стержней или тросов с кривой провиса в виде квадратной параболы, над круглым - из системы радиальных тросов с кривой провиса по кубической параболе. Покрытия над прямоугольным залом имеют вид опрокинутой цилиндрической оболочки. Покрытие над круглым залом с центральной опорой имеет форму шатра, без опоры - опрокинутой оболочки с поверхностью вращения (чаще параболоида). Покрытия с центральной опорой проектируют для зданий рынков и гаражей, без нее – для зрелищных, спортивных и выставочных залов.
Для всех случаев использования однопоясных покрытий стабилизацию формы
Более экономично решается передача распора в зданиях с круглой или обеспечивает пригруз тросов (или стержней) конструкцией покрытия из прямоугольных (для прямоугольных в плане зданий) или трапециевидных (для круглых зданий) железобетонных плит покрытия, которые с помощью арматурных выпусков крепят к тросам с последующим замоноличиванием швов эллиптической формой плана, позволяющей применить замкнутый опорный контур в виде железобетонного кольца.
Мембранные покрытия получили развитие в связи со становлением специализированных заводов металлических конструкций, изготовляющих на автоматизированных технологических линиях раскроенные по проекту тонколистовые (2–5 мм) рулонные заготовки шириной до 10 м и длиной на пролет. На строительстве рулоны раскрывают по специальной «постели» из направляющих. В качестве направляющих используют стальные полосы, балки или легкие висячие фермы, которые располагаются по направлениям главной кривизны и фиксируют проектную геометрическую форму поверхности покрытия. Элементы постели обеспечивают одновременно стабилизацию покрытия. Продольные края «лепестков» соединяют друг с другом шовной сваркой или высокопрочными болтами.
Висячие покрытия из изгибно-жестких элементов компонуют обычно из прямолинейных или провисающих двутавровых балок или стальных ферм, закрепленных по краям и воспринимающих растяжение и изгиб. Покрытие проектируют из системы параллельных или радиально расположенных балок (ферм). Ограждающей конструкцией служат легкие щиты покрытия, уложенные по верхним поясам изгибно-жестких элементов. Чаще всего в качестве ограждающей конструкции используют профилированный стальной настил.
Двухпоясные системы из расположенных в одной плоскости друг над другом поясов, соединенных вертикальными распорками или растяжками, используют преимущественно для покрытий круглых в плане зданий.
Верхний пояс обычно является стабилизирующим, нижний - несущим, растяжки или распорки обеспечивают совместную работу поясов и уменьшают кинематические перемещения. Уменьшению кинематических перемещений способствует также предварительное напряжение системы. Ограждающие конструкции покрытия устраивают из легких металлических щитов (панелей), утепленных теплоэффективными материалами. Утепляющие панели могут быть уложены по несущим или стабилизирующим тросам. Выбор места размещения ограждающей конструкции обусловливается условиями организации водоотвода (наружного или внутреннего) от центра к периферии покрытия.
Несущая система такого покрытия состоит из группы рабочих провисающих тросов и перпендикулярной им группы стабилизирующих тросов с изгибом вверх.
Покрытия из седловидных сеток устраивают над стационарными и временными сооружениями. В первых ограждающие конструкции покрытия выполняют из металлических панелей с эффективным утеплителем, во вторых – из тканевых или синтетических мягких оболочек, в том числе светопрозрачных. Система седловидных сеток может быть применена в качестве конструкции несущей при ограждающих элементах из металлических панелей, не участвующих в работе покрытия, или наоборот использована в качестве «постели» под стальное мембранное покрытие.
Конструктивный вариант рассматриваемой системы – двухслойные седловидные покрытия из тонких металлических лент. Такие покрытия предусматривают в зданиях с прямоугольным или эллиптическим планом при пролетах до 100 м. Конструкцию образуют два слоя лент – несущих и стабилизирующих, расположенных по линиям главных кривизн поверхности. Стыки стабилизирующих лент изолируют каучуковым герметиком. Между рабочими и стабилизирующими лентами размещают эффективный плитный утеплитель, обжимаемый при натяжении лент.
Комбинированные покрытия выполняют, сочетая разнообразные фрагменты висячих систем, например из двух или нескольких мембран в форме гипаров, или из сочетания висячей системы с жесткой.
Конструкция кровли по висячим покрытиям часто решается традиционно из утеплителя на мембране или железобетонных пригружающих плит со стяжкой по утеплителю и устройством гидроизоляционного ковра.
Пароизоляцию применяют в покрытиях по тросам или переплетенным лентам и выполняют из гидростеклоизола с нахлесткой кромок. В сплошных мембранных оболочках герметизируют только стыки между полотнищами и примыкания мембраны к опорному контуру. Для утепления используют эффективные плитные материалы плотностью не более 200 кг/м3 . Цементную стяжку, являющуюся также пригрузом системы, при толщине более 25 мм армируют ткаными сетками. Гидроизоляционный ковер выполняют из нескольких слоев рубероида или гидростеклоизола на основе стеклоткани. Верхний слой целесообразно выполнять из фольгоизола. Он улучшает внешний вид кровли и уменьшает ее радиационный нагрев. Могут быть применены также бесшовные мастичные кровли. Поскольку на отдельных участках покрытия встречаются крутые уклоны кровли, нужно закреплять ее от сползания.
Одна из наиболее сложных задач устройства ограждающих конструкций по висячим покрытиям – организация водоотвода. При однопоясных покрытиях на прямоугольном плане организуют наружный водоотвод, придавая больший провис тросам по торцам зданий.
При однопоясных покрытиях на круглом или эллиптическом плане низшая точка покрытия расположена в его центре, в связи с чем система водоотвода выходит в интерьер наклонными трубами, направленными к расположенным у наружных стен стояками внутреннего водоотвода.
Наклонные трубы частично или полностью скрывают подвесными каркасами для размещения светильников или подвесным потолком. Наиболее органично маскировка наклонных труб водоотвода решается в мембранных покрытиях, стабилизированных висячими или тросовыми фермами. В этих случаях по нижним поясам ферм устраивают подвесной потолок и в образовавшемся чердачном пространстве размещают не только наклонные трубы водоотвода, но и разводки других инженерных систем.
В покрытиях седловидными сетками по наклонным аркам водоотвод направляется к пониженным точкам в зоне пересечения арок.
Помимо большей экономичности висячих конструкций при больших пролетах перед другими пространственными конструкциями, их применение обеспечивает и большую экономичность объемно-планировочных решений зданий в целом. Это обусловлено провисающей формой покрытия, которая способствует образованию минимального объема внутреннего пространства и обеспечивает диффузность звукового поля, что способствует улучшению пространственной акустики залов.
Клееные большепролетные деревянные конструкции покрытий в последнее десятилетие получают все большее применение в архитектуре отечественных зданий различного назначения – крытых рынков, спортивных и выставочных залов. Наряду с традиционными для деревянных конструкций решениями несущих стержневых систем покрытий в виде балок, рам и арок освоены пространственные деревянные конструкции положительной и отрицательной гауссовой кривизны с поверхностью гиперболического параболоида и покрытия в виде висячих систем.
Однако наибольшее распространение получили системы, отвечающие преимуществам работы материала в сжато-изогнутых распорных конструкциях и учитывающие необходимость быстрого отвода атмосферных вод.
