книги из ГПНТБ / Бобров, Ф. В. Сейсмические нагрузки на оболочки и висячие покрытия

Ч а с т ь II

СЕЙСМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА ВИСЯЧИЕ ПОКРЫТИЯ

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Отечественный и зарубежный опыт строительства под­ тверждает, что большинство существующих типов и форм большепролетных покрытий промышленных и граждан­ ских зданий из плоских конструктивных элементов в виде настила по балкам, фермам или аркам имеет существенные недостатки. Из-за наличия межпролетных колонн и мелко­ размерности планировочной сетки они не отвечают совре­ менным требованиям гибкой планировки, рационального использования полезной площади, технологии производства, а также экономичности строительства. Поэтому создание рациональных конструкций покрытий, позволяющих сво­ бодно размещать промышленное оборудование в здании, — важнейшая задача современного строительства.

Всуществующих схемах промышленных зданий с плоско­ стными конструктивными элементами покрытий несущие элементы работают только в одной плоскости и свойства ма­ териалов используются нерационально, вследствие чего коэффициент использования материала составляет около 40%, и в одноэтажных промышленных зданиях основной частью здания является покрытие, стоимость которого сос­ тавляет около 50% общей стоимости здания [21, 51, 52]. Это указывает на то, что снижение стоимости промышленных зданий следует начинать с замены существующих дорого­ стоящих покрытий из плоских конструктивных элементов новыми, более экономичными и малотрудоемкими.

Вцелях более рационального использования свойств материалов, применяемых в конструкциях покрытий, в на­ чале XX в. в строительстве стали применять тонкостен­ ные железобетонные оболочки, которые оказываются весьма экономичными по расходу материалов, и эффективность их тем значительнее, чем больше перекрываемые пролеты [3, 11,

18, 58]. В таких конструкциях покрытий, благодаря рацио­ нальному использованию свойств бетона, экономия стали достигает 25% и бетона порядка 35% по сравнению с пло­ скими конструкциями покрытий [55]. Однако из-за сложно­ сти производства работ при монолитном и при сборном воз­

60

ведении железобетонные оболочки пока применяются огра­ ниченно, и в строительстве основной удельный вес по-пре­ жнему приходится на плоскостные конструктивные схемы.

Сравнительно новым направлением в разработке и при­ менении экономичных типов и форм большепролетных по­ крытий являются висячие покрытия. От упомянутых они отличаются экономичностью и малой трудоемкостью [16, 47, 48,57,74 и др. ]. В висячих покрытиях основной несущий эле­ мент работает только на растяжение, что дает возможность определять сечение расчетом на прочность без учета устой­ чивости, применять высокопрочные строительные материалы и рационально использовать их свойства.

Висячие покрытия, несмотря на их очевидные преимуще­ ства, все еще не находят широкого применения в сейсмо­ стойком строительстве, хотя они обладают небольшой мас­ сой и могут с успехом применяться в большепролетных сейс­ мостойких сооружениях. Ограниченное применение висячих покрытий в сейсмостойком строительстве объясняется не­ достаточностью экспериментальных и теоретических ис­ следований по изучению их сейсмостойкости.

Методике статического расчета висячих покрытий за по­ следние годы посвящено немало работ [29, 38—40, 45, 47, 50, 58, 62, 63, 65, 66, 74 и др.), которые дают возможность рассчитывать висячие покрытия разнообразных конструк­ ций. Но методике определения сейсмических нагрузок на висячие покрытия, судя по имеющейся литературе, посвя­ щены немногие работы как в СССР, так и за рубежом [1,2, 12— 14, 26, 27, 34—36, 69, 74—77]. В существующих нор­ мативных, документах [81, 82] нет каких-либо указаний по расчету сооружений с висячими покрытиями на действие сейсмической нагрузки. Поэтому необходимо разработать хотя бы приближенную методику определения сейсмиче­ ских нагрузок на такие сооружения и дать рекомендации по проектированию висячих покрытий в сейсмических рай­ онах.

