ВАНТОВОЕ ПОКРЫТИЕ
STEEL ROPE ROOF

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве несущего каркаса для тентовых полимерных механически напряженных мембран в покрытиях многопролетных зданий и сооружений, имеющих укрупненную сетку колонн.
Тентовые мембраны, совмещающие несущую и ограждающую функции, легки, светопрозрачны, обладают высокой прочностью, не требуют применения тяжелого грузоподъемного оборудования при монтаже и устанавливаются в проектное положение укрупненными секциями (полотнищами), в отличие, например, от сборных железобетонных плит или металлических щитов покрытия, монтируемых по-отдельности. В большепролетных зданиях применение тентовых мембран ведет к сокращению сроков строительства, снижению затрат и уменьшению нагрузок на фундаменты.
Вместе с тем, тентовые полимерные мембраны для возможности восприятия внешних нагрузок должны быть предварительно напряжены. Из двух способов преднапряжения тентовых мембран (пневматического и механического) наибольшее распространение получил последний, т.к. механически напряженные мембраны проще в эксплуатации и менее чувствительны к мелким повреждениям. Механически напряженные мембраны должны иметь отрицательную Гауссову кривизну во всех точках поверхности, что обусловливает соответствующие конструкции покрытия для их опирания.
Известны двухпоясные вантовые системы покрытия зданий (плоские вантовые фермы), состоящие из гибких поясов (несущего и стабилизирующего), а также растяжек или распорок, объединяющих пояса [1]. Преимущества данных систем: малый собственный вес, компактные размеры при транспортировке на стройплощадку, возможность перекрывать значительные пролеты.
Двухпоясные вантовые системы, в которых несущий пояс находится выше стабилизирующего, более экономичны по расходу материалов, однако имеют существенный недостаток: скопление атмосферных осадков в центральной части покрытия, имеющего наименьшую отметку, что ведет к значительному росту нагрузок (снеговые мешки) и к ухудшению эксплуатационных качеств покрытия.
В системах, в которых несущий пояс расположен под стабилизирующим, скопление снега и влаги на покрытии возможно лишь на локальных участках, вследствие недостаточного уровня предварительных напряжений, заложенных при проектировании. Крепление тентовой полимерной мембраны производится к верхнему стабилизирующему поясу, а ее натяжение - напрягающим тросом, расположенным между двумя соседними вантовыми системами (плоскими Байтовыми фермами). Закрепление обоих концов напрягающего троса производится к подстропильным конструкциям (балкам или фермам), расположенным между опорами соседних вантовых систем.
Недостаток данной конструкции покрытия: ограниченное расстояние между соседними вантовыми системами. Это приводит не только к повышению материалоемкости покрытия, но и к необходимости уменьшения шага колонн здания, либо к применению массивных подстропильных конструкций, которые должны воспринимать нагрузки не только от напрягающих тросов, но и от несущих вантовых систем.
При малом расстоянии между вантовыми системами, их опоры и опоры напрягающего троса могут находиться на одном уровне (дополнительные деформации тентовой полимерной мембраны в зоне ендов или карниза компенсируются локальным усилением мембраны на этих участках одним или несколькими слоями полимерного материала). Увеличение расстояния между соседними вантовыми системами ведет к неэффективности этого метода, т.к. зона усиления распространяется на большую часть покрытия. В этом случае возникает необходимость расположения опор напрягающих тросов ниже опор вантовых систем, что в многопролетных покрытиях приводит к образованию снеговых мешков, скоплению атмосферных осадков и усложнению эксплуатации покрытия обслуживающим персоналом. К тому же рост расстояния между соседними вантовыми системами влечет необходимость увеличения собственной высоты покрытия (т.е. разности высот в коньке пролета, на которых находятся верхние стабилизирующие пояса вантовых систем и напрягающие тросы).
Известны решения [2, 3], состоящие из двухпоясных плоских систем, расположенных в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Верхние пояса данных систем состоят из изгибно-жестких балок, а нижние - являются напряженными вантами. Верхние и нижние пояса объединены стойками-распорками, расположенными по линиям пересечения двухпоясных систем.
Данные решения предназначены для опирания жестких плит настила, которые укладываются в ячейки верхнего пояса, образуемые пересекающимися плоскими системами. Возможно заполнение ячеек верхнего пояса тентовой полимерной мембраной. Недостаток такого решения - ухудшение условий удаления атмосферных осадков с поверхности покрытия.
Другим недостатком решений [2, 3] является увеличенная собственная высота покрытия, достигающая максимума в центре из-за наличия выпуклых вверх верхних поясов плоских систем обоих направлений.
