РАЗДВИГАЮЩАЯСЯ ВАНТОВАЯ КРЫША

Полезная модель относится к строительству, в частности к сооружениям с большими пролетами и раздвигающимися частями крыши, устраиваемой консольно над покрываемым крышей сооружением, и применяемое, напрмер, для стадионов, как уже существующих так и для вновь проектируемых, а также для крупных выставочных павильонов под особо крупно-габаритных экземпляров промышленности (самолетов, космических аппаратов, ракет и прочих достижений).
Известны конструкции вантовых перекрытий и раздвигающихся крыш, например, SU №№672279, 744083, 1020540, 1232765, RU №№22494, 73000, 74658, 2173751, 2187611, DE №№10043130, 19912278, 3801586, JP №2002322830
Известны раздвигающиеся крыши над стадионами "Гелредом" в городе Арнем, Голландия, "Фелтис Арена" в Гельзенкирхен, Германия, "Юниверсити оф Финикс Стэдиум" в городе Глендейл, штат Аризона, США и в Японии (новый стадион "глаз") Строится стадион в Санкт-Петербурге, где крыша должна будет складываться гармошкой. Перекрытия всех стадионов выполнены по каркасной схеме, что не может служить аналогом заявленной полезной модели (Стадионы мира - Интернет, "Википедия").
Недостаток их конструкции заключается в ограниченной возможности их использования только для эксклюзивных (авторских) проектов, причем участок крыши раскрывается целиком, что влечет за собой (как показала практика) сбои в работе механизма раскрытия - закрытия.
Известно вантовое перекрытие, содержащее подвешенные к пилону на вантах блоки, собранные из ферм, в котором блоки расположены радиально пилону, который выполнен полым и установлен за пределами перекрываемого помещения, а каждый блок концом, обращенным в сторону пилона, консольно оперт на неподвижно закрепленный каркас перекрываемого помещения. Пилон выполнен в виде полой предварительно напряженной башни, блоки жестко скреплены с каркасом, фермы блоков выполнены из стальных трубчатых элементов (RU 73000).
Недостатком данной конструкции является необходимость размещения пилона в средней части сооружения, что ограничивает используемую полезную площадь.
Известна подвесная крыша, включающая ряд последовательно установленных на основаниях рам, каждая из которых образована парой обращенных навстречу друг другу и шарнирно соединенных стоек с ригелями под настил, связанными посредством несущих вант.
Недостаток известной подвесной крыши заключается в том, что для погашения горизонтальных усилий в несущих вантах используют оттяжки, требующие наличия большой свободной территории вокруг здания. Кроме того, такое устройство сложно в изготовлении и неудобно в эксплуатации.
Наиболее близким к предлагаемому является конструкция - стадион, включающий спортивно-зрелищную площадку, трибуны, колонны, трансформируемое покрытие из ограждающих секционных элементов, смонтированных с возможностью поворота вокруг горизонтальных осей до смыкания ограждающих элементов, и привод, причем покрытие снабжено стационарным сетчатым несущим каркасом, содержащим опорный контур, ванты или арки, а ограждающие элементы смонтированы на несущем каркасе и имеют фиксаторы, устанавливаемые по контуру каждой секции ограждающего элемента для временного крепления их к сетчатому несущему каркасу. Опорный контур несущего каркаса выполнен в виде стержневых конструкций или опорный контур несущего каркаса выполнен в виде плоских конструкций или опорный контур выполнен в виде пространственной конструкции из неподвижных несущих трибун. При этом несущий каркас покрытия снабжен дефлектором, смонтированным на вантах или арках в центре каркаса с возможностью соединения с ограждающими секционными элементами (RU 2187611).
Недостатками данной конструкции являются сложность трансформируемого покрытия. Помимо большого количества дополнительных элементов (колонны, опорный контур, и прочее) выделяются два основных недостатка. При трансформации покрытия ограждающие секционные элементы в открытом положении остаются в вертикальной плоскости. При большой высоте секции, а также ширине, создается колоссальная площадь парусности, проблему которой, вероятнее всего, невозможно будет решить. Второй недостаток прототипа - относительно малая площадь покрытия, перекрываемого объекта. Такая конструкция возможно применима, но для ограниченного числа объектов с малыми размерами своего объема.