ВСССР и за рубежом в последнее время построены инте­ ресные здания с висячими покрытиями, разнообразные по конструкциям и по формам. Разнообразие типов и форм ви­ сячих покрытий приводит к тому, что для всех покрытий не удается применять единую расчетную схему. Отсюда возникает необходимость классификации висячих покрытий как по конструкциям, так и по расчетным схемам.

Внастоящей работе дается обзор конструкций наиболее интересных покрытий, построенных в СССР и за рубежом,

61

по результатам которого производится классификация ви­ сячих покрытий по конструкциям и формам.

Принятая методика определения сейсмических нагрузок на здание в СНиП П-А. 12-69 требует знания динамических характеристик, а именно, периодов и соответствующих им форм свободных колебаний рассчитываемых зданий.

Вопросы, связанные с определением динамических харак­ теристик, а также с выбором расчетных схем висячих покры­ тий, представляют собой очень сложную задачу и они еще очень мало разработаны. Этим вопросам посвящены лишь отдельные работы [1, 13, 17, 26, 27, 34, 45, 58, 60, 63, 64,69, 75, 79, 80], которые дают возможность разработать хотя бы приближенную методику для расчета висячих покрытий на динамическое воздействие типа сейсмического.

В некоторых типах висячих покрытий задачу по опре­ делению частоты свободных колебаний необходимо решать в нелинейной постановке, которая намного усложняет прак­ тическое выполнение расчета. При разработке приближен­ ного метода определения сейсмических нагрузок на вися­ чие покрытия в настоящей работе динамические характе­ ристики рассматриваемых висячих покрытий определяются приближенными способами.

В целях выяснения степени точности теоретического оп­ ределения динамических характеристик висячих покрытий приближенными способами в настоящей работе излагаются результаты экспериментальных исследований колебаний висячих покрытий.

Глава I

ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ СУЩЕСТВУЮЩИХ ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЙ

§ 1. Краткие сведения о строительстве висячих покрытий

Начало применения висячих покрытий в виде шатров и тентов из сплетенных ветвей или шкур относится к глубокой древности [28]. Ими пользовались первобытные люди на всем пути своего исторического развития для создания жилья после того, как они стали сознательно применять орудия труда и использовать материальные блага природы.

Заслуга применения современных висячих покрытий в строительстве большепролетных зданий принадлежит вы­ дающемуся русскому ученому В. Г. Шухову, впервые при-

62

ценившему висячую конструкцию в 1880— 1882 гг. при стро­ ительстве бензиновых резервуаров в г. Майкопе [461.

В. Г. Шухов на основе теории висячих покрытий, соз­ данной им, и опыта строительства висячих сетчатых по­ крытий цехов котельного завода в Москве (1893 г.) на Все­ российской выставке в Нижнем Новгороде в 1896 г. постро­ ил четыре павильона с применением висячих покрытий. Централы-гае круглое здание инженерно-строительного павильона с двумя металлическими опорными кольцами: наружное диаметром 68 м, внутреннее диаметром 25 м. Наружное опорное кольцо свободно расположено на наруж­ ной стене с таким расчетом, что после монтажа покрытия оно работало только на центральное сжатие, не передавая вертикальную нагрузку от покрытия на наружную стену. Центральное опорное кольцо поддерживается ажурными металлическими колоннами, которые, воспринимая всю вертикальную нагрузку от покрытия, передают ее на грунт. Между наружными и внутренними кольцами натянуты взаимно скрещивающиеся тонкие стальные полосы. По­ лосы, образующие сетку, соединены между собой в местах взаимного пересечения. Образовавшаяся взаимно скрещи­ вающимися стальными полосами поверхность между наруж­ ными и внутренними кольцами перекрывалась кровель­ ным железом,‘а внутреннее кольцо перекрывалось вогну­ той чашей из тонкой листовой стали, совмещающей функ­ ции несущей конструкции и кровли.