Известно решение [4], состоящее из прямоугольного жесткого опорного контура и напряженных вант двух взаимно-перпендикулярных направлений, объединенных вертикальными стойками-распорками. При этом, ванты, выполненные по длине покрытия непрерывными, огибают распорки попеременно с нижнего и верхнего концов. Преимущества решения [4]: упрощение соединения вант между собой и компактность вантового покрытия по высоте.
Недостатки решения [4]:
- при применении в качестве кровельного покрытия тентовой полимерной мембраны затруднен сток атмосферных осадков с покрытия и создаются условия для образования снеговых мешков;
- на каждую грань опорного контура производится опирание несущих вант (направленных вниз), передающих реакции от внешних нагрузок (в т.ч. от снега). В результате, либо все грани опорного контура, расположенные как поперек, так и вдоль пролета, должны иметь массивное сечение (или решетчатое строение), либо шаг колонн каркаса здания должен быть уменьшен до расстояния между вантами.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение [5], состоящее из двух опорных контуров, расположенных друг от друга на некотором расстоянии по высоте, предварительно напряженных вант, расположенных в вертикальных плоскостях, в двух направлениях под углом друг к другу, а также гибких растяжек, соединяющих ванты разных направлений между собой. Ванты разделяются на два семейства (системы): несущие ванты имеют выпуклость вниз, закреплены за верхний опорный контур и расположены выше стабилизирующих вант, имеющих выпуклость вверх. Преимущества [5]: простота конструктивного решения, улучшение работы опорных контуров, уменьшение затрат на опорные контуры (т.к. только на две грани из восьми опираются несущие ванты).
Недостатки решения [5]:
- сложность удаления атмосферных осадков и образование снеговых мешков на поверхности покрытия;
- сложности для перемещения обслуживающего персонала по поверхности покрытия.
Решение [5] принимается за ПРОТОТИП.
Техническая задача изобретения - расширение области применения вантового покрытия, несущего тентовую полимерную мембрану, на многопролетные здания, имеющие укрупненную сетку колонн, при условии обеспечения компактных размеров покрытия по высоте, а также сокращение затрат на монтаж вантового покрытия.
Технический результат изобретения достигается применением вантового покрытия, включающего два семейства предварительно напряженных лежащих в вертикальных плоскостях несущих и стабилизирующих вант. Ванты одного семейства расположены выше вант другого семейства: семейство стабилизирующих вант расположено выше семейства несущих вант. Все ванты определенного семейства имеют кривизну одного знака, а ванты разных семейств имеют кривизны противоположных знаков. Ванты разных семейств (несущие и стабилизирующие) соединены между собой распорками и объединены гибкими связями. Концы стабилизирующих вант, имеющих выпуклость вверх, закреплены за прямолинейные жесткие элементы, установленные на неподвижные опоры. Концы несущих вант закреплены за верхние пояса опорных вантовых ферм, установленных на неподвижные опоры, расположенных вертикально и разделяющих вантовое покрытие на ряд секций. Нижние пояса опорных вантовых ферм снабжены натяжными приспособлениями и объединены с верхними поясами опорных вантовых ферм распорками.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами:
На фиг. 1 приведена аксонометрическая схема одной секции, ограниченной опорными вантовыми фермами, предлагаемого Байтового покрытия (основной вариант).
На фиг. 2 приведена аксонометрическая схема одной секции, ограниченной опорными вантовыми фермами, предлагаемого Байтового покрытия (вариант, отличающийся от основного расположением связей).
На фиг. 3 приведена аксонометрическая схема тентовой мембраны (полимерной оболочки), опирающейся на верхние пояса предлагаемого Байтового покрытия.
На фиг. 4 приведен вид сверху секции вантового покрытия (основной вариант) по фиг. 1.
На фиг. 5 приведен вид сверху секции вантового покрытия (вариант) по фиг. 2.
На фиг. 6 приведен разрез 1-1 по фиг. 4.
На фиг. 7 приведен разрез 2-2 по фиг. 5.
На фиг. 8 приведен разрез 3-3 по фиг. 4.
На фиг. 9 приведена принципиальная схема расположения ряда секций предлагаемого вантового покрытия на прямоугольном плане (вид сверху). Для одной из секций схематично показано расположение несущих и стабилизирующих вант.
На фиг. 10 приведена принципиальная схема (фрагмент) расположения ряда секций предлагаемого вантового покрытия на многоугольном (круглом) плане (вид сверху). Для одной из секций схематично показано расположение несущих и стабилизирующих вант.