Технической задачей полезной модели является создание конструкции крыши для помещения большого объема в трехмерном измерении над существующим, или проектируемым спортивным стадионом, или другим объектом, с возможностью открывания для доступа прямого солнечного света, например, для игрового поля стадиона с травяным покрытием, и закрывания для создания комфортного от непогоды помещения для зрителей.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в том, что исключены горизонтальные составляющие нагрузки на раздвижные конструкции (подвижные блоки) крыши благодаря креплению всех вант с одной стороны к неподвижным жестким балкам, расположенным вне зоны перемещения раздвижных конструкций, а с другой - к парным V - образным пилонам, расположенным по обе стороны объекта, за его пределами с возможностью уравновешивания горизонтальных усилий, образующихся в вантовой конструкции, без передачи нагрузки на перекрываемый объект, что, в свою очередь, обеспечивает повышение жесткости и надежности, расширяет функциональные возможности для открывания о закрывания крыши, позволяет снизить расход металла. При этом отсутствует парусность, конструкция является относительно простой.
Сущность полезной модели состоит в том, что раздвигающаяся вантовая крыша содержит две пары V-образных пилонов размещенные противоположно снаружи периметра перекрываемого сооружения, две встречно ориентированные группы подвешенных к указанным пилонам на вантах жестких балок с закрепленным на них кровельным покрытием, расположенных радиально пилонам и консольно опертых с каждой стороны сооружения на неподвижный каркас, выполненный с возможностью размещения раздвижных блоков крыши, размещенных с возможностью перемещения по дополнительно установленным параллельным балкам, расположенным в средней части сооружения, а пилоны в каждой паре ориентированы вершинами противоположно друг другу и установлены наклонно к горизонтальной плоскости, причем один пилон размещен нижней частью ближе к периметру сооружения с наклоном в сторону, противоположную последнему, а второй пилон размещен нижней частью дальше от периметра сооружения с наклоном в сторону последнего, при этом стойки первого и второго пилонов соединены оттяжками.
Предпочтительно, в каждой группе первый пилон обращен вершиной V-образной формы вверх, а второй пилон - вниз, первый пилон установлен с наклоном 78°-82° к продольной оси перекрываемого объекта, а второй - с наклоном 58°-62° к продольной оси перекрываемого объекта, стойки первого пилона установлены под углом 20°-25° к поперечной оси перекрываемого объекта, а стойки второго пилона - под углом 40°-45° к поперечной оси перекрываемого объекта, стойки первого и второго пилонов соединены оттяжками, закрепленными на стойках хомутами, при этом стойки второго пилона соединены между собой распоркой, балки жестко скреплены с каркасом и собраны из ферм, раздвижные блоки крыши выполнены из ферм с покрытием из прозрачного материала, раздвижные блоки крыши снабжены колесными катками для перемещения по параллельным балкам.
При этом каркас выполнен с возможностью размещения раздвижных блоков крыши штабелем и снабжен горизонтальным и вертикальным конвейерным механизмом, каждая группа подвешенных к пилонам на вантах жестких балок с закрепленным на них кровельным покрытием разделена в продольном направлении на три участка деформационными швами, образованными дополнительно установленными парными балками.
На чертежах изображены:
- на фиг.1 - схема консольной вантовой конструкции;
- на фиг 2 - план крыши перекрываемого (покрываемого) объекта;
- на фиг 3 - разрез по 1-1 по фиг 2;
- на фиг 4 - разрез по 3-3 по фиг 2;
- на фиг.5 - разрез 2-2 по фиг 2;
- на фиг 6 - узел "А" на фиг 3.
Раздвигающаяся вантовая крыша состоит из двух одинаковых консольных частей - правой и левой, симметрично относительно поперечной оси объекта. Крыша содержит две пары V-образных пилонов 1, 13, ориентированных вершинами V-образных форм противоположно друг другу и размещенных противоположно (по продольной оси сооружения) снаружи периметра перекрываемого сооружения. Крыша содержит также две встречно ориентированные группы подвешенных к указанным пилонам 1, 13 на вантах 3 в точках (метках) 10 жестких балок 2 с закрепленным на них кровельным покрытием. Балки 2 (за исключением дополнительно установленных балок 2) расположены радиально (веером) пилонам 1, 13 и консольно оперты с каждой стороны сооружения на неподвижный каркас 4, выполненный для размещения в нем раздвижных блоков 8 крыши, размещенных с возможностью перемещения вдоль дополнительно установленных параллельных жестких балок 2, расположенным в средней части сооружения. Пилоны 1, 13 в каждой группе установлены наклонно друг другу и к горизонтальной плоскости, причем один пилон 13 размещен нижней (опорной) частью ближе к периметру сооружения с наклоном в сторону, противоположную последнему, а второй пилон 1 размещен нижней (опорной) частью дальше от периметра сооружения с наклоном в сторону последнего, при этом стойки первого и стойки второго пилонов 1, 13 соединены горизонтальными оттяжками 6, в продольном направлении сооружения.
