Файл: Бобров, Ф. В. Сейсмические нагрузки на оболочки и висячие покрытия.pdf

грузка снимается н бетон покрытия обжимается дополни­ тельным усилием тросов.

Сборным способом возведены покрытия концертного зала в Харькове (1953 г.), стадиона в Монтевидео (1956 г.), опытных оболочек НИИЖБ (1959—1960 гг.), зданий ярмар­ ки в г. Оклахома-Сити и в г. Феникс (США, 1965 г.) и др. Этот способ возведения применен также при проектировании покрытий многих объектов. Так, например, второй вариант покрытия постоянной Всесоюзной строительной выставки в Москве (1956 г.), варианты покрытия стадиона «Динамо», разработанные НИИЖБ совместно с мастерской № 8 Моспроекта (1957 г.), покрытия над шламбассейном, разрабо­ танные ГПИ Ленпромстройпроект с участием НИИЖБ (1958 г.), решены в сборном варианте.

Вантовые системы. Висячими покрытиями в виде ванто­ вых систем называются покрытия, образованные системой предварительно-напряженных вант, воспринимающих и пе­ редающих всю нагрузку на опорный контур, который, вос­ принимая усилия от вант, передает их на поддерживаю­ щие конструкции покрытия. Кинематическому анализу и способу образования висячих систем посвящена работа И. М. Рабиновича [62].

Сущность создания предварительного напряжения в ван­ тах заключается в создании пространственной жесткой си­ стемы в целом для восприятия отрицательной нагрузки — отсоса ветра и уменьшения деформативности вантовых си­ стем. Для получения предварительно-напряженной ванто­ вой системы в современной строительной практике приме­ няются следующие два способа:

а) применение тросов двух систем — несущих и стяги­ вающих, натянутых во взаимно перпендикулярных направ­ лениях;

б) применение парной системы радиальных тросов — двухпоясных вантовых систем (рис. 25).

При первом способе несущие тросы воспринимают вес конструкции покрытия вместе с временной нагрузкой и одно­ временно воспринимают усилия от стягивающих тросов. Они представляют собой гибкие нити, провисающие по зако­ ну цепной линии. Стягивающие тросы, воспринимая отри­ цательные нагрузки (отсоса ветра), напрягают несущие тро­ сы. Оци имеют параболическое очертание выпуклостью вверх.

Указанный способ возведения можно применять в зда­ ниях любого очертания в плане для получения покры­

83

тия отрицательной кривизны (гиперболический парабо­ лоид) .

С применением указанного способа возведены покрытия концертного зала в Берлине (1952 г.), Швейцарского сборно-разборного павильона на Берлинской промышлен­ ной выставке (1951 г.), арены в штате Северная Каролина (США, 1953 г.), концертного зала «Украина» в Харькове,

большого и малого спортивных залов олимпийского стадиона в Токио (Япо­ ния, 1964 г.) н др. Этот способ также применен в проекте стадиона «Дина­ мо», разработанном институтом Мос-

проект (1957 г.).

с увеличением расхода стали. Это, с одной стороны, недо­ статок вантовых систем, с другой — позволяет применять в качестве ограждающих конструкций покрытия легкие кровельные материалы. Таким образом, общая стоимость вантовых покрытий в некоторых случаях оказывается не­ значительно больше по сравнению с железобетонными пред­ варительно-напряженными оболочками.

Тонколистовые оболочки-мембраны. Висячими покры­ тиями в виде тонколистовых оболочек-мембран называ­ ются опрокинутые гибкие покрытия, работающие на растя­ жение и совмещающие функции несущей конструкции и кровли.

84

Простейший вид тонколистовых мембран — покрытие нулевой кривизны, которое провисает по закону цепной линии и работает на растяжение только в одном направле­ нии — в плоскости провисания. Такие покрытия образуются из первоначальной плоской поверхности. Примером этого может служить покрытие элеватора в Олбани (США, 1932 г.). Покрытия, провисающие в одной плоскости, получаются неэкономичными из-за восприятия распора подкосами, оттяжками или контрфорсами. Экономичны коническая и сферическая мембраны, подвешенные к замкнутому кольцу и работающие в двух направлениях — в радиальном и кольцевом. В них отказываются от специальных кон­ струкций для восприятия распора. Распоры воспринима­ ются опорным кольцом.