Предлагаемое техническое решение состоит из двух семейств предварительно напряженных несущих 1 и стабилизирующих 2 вант, соединенных между собой распорками 6 и объединенных гибкими связями 7-10, а также прямолинейных жестких элементов 4 и опорных вантовых ферм 13, установленных на опоры 5, 5а.
Опоры 5 - неподвижны (закреплены по трем взаимно-перпендикулярным направлениям). Каждая опора 5а закреплена только по двум взаимно-перпендикулярным направлениям (например, в вертикальном и в горизонтальном направлении, лежащем в плоскости соответствующей вантовой фермы 13), которые перпендикулярны соответствующему жесткому элементу 4, опирающемуся на данную опору.
Несущие 1 и стабилизирующие 2 ванты лежат в вертикальных плоскостях. Все стабилизирующие ванты имеют выпуклость вверх, а несущие - вниз. Семейство стабилизирующих вант расположено выше несущих вант.
Концы 3 стабилизирующих вант 2 закреплены за прямолинейные жесткие элементы 4. Концы 11 несущих вант 1 закреплены за верхние пояса 12 опорных вантовых ферм 13.
Опорные вантовые фермы 13 расположены вертикально и разделяют предлагаемое вантовое покрытие на ряд секций 25.
Верхние пояса 12 опорных вантовых ферм 13 закреплены в направлении из их плоскостей связями 14 (фиг. 6, 7, 9; на фиг. 1, 2, 4, 5 связи 14 условно не показаны), конструкция которых известна, либо предварительно напряженными несущими вантами 1.
Нижние пояса 15 опорных вантовых ферм 13 снабжены натяжными приспособлениями 16 и объединены с верхними поясами 12 опорных вантовых ферм распорками 17. Конструкция натяжных приспособлений 16 известна и не является предметом предлагаемого технического решения.
Для обеспечения геометрической неизменяемости предлагаемого технического решения устанавливаются гибкие (вантовые) связи 7-10.
Связи 10, объединяющие несущие ванты 1 в направлении из их плоскостей, закреплены за прямолинейные жесткие элементы 4, установленные на неподвижные опоры 5, 5а. Связи 10 лежат в вертикальных плоскостях и имеют выпуклость вверх, располагаясь, таким образом, выше прямолинейных жестких элементов 4, уровень которых отмечен поз. 20 (фиг. 6-8).
Связи 7 и 8 закрепляют стабилизирующие ванты 2 в направлении из их плоскостей.
Наиболее предпочтительной является схема расстановки связей в Байтовом покрытии по фиг. 1. В этом случае, каждая секция 25 Байтового покрытия включает два стабилизирующих ванта 2, разделяющих пространство между опорными вантовыми фермами 13 на два сектора 21 и один сектор 22. В секторах 21 связи 7 объединяют вершины стоек 6 с серединами 19 соответствующих несущих вант 1. В секторах 22 связи 8 объединяющие вершины стоек 6 удерживаются продольными связями 9, закрепленными за прямолинейные жесткие элементы 4, установленные на неподвижные опоры 5, 5а. Предварительное напряжение секции 25 вантового покрытия, достаточное для восприятия внешних нагрузок, производится только натяжными приспособлениями 16, установленными в нижних поясах 15 вантовых ферм 13.
При наличии в секции 25 вантового покрытия двух и более секторов 22 (например, по фиг. 2) необходимо дополнительное напряжение связей 9 натяжными приспособлениями 23, конструкция которых известна и не является предметом предлагаемого технического решения.
Предлагаемое техническое решение может использоваться для покрытия как прямоугольных (фиг. 1-9), так и круглых (или в форме правильного многоугольника) в плане зданий и сооружений (фиг. 10).
В круглых или многоугольных в плане зданий (фиг. 10) опорные вантовые фермы 13 расположены по радиусам окружности, проходящей через опорные узлы 5, и пересекаются в центре 26 этой окружности, который делит каждую ферму 13 на две одинаковые (симметричные) части 13а. Стабилизирующие ванты 2 предлагаемого вантового покрытия, а также гибкие связи 9 и 10 объединяются в центре 26, в котором расположена комбинированная распорка 17а (на фиг. 10 проецируется в точку). Конструкция распорки 17а известна и должна приниматься исходя из условия размещения опорных узлов всех соединяемых ею элементов (2, 9, 10, 12, 15). Несущие ванты 1 и связи 7, 8 на распорку 17а не опираются.