В каждой группе первый пилон 13 обращен вершиной V-образной формы вверх, а второй пилон 1 - вниз.
Первый пилон 13 установлен с наклоном 78°-82° к продольной оси перекрываемого объекта, а второй пилон 1-е наклоном 58°-62° к продольной оси перекрываемого объекта.
Стойки (ветви) первого пилона 13 установлены под углом 20-25 к поперечной оси перекрываемого объекта, а стойки второго пилона - под углом 40°-45° к поперечной оси перекрываемого объекта.
Сечение стоек пилона 13 прямоугольное, переходящее по высоте на меньший размер сечения до стыковки стоек друг с другом. Стойки пилона 1 выполняются круглого сечения, конической формы.
В каждой паре стойки первого и второго пилонов 1, 13 соединены оттяжками 6, закрепленными на стойках хомутами 5, при этом стойки второго пилона 1 соединены между собой стабилизирующей распоркой (балкой) 7. В результате стойки пилона 1 взаимодействуют со всей вантовой системой крыши через хомуты 5, к которым крепятся наклонные ванты 3, горизонтальные оттяжки 6, и распорка 7. Распорка 7 выполнена полой, из труб, через которые свободно пропущена замкнутая гибкая затяжка (не изображена).
Каждый пилон 1 принят несколько увеличенного размера по высоте в связи с функциональным требованием крепления к нему световой и звуковой аппаратуры 12.
Балки 2 жестко скреплены с каркасом 4 и собраны из ферм.
Раздвижные блоки 8 крыши выполнены из ферм с кровельным покрытием из прозрачного материала.
Раздвижные блоки 8 крыши снабжены колесными катками 9 (опорные части в виде колес, по подобию мостовых кранов) для перемещения по параллельным дополнительно установленным балкам 2.
Каркас 4 с каждой стороны сооружения выполнен с возможностью размещения раздвижных блоков 8 крыши штабелем и снабжен горизонтальным и вертикальным конвейерным механизмом.
Каждая группа подвешенных к пилонам 1, 13 на вантах 3 жестких балок 2 с закрепленным на них кровельным покрытием разделена в продольном направлении на три участка деформационными швами 11, образованными дополнительно установленными парными балками 2. Таким образом, крыша состоит из раскрываемого участка в середине, представляющего собой ряд блоков 8, которые могут перемещаться на катках 9 по параллельным жестким балкам 2, и четыре (по две со стороны каждой пары пилонов 1, 13) группы неподвижных, закрепленных к вантам 3 и консольно опертых на каркасы 4 группы блоков 2 с кровельным покрытием, разделенных деформационными швами 11 вдоль и поперек перекрываемого сооружения.
Геометрия устройства несущих конструкций вантовой крыши (пилоны 1 и 13) обусловлена параметрами перекрываемого сооружения. В каждом конкретном проекте требуется определение геометрических характеристик, приведенных ниже.
L - размер перекрываемой крыши, равный половине продольной оси объекта.
Н - размер от пола высоты крепления вант на пилонах.
h - высота от пола до покрытия объекта.
W - размер между стойками пилона 1 на высоте Н, равный ширине раскрываемого участка крыши, но не >1/3 всей ширины крыши.
V - размер в основании между опорами пилона 13.
а - размер по продольной оси объекта между основаниями пилонов.
b - размер между основанием пилона 13 и поз. 4.
m - метр
Н=0,8L, но не <2h, т.е. 2h_>H=0,8L
a=W/2
b=а+5m
V=не<а, т.е. V≥а.
Взаиморасположение V-образных пилонов (1 и 13) выбирается исходя из условия устойчивости конструкции их основания. Центр тяжести опрокидывающего момента, возникающего от горизонтальных усилий, действующих на пилон 13, уравновешивается осевым усилием (векторной составляющей от вантовой нагрузки) пилона 1. Нагрузка на основание пилона 1 должна быть с противоположной стороны (относительно сооружения) основания пилона 13.