Размеры по осям самого крупного овального в плане па­ вильона 98 X 51 м. Павильон состоял из центральной пря­ моугольной части размером 51 X 47 м и двух полуокружно­ стей диаметром 51 м. В центрах полуокружностей распола­ гались колонны, соединенные металлической фермой. Про­ странство между рамой, образованной двумя колоннами и фермой, и наружной стеной перекрывалось висячей метал­ лической сеткой.

На этой же выставке аналогичным висячим покрытием были перекрыты еще два павильона одинаковой конструк­ ции прямоугольной формы в плане размером 30 X 68 м и высотой 8 м. В этих павильонах горизонтальные усилия, передаваемые висячей металлической сеткой на наружные стены, воспринимались подкосами и оттяжками.

Эти покрытия проектировали с учетом работы основных несущих металлических элементов на осевое растяжение, что давало возможность рационально использовать свойства металла.

63

Через 36 лет после строительства выставочных павильо­ нов Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде выда­ ющимся русским инженером и ученым В. Г. Шуховым в 1932 г. в Олбани (США) в качестве несущей конструкции по­ крытия элеватора (размером в плане 36 X 82 м) была при­ менена система свободно провисающей по закону цепной линии в одном направлении мембраны из тонкой листовой стали толщиной 2,7 мм [57]. Эти конструкции работают толь­ ко в плоскости провисания на растяжение. При такой кон­ струкции собственный вес покрытия составляет около 250 Н/м2. Поэтому необходимо отметить, что подобная систе­ ма покрытия не может быть устойчивой под действием несим­ метричных нагрузок, отсоса ветра, а также сейсмических нагрузок.

В 1937 г. инж. Б. Лафайом построен выставочный па­ вильон Франции в г. Загребе (Югославия) [44]. Павильон представляет собой в плане круг диаметром 30 м, покрытый опрокинутым усеченным конусом из листовой стали толщи­ ной 2 мм, подвешенным к опорному сжатому кольцу, кото­ рое поддерживается на высоте 18 м от уровня пола 12 колон­ нами из стальных труб. Диаметр обращенной книзу верши­ ны усеченного конуса покрытия на высоте 11 м от уровня чистого пола составляет 5 м.

Дальнейшее развитие идей В. Г. Шухова в СССР при­ надлежит И. Г. Людковскому, разработавшему в 1938 г. проект покрытия сгустителей [48]. Это покрытие существенно отличается от предыдущих. Если ранее в зданиях с вися­ чими покрытиями стальная мембрана или висячая сетка под­ вешивалась к опорному сжатому стальному кольцу, то

впроекте покрытия, разработанном И. Г. Людковским, стальные мембраны подвешивались к сжатым железобетон­ ным кольцам диаметром 65 м, в которых рационально использовались свойства бетона при центральном сжатии,

вчем и заключалось преимущество этого проекта.

был разработан проект центрального павильона машино­ строительной промышленности [57]. Это здание размером в плане 180 х 200 м перекрыто листовой сталью с гндро- и теплоизоляционными слоями. В продольном направлении покрытие имеет выгиб книзу, в поперечном направлении — кверху. Покрытие из листовой стали по контуру подвеше­ но к железобетонному поясу, состоящему из двух пара­ болических арок. Арки в наклонном виде опираются на же-

64

лезобетониые рамы, расположенные по нормали к оси арок, которые намного увеличивают устойчивость последних.

