Металлические конструкции. Том 2. Конструкции зданий

8.2. Однопоясные системы висячих покрытий с параллельными нитями

Висячие покрытия с параллельными нитями, как правило, применяют для прямоугольных в плане зданий (рис. 8.17 а), хотя возможны исключения из этого правила, например показанные на рис. 8.17 б, в. При прямоугольном плане улучшаются эксплуатационные условия, достигается простота конструктивного решения, имеется возможность вести строительство в несколько очередей.

Несущие нити размещают с шагом 1,5...3 м, их крепят к стальным или железобетонным балкам (бортовым элементам), образующим опорный контур. Для восприятия распора эти балки развивают в горизонтальной плоскости, иногда их устанавливают наклонно, так чтобы балки были развиты в плоскости касательных к нитям. По нитям укладывают железобетонные или другие достаточно тяжелые плиты и замоноличивают швы. В результате покрытие превращается в висячую оболочку.

Для уменьшения деформативности покрытия, главным образом с целью предупреждения повреждений ограждающих конструкций, в том числе разрывов гидроизоляционного ковра, используют тяжелые плиты кровли или (и) осуществляют предварительное обжатие бетона. Предварительное напряжение бетона препятствует также раскрытию трещин, поэтому оно должно быть назначено с расчетом сохранения небольшого сжатия в оболочке после растяжения нитей под действием

360

Рис. 8.17. Схемы однопоясных систем с параллельными нитями:
а - на прямоугольном плане; б, в - на круглом плане; 1 - несущие нити; 2 - плиты кровли; 3 - балки опорного контура; 4 - опорное кольцо; 5 - пилон; 6 -- арка

постоянной и максимальной временной нагрузкой с учетом усадки и ползучести бетона.

В настоящее время используют четыре способа предварительного напряжения висячих оболочек.

• После монтажа плит осуществляют временный пригруз покрытия балластом, вес которого имитирует собственный вес утеплителя с кровлей и вес снега, увеличенный на 10...30% для компенсации усадки и ползучести бетона, а также для предотвращения образования трещин. Этот балласт можно укладывать непосредственно на плиты или подвешивать к нитям на платформах. После замоноличивания стыков (рис. 8.18, а) и набора бетоном прочности пригруз удаляют. Вытянутые нити будут стремиться к своим первоначальным размерам, но бетон, препятствуя этому, окажется предварительно напряженным. В стадии действия полной снеговой нагрузки в нитях реализуются монтажные условия с пригрузом, однако при существенно меньших перемещениях.

• После монтажа плит замоноличивают швы, перпендикулярные к направлению нитей, а когда бетон наберет необходимую прочность, осуществляют натяжение нитей домкратами и замоноличивают оставшиеся швы (рис. 8.18, б). Натяжение нитей приходится производить в несколько

361

Рис. 8.18. Сопряжение железобетонных плит с канатами:
а - при напряжении пригрузом; б - то же, домкратами

приемов, так как при натяжении очередной нити в соседних происходит падение напряжений за счет обжатия бетона.

• Замоноличивание швов между плитами осуществляют расширяющимся бетоном на напрягающем цементе (НЦ-40) после укладки всех плит. Замоноличивание швов выполняют непрерывным бетонированием.

• По опалубке, подвешенной к нитям, укладывают монолитный бетон на напрягающем цементе (НЦ-20). Бетонируют полосами на весь пролет с оставлением швов, которые после окончания бетонирования одновременно заливают бетоном.

Существуют другие, менее распространенные способы.

Провисание нитей назначают по архитектурным, конструктивным и экономическим соображениям в пределах 1/10...1/30 пролета l. С уменьшением стрелок увеличивается жесткость покрытия и снижается бесполезный объем здания, но сильно возрастают усилия в вантах и опорном контуре, что приводит к увеличению расхода материалов на строительство здания. Оптимальные стрелки можно установить в каждом конкретном случае на основе вариантного проектирования, которое обычно производят по приближенным формулам компоновочных расчетов. Если не планируется такое проектирование с четкими прогнозами, то можно назначить стрелку провисания в середине пролета для нити в виде каната (1/15...1/20) l, для нитей из проката - (1/20... 1/30) l. Эти отношения

362

получены из условия равенства упругих прогибов в середине пролета и кинематических перемещений в четверти при загружении половины пролета [9].

Балки опорного контура выполняют из железобетона, реже из стали. Высоту поперечного сечения балок принимают h = 1/8...1/12 их пролета l_b, ширину - b ≈ 1/15 l_b, для железобетонных и b ≈ 1/30 l_b - для стальных балок. К железобетонным балкам нити крепят через закладные детали или пропускают сквозь наклонные трубки, диаметр которых назначают в 1,5 раза больше диаметра концевого участка нити (рис. 8.19). Вместо трубок можно предусмотреть конические отверстия, расширяющиеся с внутренней стороны бортового элемента. Для защиты от коррозии полости внутри трубок и отверстий должны быть заделаны битумом или другим герметиком. Стальные балки в местах крепления нитей следует укреплять ребрами жесткости.

Водоотвод с покрытия (приблизительно с уклоном 2%) осуществляют к торцам здания. Этого достигают путем изменения стрелок провеса нитей или наклона бортовых элементов при постоянных стрелках.