Раздвигающаяся вантовая крыша эксплуатируется следующим образом.
В статическом состоянии вантовая конструкция крыши работает по классической схеме фиг 1. Растянутые в процессе эксплуатации ванты 3 и замкнутая гибкая затяжка в распорке 7 как растянутые элементы обладают устойчивостью своего пространственного положения и, следовательно, являются для распорки 7 промежуточными упругоподатливаемыми опорами. В начале строительства (до монтажа вантовой конструкции) первым вводится пилон 13 и горизонтальные оттяжки 6, к ним подсоединяется пилон 1 с стабилизирующей распоркой 7. Разница усилий суммарных векторных составляющих замкнутой затяжки в распорки 7 воспринимается расчетным сечением ветви пилона 1.
Крыша раскрывается в центральной своей части по продольной оси, в связи с чем для подвески вант 3 и балок 2 применены пары V-образных пилонов 1, 13, в результате чего стало возможным развести ванты 3 в стороны от продольной оси сооружения, что обеспечило пропуск блоков 8 кровли для складирования их шахтным образом в штабели (друг над другом) в каркас 4. Суммарная составляющая горизонтальных усилий, образующихся в вантовой конструкции, передается на пару V-образных пилонов 1, 13, устанавливаемых с двух противоположных наружных сторон сооружения. Благодаря этому в центральной своей части крыша раздвигается отдельными блоками 8 для обеспечения возможности пропуска прямого солнечного света для игрового поля стадиона с травяным покрытием и закрывается для создания комфортного от непогоды помещения для зрителей.
Второй пилон 1 воспринимает основные возникающие усилия от конструкции крыши. Посредством распорки 7 между ветвями пилона 1 горизонтальные составляющие усилия, через горизонтально расположенные оттяжки 6, передаются на первый пилон 13, после чего на основание фундамента. Таким образом, по центральной продольной оси сооружения в поперечном сечении раздвинуты жесткие блоки 2 на размер блоков 8 кровли, убирающихся при раскрывании крыши. Раскрывается крыша по типу конвейерного способа, путем откатки кровельных блоков 8 поштучно в сооружение для шахтного хранения данных блоков. Каркас 4 этого сооружения одновременно служит опорной частью для жестких блоков 2 (балок жесткости) вантовой конструкции крыши. Крыша над объектом сооружается без передачи нагрузки на перекрываемый объект. В продольном направлении каждая из частей крыши в свою очередь делится на три участка деформационными швами 11, образующимися спаренными жесткими блоками (балками жесткости) 2. Основную вертикальную нагрузку несут железобетонные пилоны 1, 13 и каркас 4 отдельно стоящего сооружения, а горизонтально составляющий вектор растягивающих усилий воспринимается вантовой конструкцией металлических вант 3, что позволяет уменьшить материалоемкость на 7-9%. Кроме того, становится возможной замена кровельных блоков 8 без нарушения целостности всей раскрывающейся крыши. В заявляемой конструкции обеспечена возможность раскрытия крыши путем откатки отдельных элементов (блоков 8) крыши в укрытое помещение. Важным является также обеспечение ремонтопригодности складируемых блоков 8 в закрытом помещении каркасов 4.
Таким образом, создана конструкция крыши для помещения большого объема в трехмерном измерении над существующим, или проектируемым спортивным стадионом, или другим объектом, с возможностью открывания для доступа прямого солнечного света, например, для игрового поля стадиона с травяным покрытием, и закрывания для создания комфортного от непогоды помещения для зрителей.
Исключены горизонтальные составляющие нагрузки на раздвижные конструкции (подвижные блоки) крыши благодаря креплению всех вант с одной стороны к неподвижным жестким балкам, расположенным вне зоны перемещения раздвижных конструкций, а с другой - к парным V-образным пилонам, расположенным по обе стороны объекта, за его пределами с возможностью уравновешивания горизонтальных усилий, образующихся в вантовой конструкции, без передачи нагрузки на перекрываемый объект, что, в свою очередь, обеспечивает повышение жесткости и надежности, расширяет функциональные возможности для открывания о закрывания крыши, позволяет снизить расход металла. При этом отсутствует парусность, конструкция является относительно простой и ремонтопригодной.