Уникальные большепролетные конструкции зданий. Конструктивные решения зданий. Список использованной литературы

Архитектурный облик большепролетных зданий в значительной степени определяется их ролью в композиции фрагмента окружающей городской застройки, функциональными особенностями зданий и примененными конструкциями покрытий.

Общественные функции зданий зального типа требуют выделять перед ними значительные свободные пространства различного назначения для: перемещения больших потоков зрителей перед началом или по окончании зрелищ (перед зрелищными или демонстрационными спортивными сооружениями); размещения открытой части экспозиции (перед выставочными павильонами): сезонной торговли (перед крытыми рынками) и т. д. Перед любыми из этих зданий отводят также территории для паркования индивидуальных автомашин. Таким образом, независимо от назначения здания его размещение в застройке дает возможность целостно воспринимать объем сооружения с удаленных точек зрения. Это обстоятельство определяет общие композиционные требования к архитектуре зданий: целостность и монументальность их облика и преимущественно крупный масштаб основных членений объема.

Такую особенность градостроительной роли общественных зданий зального типа часто учитывают в композиции их облика. Вспомогательные и обслуживающие помещения, которые могут быть размещены в отдельных объемах, приблокированных к основному (как, например, во Дворце спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге), по большей части не блокируют, а вписывают в основной объем здания. Для этого вспомогательные и обслуживающие помещения спортивных зданий располагают в нижних этажах или в подтрибунном пространстве, в зданиях крытых рынков и выставочных павильонов - в цокольном и подвальном этажах и т. п.

Характерными примерами реализации подобного объемно-планировочного принципа компоновки здания служат такие внешне различные объекты, как универсальный Олимпийский зал «Дружба» в Лужниках в Москве и здание спортивного центра префектуры Такамацу в Ниигате (Япония).

Зал «Дружба» имеет основной демонстрационный зал вместимостью 1,5-4 тыс. зрителей (при трансформации) с ареной 42X42 м, рассчитанной на 12 видов спорта при оптимальной видимости всех соревнований (предельное удаление 68 м). Зал покрыт пологой сферической оболочкой, опертой на 28 наклонных опор из сборно-монолитных складчатых оболочек двоякой кривизны. Наклонное расположение опор позволило увеличить габариты первого этажа и за счет этого разместить в нем четыре тренировочных зала и четыре спортивные площадки, вписанные в единый центрально-симметричный объем с ярко выраженной тектоничностью архитектурной формы ( ).

Из обоих примеров видно влияние конструктивной формы покрытия на архитектурную форму. И это не случайно, так как конструкция покрытия составляет от 60 до 100% наружных ограждений зданий.

Из числа функциональных параметров на выбор формы покрытия наибольшее влияние оказывают принятые план, вместимость, характер размещения зрительских мест (в спортивных и зрелищных зданиях) и величины пролетов покрытий ( ). В мировой практике для выставочных, многофункциональных зрительных и спортивных залов используют ограниченное число форм планов: прямоугольник, трапецию, овал, круг, многоугольник.

Однако форма плана зала и величины его пролетов не предопределяют однозначно форму покрытия. Большое влияние на ее выбор оказывают не только план, но и обусловленная функциональными особенностями форма здания. Как известно, в демонстрационных спортивных залах вместимость и расположение трибун определяют асимметричную или центрально-симметричную композицию здания, с которой должен быть согласован выбор формы покрытия. С асимметричной формой здания хорошо гармонируют висячие покрытия, с осесимметричной - как сводчатые, так и висячие. Для центричных в плане зданий применимы центричные же конструкции покрытий ( , ).

Окончательный выбор формы покрытия помимо функциональных определяется конструктивными, технологическими, технико-экономическими и архитектурно-художественными требованиями. Согласно последним, конструкция уникального большепролетного здания должна способствовать созданию выразительной тектоничной, индивидуальной, масштабной архитектурной формы. Внедрение пространственных висячих конструкций и конструкций из жестких оболочек дало беспрецедентные и многовариантные архитектурные возможности. Комбинируя различные типы, число, размеры элементарных оболочек, архитектор с помощью конструктора может добиться требуемого масштабного членения формы и индивидуализации ее облика, оригинально разместить проемы верхнего света в покрытии.

Так, например, только для покрытия треугольного в плане помещения могут быть применены пологая оболочка на выпуклом контуре, комбинированное покрытие из четырех треугольных в плане оболочек положительной кривизны, из трех - отрицательной и одной - положительной кривизны и т. д. Одним из наиболее оригинальных по конструкции и выразительных по архитектурной форме является покрытие треугольного в плане выставочного здания в Париже комбинированной оболочкой в виде сомкнутого из трех лотков свода пролетом 206 м. Лотки состоят из двух волнистых оболочек, раскрепленных через каждые три волны диафрагмами жесткости. Использование волнистой формы позволило решить не только чисто конструктивную задачу (достигнуть устойчивости тонкой оболочки), но и обеспечило масштабность композиции этого уникального здания, а традиционная для архитектуры камня система сомкнутого свода получила индивидуальную и остро современную тектоническую трактовку. Столь же индивидуальной и современной оказалась композиционная трактовка железобетонного крестового свода покрытия над квадратным планом здания крытого Олимпийского катка в Гренобле.