Ограждающие конструкции по верхним поясам предлагаемого вантового покрытия известны и не являются предметом данного технического решения. Одним из предпочтительных известных решений, например, является устройство тентовой мембраны 18 (полимерной оболочки). В непосредственной близости к прямолинейным жестким элементам 4, установленным на неподвижные опоры 5, 5а, тентовая мембрана 18 должна быть усилена дополнительным слоем (слоями) 24 полимерного материала (фиг. 8).
Пространственная устойчивость и геометрическая неизменяемость предлагаемого вантового покрытия обеспечена (при отсутствии тентовой мембраны 18 на его верхних поясах):
- наличием предварительных напряжений опорных вантовых ферм 13, обеспечивающих устойчивость ферм 13 в их плоскостях;
- постановкой связей 14, закрепляющих пояса 12 ферм 13 за неподвижные опоры известными способами (для крайних вантовых ферм 13, фиг. 9), и наличием предварительно напряженных несущих вант 1 (для вантовых ферм 13, расположенных между двумя соседними секциями 25, фиг. 9) обеспечена устойчивость вантовых ферм 13 из их плоскостей для покрытия на прямоугольном плане;
- наличием комбинированной распорки 17а, принадлежащей нескольким вантовым фермам 13, каждая из которых закрепляет данную распорку в своей плоскости, обеспечивая ее устойчивое положение, а также наличием предварительно напряженных несущих вант 1 - обеспечена устойчивость вантовых ферм 13 (и их частей 13а) из их плоскостей для покрытия на круглом или многоугольном плане (фиг. 10);
- наличием предварительных напряжений в несущих и стабилизирующих вантах 1 и 2;
- постановкой гибких связей 7-10 и их преднапряжением: связи 7 и 8 закрепляют стабилизирующие ванты 2 в направлении из их плоскостей; связи 7 и 8 напряжены продольными связями 9; связи 10 закрепляют несущие ванты 1 в направлении из их плоскостей.
Наличие тентовой мембраны 18 на верхних поясах предлагаемого вантового покрытия повышает надежность его эксплуатации, придавая покрытию дополнительную жесткость: тентовая мембрана 18 выполняет функцию связей по верхним поясам 2 и 12 предлагаемого технического решения.
Работоспособное состояние тентовой мембраны 18 (ограничение прогибов от внешней нагрузки и отсутствие кинематических перемещений) обеспечено отрицательной Гауссовой кривизной ее поверхности, а также известными конструктивными мероприятиями, не являющимися предметом предлагаемого технического решения: например, непосредственным креплением мембраны 18 к дополнительно установленным напрягающим вантам 27 (фиг. 3, 6, 7) параллельно связям 9, либо проходящим над узлами 19 и закрепленным за жесткие элементы 4. Ванты 27 снабжены необходимыми натяжными приспособлениями (на фиг. не показаны), конструкция которых известна.
В непосредственной близости к прямолинейным жестким элементам 4 (на участке, где кривизна поверхности приближается к нулю) тентовая мембрана 18 должна быть усилена дополнительным слоем (слоями) 24 полимерного материала.
На строительную площадку предлагаемое вантовое покрытие поставляется в виде набора подготовленных к установке вант 1 и 2, гибких связей 7-10, стоек 6, а также собранных и упакованных известными способами опорных вантовых ферм 13 (например, скрученных в рулоны вдоль стоек 17).