В 1953 г. инж. Ф. Северудом и арх. В. Дидриком в г. Рилей (штат Северная Каролина, США) было завершено строительство крытой арены, предназначенной для выстав­ ки скота, различных спортивных выступлений и собраний [28, 68]. Эскизный проект арены разработан М. Новицким весной 1950 г. По бокам арены устроены трибуны, соответ­ ствующие кривизне покрытия, рассчитанные на 5425 мест. Кроме того, на площади арены дополнительно может быть размещено еще 400 временных мест. Максимальный раз­ мер в плане по осям здания 99,5 X 99,5 м. Железобетон­ ный пояс, воспринимающий усилия от вант-тросов, состоит из двух параболических арок, наклоненных в противополож­ ные стороны под углом к горизонту 22°, пересекающихся между собой на высоте 7,5 м. Арки П-образного сечения (4,2 X 0,75 м) в местах пересечения шарнирно соединены с наклонными контрфорсами, которыми воспринимаются опорные давления от арок. Эти шарниры уменьшают вели­ чину изгибающего момента в арках, снижая влияние темпе­ ратурных деформаций. Между арками натянуты несущие ванты диаметром 19 — 32 мм в зависимости от пролета вант, расположенные в среднем на расстоянии 1,8 м одна от дру­ гой. В целях создания предварительного напряжения в не­ сущих вантах и восприятия отсоса ветра были натянуты по­ перечные стягивающие ванты диаметром 13 —-19 мм в за­ висимости от пролета. Сечения несущих вант определены из расчета постоянной нагрузки 293 Н/м2 и временной 1220 Н/м2. Сечения поперечных вант определены из расчета отрицательной временной нагрузки 780 Н/м3. В целях вос­ приятия неуравновешенных нагрузок были предусмотрены стальные оттяжки для прикрепления несущих тросов к стой­ кам наружных стен с помощью регулируемых пружин. Стягивающие ванты прикреплены к несущим на скобах в местах их пересечения. Седлообразная поверхность, обра­ зованная взаимно перпендикулярными вантами, покры­ валась волнистой кровельной сталью, по которой были уло­ жены жес.ткая теплоизоляция и гидроизоляционные слои. После укладки панелей покрытия жесткость его оказалась достаточной (со времени строительства она выдержала два сильных урагана).

В 1951 г. в Берлине был построен концертный зал с висячим покрытием на 2000 мест размером в плане 62,5 X X 45,5 м [57]. Покрытие представляет собой систему тро­

сов, натянутых в двух взаимно перпендикулярных на. правлениях и закрепленных на опорном поясе, состоящем из двух параболических арок. Несущие ванты натянуты в продольном направлении, а стягивающие — в поперечном. Обе ванты предварительно напряжены. Несущие и стяги­ вающие ванты образуют поверхность гиперболического па­ раболоида. По вантам уложены сборные плиты из ячеистого бетона.

лении уложена на вертикальной задней стене и упирается в два опорных массива, отсюда же под углом около 35° по­ дымается вторая арка.

В 1952 г. на Берлинской промышленной выставке за 18 дней был возведен швейцарский сборно-разборный па­ вильон овальной формы в плане, спроектированный арх. Г. Штатбахером и инж. Г. Морантом [57]. Размер павильона по продольной оси 32 м, а по поперечной — 25 м. Покрытие представляет собой две системы тросов, натянутых во вза­ имно перпендикулярных направлениях и закрепленных на опорном поясе, состоящем из двух одинаковых арок. В пер­ пендикулярном к большой оси направлении между арками натянуты несущие тросы диаметром 12,3 мм на расстоянии 2 м один от другого. В перпендикулярном к несущим тро­ сам направлении натянуты стягивающие тросы диаметром 15 мм на расстоянии 1 м один от другого. В целях обеспече ния пространственной жесткости покрытия натяжением стя­ гивающих тросов в несущих тросах созданы предваритель ные усилия.

Арки, выполненные из еловых досок на водостойком клею, опираются на 72 деревянные стойки сечением 9,5 X X 19 см.

Гиперболическая поверхность, образованная вантами, была перекрыта прочным двойным хлопчатобумажным бре­ зентом. По контуру брезент прибит к аркам, в несколькш точках он прикреплен к тросам, а для предохранения бре­ зента от действия отсоса ветра поверх него предусмотрены пересекающиеся ванты. Авторским коллективом (инженеры И. Г. Людковский, М. А. Левит, М. Г. Людковский, Е. П. Станиславский, архитекторы Ю. Н. Шевердяев,

66

лочкой, примененной в проекте демонстрационного зала по­ стоянной Всесоюзной строительной выставки в Москве [44].