Конические мембраны образуются из первоначальной плоской поверхности. Примером такого покрытия может служить покрытие павильона Франции в Загребе (1937 г.)

Сферическая мембрана, как пространственная поверх­ ность положительной кривизны, не может быть образована из первоначальной плоской поверхности. В настоящее вре­ мя в практике строительства для получения мембраны поло­ жительной кривизны применяются два способа:

а) придание отдельным элементам мембраны заранее не­ обходимой кривизны и соединение их между собой с помо­ щью шаблона или передвижных лесов;

б) придание первоначально созданным плоским мембра­ нам необходимой двоякой кривизны под действием нагрузки, превышающей расчетную нагрузку на покрытие. Этот спо­ соб более целесообразен.

Примером сферической мембраны может служить па­ вильон диаметром 25 м, построенный в 1896 г. на Всерос­ сийской выставке в Нижнем Новгороде по проекту В. Г. Шухова.

Для устройства тонколистовых оболочек-мембран при­ меняются тонкие стальные и алюминиевые листы, а также стеклопластики. По расчету толщина покрытий из этих ма­ териалов получается минимальной, и при такой толщине они

устойчивости покрытия против действия отсоса ветра его масса должна быть минимум на 10% больше отрицательного давления отсоса. Для этого поверх мембраны необходимо уложить бетонный или армоцементный слой, который, уве­

85

личивая жесткость покрытия, защищает несущие конструк­ ции от атмосферных воздействий.

Все три разновидности висячих покрытий, рассмотренные выше, имеют следующие преимущества.

1. Поверхность покрытия образуется под действием соб­ ственного веса. Это дает возможность возводить покрытия больших пролетов без лесов и подмостей в короткие сроки, чего нет в строительстве тонкостенных выпуклых простран­ ственных оболочек. Из-за этого они до настоящего времени не имеют широкого распространения. Леса представляют собой очень сложную, трудоемкую, материалоемкую кон­ струкцию. Иногда расход материала на устройство лесов получается больше, чем на саму конструкцию. Так, напри­ мер, по расчету И. Г. Людковского [47] для покрытия ста­ диона «Динамо» железобетонной выпуклой оболочкой на устройство трубчатых лесов требуется около 2000 км труб, на что ушло бы около 6000 т металла, т. е. в 6 раз больше, чем на устройство подвесных покрытий.

Переход от монолитного способа возведения выпуклых оболочек к сборному не дает возможности полностью от­ казаться от устройства лесов. В этом случае на устрой­ ство подмостей и лесов требуется в несколько раз больше материала и времени, чем на собираемую на них оболоч­ ку. Следует отметить, что устройство лесов на большой вы­ соте — сложная задача, так как незначительное отклонение от проектных отметок может привести к разрушению. Для ликвидации этой проблемы известны попытки монтажа вы­ пуклых оболочек на уровне пола. Так, например, в Ленин­ граде оболочка размером 18 X 18 м была собрана из от­ дельных лент двоякой кривизны размером 3,5 X 3 ,5 м на уровне пола и целиком поднята на проектную высоту [42]. В конце 1956 г. в Ленинграде была смонтирована аналогич­ ная оболочка размером 40 X 40 м [23]. При таком проле­ те расход стали на 1 м3 перекрываемой площади составил 16,5 кг, бетона — 0,105 м3. По сравнению с висячим покры­ тием для такого пролета этот расход считается очень боль­ шим. Например, для покрытия стадиона «Динамо» диамет­ ром 270 м висячей оболочкой на 1 ма перекрываемой пло­ щади потребовалось 17 кг стали, 0,08 м3 тяжелого бетона

и0,095 м3 легкого бетона в качестве утеплителя.

ВТбилиси и Цхалтубо [25] строители пытались монти­ ровать купола без лесов. Это привело к двойному перерас­

ходу материалов. Следует отметить, что этот метод отно­ сится только к купольным покрытиям.