Монтаж предлагаемого вантового покрытия производят следующим образом:
- на неподвижные опоры, например, оголовки колонн здания, устанавливают жесткие элементы 4 и опорные вантовые фермы 13;
- вантовые фермы 13 приводят в вертикальное положение, а их верхние пояса закрепляют известными способами постоянными 14 и временными 14а (условно на фиг. не показаны) связями от перемещений из плоскости ферм;
- создают минимально необходимые преднапряжения в поясах 12 и 15 вантовых ферм 13 натяжными приспособлениями 16. Величину преднапряжения на данном этапе определяют расчетом исходя из необходимости восприятия Байтовыми фермами 13 нагрузок от собственного веса;
- собирают на нулевой отметке каркасы секций 25, состоящие из несущих 1 и стабилизирующих 2 вант, распорок 6 и гибких связей 7-10 (каркасы секций 25 на этом этапе монтажа не напряжены);
- поднимают собранные каркасы секций 25 известными способами до проектной отметки (например, лебедками) и закрепляют концы 3 стабилизирующих вант 2 за прямолинейные жесткие элементы 4, а концы 11 несущих вант 1 - за верхние пояса 12 опорных вантовых ферм 13;
- закрепляют связи 9 и 10 за прямолинейные жесткие элементы 4;
- удаляют временные связи 14а (условно на фиг. не показаны);
- производят окончательное натяжение поясов 15 вантовых ферм 13 приспособлениями 16. В результате, верхние пояса 12 вантовых ферм 13, вместе с закрепленными за них несущими вантами 1, перемещаются вверх. Перемещение вант 1 влечет подъем стоек 6, которые, воздействуя на закрепленные от перемещений в узлах 3 стабилизирующие ванты 2, приводят к их натяжению. Аналогичным образом создается натяжение связей 9 и 10, которые закреплены своими концами за прямолинейные жесткие элементы 4 (установленные на неподвижные опоры 5, 5а), а в пролете закреплены за перемещающиеся вверх ванты 1 и связи 8. При необходимости, связи 9 дополнительно напрягают натяжными приспособлениями 23. Натяжение связей 9 влечет натяжение связей 7 и 8. Величину натяжения поясов 15 приспособлениями 16 и связей 9 приспособлениями 23 определяют расчетом исходя из условия работоспособности вантового покрытия, а также ограничения прогибов и кинематических перемещений, под действием внешних нагрузок.
Ограждающие конструкции устанавливают на предлагаемое вантовое покрытие известными способами. Например, тентовую мембрану 18 укладывают на стабилизирующие ванты 2 и верхние пояса 12 вантовых ферм 13. Производят натяжение тентовой мембраны 18 вдоль стабилизирующих вант 2 и верхних поясов 12 с последующим ее закреплением за жесткие элементы 4 известными способами. Укладывают напрягающие ванты 27 поверх мембраны 18 (либо пропускают ванты 27 в подготовленные карманы мембраны 18 (условно на фиг. не показаны), конструкция которых известна). Производят окончательное натяжение мембраны 18 напрягающими вантами 27.
Возможно натяжение тентовой мембраны 18 совместно с созданием предварительных напряжений в предлагаемом вантовом покрытии. В этом случае, мембрану 18 укладывают на верхние пояса 2 и 12 вантового покрытия, в котором созданы минимально необходимые напряжения для восприятия монтажных нагрузок, в том числе собственного веса. Закрепляют мембрану 18 за жесткие элементы 4. Укладывают напрягающие ванты 27. Производят окончательное натяжение поясов 15 вантовых ферм 13 приспособлениями 16.
К преимуществам технического решения, предлагаемого в данном изобретении, относятся следующие:
- возможность применения легкой тентовой мембраны в качестве ограждающей конструкции предлагаемого вантового покрытия;
- возможность применения предлагаемого вантового покрытия в зданиях с укрупненной сеткой колонн, например, в промышленных цехах (т.к. опорные вантовые фермы 13, способные перекрывать большие пролеты, установлены на значительном расстоянии друг от друга);
- отсутствие скопления атмосферных осадков на поверхности покрытия за счет наличия положительных уклонов на всех участках;
- возможность создания предварительных напряжений во всем вантовом покрытии натяжением нижних поясов 15 вантовых ферм 13 приспособлениями 16;
- возможность для обслуживающего персонала (например, ремонтных работников) перемещения по покрытию вдоль жестких элементов 4;
- отсутствие участков скопления атмосферных осадков на ендовах, расположенных вдоль элементов 4, вследствие прямолинейного очертания элементов 4 и расположения опорных узлов 5, 5а на одном уровне;
- наличие облегченных подстропильных конструкций (т.к. на «подстропильные» элементы 4 опираются связи 9, 10 и стабилизирующие ванты 2, загруженные меньше, чем несущие ванты 1);
- возможность варьирования очертания стабилизирующих вант 2 путем подбора необходимых длин распорок 6;
- возможность унификации длин распорок 6;
- компактные размеры предлагаемого вантового покрытия по высоте на стадии эксплуатации;
- компактные размеры предлагаемого вантового покрытия, подготовленного для транспортировки на строительную площадку.
ИСТОЧНИКИ
1. Михайлов В.В. Предварительно напряженные комбинированные стержневые вантовые конструкции: Учеб. пособие / В.В. Михайлов. - М.: АСВ, 2002. С. 104.
2. А.с. СССР №747958, E04B 7/14, 14.04.1978.
3. А.с. СССР №894114, E04B 7/14, 24.10.1979.
4. А.с. СССР №535398, E04B 7/14, 17.05.1974.
5. А.с. СССР №844714, E04B 7/14, 20.03.1978. (Прототип).