На конкурс этого покрытия были представлены три про­ екта. Из этих трех вариантов покрытие висячего типа ока­ залось самым дешевым. Как видно нз табл. 12, оно оказы­ вается в 4 раза дешевле железобетонного купола и в 3 раза дешевле алюминиевого.

продолжением замкнутой цилиндрической стены толщиной 10 см. Радиально расположенные стальные тросы концами заанкерены в наружном железобетонном и внутреннем стальном кольцах. Диаметр внутреннего стального кольца составляет 5,5 м. По радиальным тросам уложены трапецеи­ дальные в плане железобетонные плиты толщиной 5 см. После натяжения тросов пригрузкой швы между плитами заполняли бетоном. Снятием пригрузки после отвердения бетона в швах в покрытии создавали предварительное об­ жатие. Плиты не доходили до наружного кольца на 2,5 м, и поэтому это покрытие при действии несимметричной на-, грузки не могло работать как оболочка. Общая продолжи­ тельность монтажа покрытия составляла всего 39 дней.

На 1 м2 перекрываемой площади расход стали 10 кг, бе­ тона 0,083 м3.

На конкурс, объявленный в 1957 г. на перекрытие московского стадиона «Динамо», было представлено не­ сколько проектов в виде чисто вантовых систем и железобе­ тонных предварительно-напряженных оболочек [48]. Стадион «Динамо» в плане овального очертания с максимальными размерами по осям 170 X 270 м.

Особый интерес представляет проект покрытия стадиона «Динамо», разработанный НИИЖБ совместно с А4оспроектом (инженеры И. Г. Людковский, М. А. Левит и архитек­ торы Ю. Н. Шевердяев, В. С. Кубасов). Проект покрытия был разработан в двух вариантах с одинаковым конструк­ тивным решением в виде висячей железобетонной предвари-

68

тельио-напряженнои оболочки, отличающихся лишь очерта­ ниями и размерами перекрываемых площадей в плане.

Впервом варианте покрытие имеет круглое очертание

вплане диаметром 270 м, а во втором — овальное с размера­ ми, приближающимися к существующим габаритам трибун. В обоих вариантах железобетонные опорные кольца сборномонолитные и поддерживаются колоннами, а внутренние кольца стальные. В круглом варианте опорное кольцо рабо­

тает только на сжатие, изгиб исключается самой формой, а в овальном варианте очертание кольца было подобрано по кривой давления с тем, чтобы оно работало только на сжа­ тие. Радиально натянутые ванты концами прикреплены к на­ ружному и внутреннему кольцам. Стрела провисания вант в центре принята равной 12 м. На внутреннее кольцо постав­ лена круглая решетчатая башня, от верха которой отходят радиальные тросы фонаря, прикрепленные наружными кон­ цами к основным тросам. Железобетонные плиты уклады­ ваются на временные доски, подвешенные к вантам, причем между плитами оставляются швы для замоноличивания. Предварительное обжатие в оболочке создается таким спосо­ бом, как в проектах строительной выставки и стадиона в Монтевидео. Плиты пригружаются мешками с водой, по­ сле чего швы заполняются бетоном на керамзитовом щебне.

[48]. В этом проекте покрытие представляет собой две си­ стемы тросов, натянутых во взаимно перпендикулярных на­ правлениях и закрепленных на опорном кольце. Опорное кольцо в плане овального очертания наибольшим размером по осям 170 X 270 м. Несущие тросы шагом 2 м натянуты в направлении большего пролета, стягивающие тросы шагом 2 м натянуты в направлении малого пролета. Натяжением стягивающих тросов создаются дополнительные усилия в не­ сущих тросах, в результате чего обеспечивается простран­ ственная жесткость системы. Образуемая тросами поверх­ ность представляет собой гиперболический параболоид. Форма опорного кольца получается линией пересечения ги­ перболического параболоида с вертикальной наружной стен­ кой. Опорное кольцо работает на внецентренное сжатие. Для уменьшения в нем величины изгибающих моментов пре­ дусмотрена третья система тросов, расположенных по обра­

69