86

2. Сечение несущих элементов висячих покрытий опре­ деляется расчетом на прочность без учета устойчивости, что дает возможность применять в них высокопрочные ма­ териалы и рационально использовать их свойства. Это при­ водит к существенной экономии материалов по сравнению с выпуклыми оболочками, которые до настоящего времени считались самыми экономичными конструкциями для по­

устойчивость, в связи с чем они делаются двухслойными или ребристыми и тем самым увеличивается расход материалов и нерационально используются их свойства. Показательным

соображения устойчивости это покрытие сделано двухслой­ ным с расстоянием между слоями 1,8 м, при этом приведен­ ная толщина бетона составляла 28 см, последняя очень вы­ сока по сравнению с висячими покрытиями. Конструктивные характеристики различных типов покрытий приведены

втабл. 14.

3.Толщина висячих покрытий при значительном увели­ чении пролета увеличивается незначительно, и они имеют наименьшую строительную высоту по сравнению с други­ ми конструкциями покрытий. Это видно из табл. 14.

Г л а в а II

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ЗДАНИЯ

СВИСЯЧИМИ ПОКРЫТИЯМИ

§1. Постановка вопроса

Взданиях с висячими покрытиями основные конструкции делятся на непосредственно покрытие и поддерживающие

его элементы (рис. 26).

Сейсмические нагрузки на поддерживающие элементы практически можно определить по существующему методу

т(масса)

*> '//77

/7777?

Рис. 26. Конструктивная схе­ ма здания с висячим покры­ тием

/ — висячее покрытие; 2 — элемент опорного контура; 3 — поддерживающий элемент

расчета сооружений на сейсмические воздействия [82], так как покрытие вместе с опорным контуром может рассматри­ ваться как жесткий диск. При наличии жесткого опорного контура расчетная схема поддерживающего элемента при­ нимается в виде консольной системы с одной массой, со­ средоточенной на уровне покрытия (рис. 27).

Особый интерес представляет вопрос определения сей­ смических нагрузок непосредственно на покрытие, который рассматривается в § 3 этой главы.

Определение сейсмических нагрузок на какое-либо зда­ ние или сооружение связано с определением их динамиче­ ских характеристик, а именно периодов и соответствующих им форм свободных колебаний. Практические решения задач по определению динамических характеристик висячих по-

88

крытий, которые по своей природе являются нелинейными динамическими задачами, пока недостаточно разработаны. Динамика висячих покрытий представляет собой один из малоизученных и очень сложных разделов строительной

видов висячих покрытий на динамическое воздействие типа сейсмического. С учетом этого обстоятельства задачи по

Линейная трактовка задачи вызывает сомнение, так как рассмотренная задача явно нелинейная и возникает вопрос о том, насколько можно согласиться с линейной постанов­ кой. Поэтому в § 2 этой главы излагаются некоторые основ­ ные критерии, предъявляемые к современным висячим по­ крытиям, вопросы количественной оценки нелинейности де­ формации висячих систем и результаты некоторых экспе­ риментальных исследований по изучению деформативности висячих покрытий.

§ 2. Деформативность висячих систем

Общий недостаток висячих систем — их значительная деформативность, т. е. возникновение довольно больших де­ формаций, обусловленных геометрической изменяемостью системы и упругой податливостью материала. Для устране­ ния чисто кинематических перемещений и уменьшения упру­ гих перемещений при конструировании висячих покрытий применяются висячая предварительно-напряженная железо­ бетонная оболочка и ортогональная пространственная пред­ варительно-напряженная система вант.

В предварительно-напряженных конструкциях висячих покрытий напряжение создается с учетом потери напряже­ ний от релаксации нагрузкой, превышающей или равной рас­ четной величине суммы всевозможных временных и сей­ смических нагрузок. Это основной критерий для создания упругой висячей системы, так как в данном случае не толь­ ко исключаются кинематические перемещения, но и намного уменьшаются упругие перемещения, что позволяет в первом приближении рассмотреть задачу в малом перемещении.

Следует отметить, что в висячих покрытиях связь меж­ ду деформацией и нагрузкой нелинейна и изменяется в за­ висимости от двух параметров — от нагрузки q и от началь­

89