Рис. 8.19. Сопряжения нитей с опорным контуром:
а, б - с помощью закладных деталей; в - то же, закладных трубок; г - то же, конических отверстий

363

Рис. 8.20. Анкерные фундаменты:
а - плитный фундамент; б - открытая коническая оболочка; в - винтовая свая; г - набивные сваи

Оттяжки крепят к анкерным фундаментам (рис. 8.20). Плитные фундаменты (рис. 8.20, а) и открытые конические оболочки (рис. 8.20, б) воспринимают усилия от оттяжек за счет массы насыпного грунта. Винтовые сваи (рис. 8.20, в) имеют стальной пустотелый или железобетонный ствол и башмак с винтовой лопастью размером 0,4...1,2 м. Такие сваи закручивают в грунт специальной установкой, способной погружать их на глубину до 8 м и с наклоном до 45°. Буронабивные сваи (рис. 8.20, г) различных типов изготовляют непосредственно на строительной площадке.

Последовательность расчета конструкций может быть выбрана по рекомендациям п. 8.1.5. Ниже приведен один из вариантов такой последовательности при условии, что при возведении покрытия использовали балласт, который после замоноличивания стыков между плитами и набором бетоном необходимой прочности удаляли.

364

• Определите нормативные и расчетные значения постоянной g и временной (снеговой) p нагрузок на 1 м² покрытия. Назначьте вес пригрузов в пределах g + (0,1...0,3) p. Проследите за тем, чтобы постоянная нормативная нагрузка g_n была не ниже максимального ветрового отсоса (составляющего не более 1,5...2,0 кН/м²), в противном случае отметьте для себя необходимость дальнейшей проверки висячей железобетонной оболочки на действие ветрового отсоса по рис. 8.14. Вычислите расчетную линейную нагрузку на нить, которая при шаге нитей а равна

• Задайтесь стрелкой провисания нити в середине пролета l - для нити в виде каната (1/15...1/20) l, для нитей из проката - (1/20...1/30) l. Определите распор, балочную реакцию, тяжение нити и требуемую площадь поперечного сечения:

По сортаменту подберите подходящий канат или стержень из арматурной стали.

• Найдите по формуле (8.14) длину исходной заготовки, что обеспечит при действии расчетных нагрузок реализацию заданного значения стрелки провеса и тем самым справедливость расчетов по формуле (8.23):

• Проверьте деформативность покрытия, для чего оцените приращение стрелки провеса при действии нормативной снеговой нагрузки. Относительное значение этой стрелки, определенное по формуле (8.15), не должно превышать нормируемого (но, заметим, не очень обоснованного теоретически и экспериментально [3]) значения l / 200

Вы, вероятно, удивлены тем обстоятельством, что в расчете принята прежняя стрелка провеса, соответствующая полной расчетной нагрузке, а не стрелка, которая отвечает нормативной постоянной нагрузке. Дело в том, что после бетонирования и снятия балласта железобетонная висячая оболочка не позволяет нити перейти в новое состояние, определяемое уравнением (8.13), и стрелка провеса почти не изменяется.

365

Рис. 8.21. К примеру 8.1

• При проектировании ответственных зданий или если вы хотите добиться более экономичного решения, примите полученные результаты в качестве исходных данных и повторите расчет покрытия как висячей железобетонной оболочки. Кроме получения дополнительной уверенности в обеспечении надежной работы покрытия, возможно, это позволит вам снизить его стоимость.

366

Таблица 8.4.Нагрузки на 1 м² покрытия (к примеру 8.1)

Состав покрытия	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м2
Постоянная нагрузка
Гидроизоляция (трехслойный рулонный ковер)	0,10	1,3	0,13
Цементная стяжка 2 см, плотность 1800 кг/м3 (1 · 1 · 0,02 · 1800 ̭ 10-3 · 9,81 = 0,35 кН/м2)	0,35	1,3	0,46
Теплоизоляция (пенобетон толщиной 15 см, плотностью 500 кг/м3)	0,74	1,2	0,89
Пароизоляция (1 слой рубероида)	0,04	1,3	0,05
Сборные железобетонные плиты (приведенная толщина 5 см, плотность 2500 кг/м3)	1,23	1,1	1,35
Заливка швов бетоном	0,2	1,1	0,22
Стальные канаты	0,1	1,1	0,11
Итого	2,76		3,21
Временная нагрузка
Снеговая нагрузка для III района	1,0	1,4	1,4

Принят канат (см.табл.Ш. 1) ЛК-РО конструкции 6×36 диаметром 57 мм. Площадь поперечного сечения проволок каната А = 15,207 см², модуль упругости (табл.П8.4) 14 · 10³ кН/см².

Стрелка провеса (8.25) от нормативной снеговой нагрузки p = 1 · 1,5 = 1,5 кН/м:

Δf =

3

128

  =

m2pnl4

Eaf2

  =

3

128

 

1,0064632 · 1,5 · 654

14 · 103 · 15,207 · 3,252

  = 0,283 <

65

200

  = 0,325 м.

Длина исходной заготовки каната (8.24) должна быть равна

Для обеспечения работы бортового элемента в одной плоскости (без учета вертикальной нагрузки от его собственного веса) предусматриваем наклонную установку бортовых балок. Угол наклона плоскости наибольшей жесткости балки к горизонту найдем из условия

cos φ = Н/Т = 1192/1215,6 = 0,9806; φ = 11°19'.

Расчетная нагрузка на бортовую балку от тяжения канатов

q_b = Т/а = 1215,6/1,5 = 810,4 кН/м.

Расчет бортовых балок вы можете выполнить по общим правилам проектирования балок.

367