Естественно, однако, что в наибольшей степени современный характер архитектуре большепролетных покрытий железобетонными жесткими оболочками придают присущие только им комбинации геометрических форм в виде волнистых куполов и сводов, элементарных или комбинированных фрагментов оболочек с поверхностями отрицательной кривизны или комбинации из оболочек произвольной геометрической формы.

Архитектурно-композиционные возможности висячих систем покрытий непосредственно связаны с их конструктивной формой, возможностями ее индивидуализации и тектоничного выявления в объемной форме здания. В этом отношении наибольшими возможностями обладают висячие покрытия шатрового типа, покрытия на пространственном контуре, а также различные варианты комбинированных висячих систем. В чрезвычайном разнообразии внешнего облика зданий, которое обеспечивает применение висячих покрытий на замкнутом пространственном контуре, можно убедиться, сопоставив такие олимпийские объекты Москвы, как крытый велотрек и спортивный зал в Измайлове. К сожалению, мало способствует индивидуальности внешнего облика здания применение ряда технически наиболее эффективных висячих конструкций, например одно- или двухпоясных систем с горизонтальным кольцевым опорным контуром над круглыми или эллиптическими в плане зданиями. Несущая конструкция с малой стрелой провиса не выявляется во внешней форме здания, а в интерьере обычно бывает скрыта подвесными потолками или осветительными установками. Здания с покрытиями такого типа обычно имеют композицию в виде круглого периптера, антаблемент которого - кольцо опорного контура, а колонны - поддерживающие его стойки (Дворец спорта «Юбилейный» и Олимпийский зал в Санкт-Петербурге, Олимпийский дворец спорта на проспекте Мира в Москве и др.).

Наряду с несущими конструкциями покрытий в композиции зальных общественных зданий значительную роль играют наружные, как правило, ненесущие стены. Образным выражением их ненесущей функции может служить выполнение их с незначительным отклонением от вертикали, придающее зданию характерный силуэт (сужающийся или расширяющийся книзу).

Значительную часть поверхности наружных стен зальных зданий занимают светопрозрачные витражные конструкции. Их композиционные свойства и членения обогащаются при сочетании в конструкции двух-трех светопрозрачных материалов, например профильного и листового стекла.

Большепролетные конструкции играют значительную роль в мировой архитектуре. И заложено это ещё в давние времена, когда собственно и появилось это особое направление архитектурного проектирования.

Идея и реализация большепролетных проектов неразрывно связана с основным стремлением не только строителя и архитектора, но и всего человечества в целом - стремлением покорения пространства. Именно поэтому, начиная со 125 года н. э., когда появилось первое известное в истории большепролетное строение, Пантеон Рима (диаметр основания - 43 м), и заканчивая творениями современных архитекторов, большепролетные конструкции пользуются особой популярностью.

История большепролетных конструкций

Как уже говорилось выше - первым был Пантеон в Риме построенный в 125 году н. э. Позднее появились и другие величественные строения с большепролетными купольными элементами. Ярким примером можно считать храм Святой Софии построенный в Константинополе в 537 году н. э. Диаметр купола составляет 32 метра, а сам он придаёт всему сооружению не только величественность, но и удивительную красоту, которой и по сей день восхищаются и туристы, и архитекторы.

В те и более поздние времена из камня невозможно было построить легкие сооружения. Поэтому купольные строения характеризовались большой массивностью а их строительство требовало серьёзных временных затрат - до ста и более лет.

Позже, для обустройства перекрытий больших пролетов начали использоваться и деревянные конструкции. Здесь яркий примером является достижение отечественной архитектуры - бывший Манеж в Москве был построен в 1812 году и имел в своей конструкции деревянные пролеты длиной 30 м.

XVIII-XIX столетия характеризуются развитием черной металлургии, что дало новые и более прочные материалы для строительства - сталь и чугун. Это ознаменовало появление во второй половине 19-го столетия большепролетных стальных конструкций, получивших большое применение в российской и мировой архитектуре.

Следующим строительным материалом, существенно расширившим возможности архитекторов, стали железобетонные конструкции. Благодаря появлению и совершенствованию ЖБК мировая архитектура 20-го столетия пополнилась тонкостенными пространственными конструкциями. Параллельно, во второй половине ХХ столетия, стали широко использоваться висячие покрытия, стержневые и пневматические системы.

Во второй половине ХХ столетия появилась и клееная древесина. Развитие этой технологии позволило «вернуть к жизни» деревянные большепролетные конструкции, достичь особых показателей легкости и невесомости, завоевать пространство, не идя при этом на компромисс с прочностью и надежностью.

Большепролетные конструкции в современном мире

Как показывает история - логика развития большепролетных конструктивных систем была направлена на повышение качества и надежности строительства, а также архитектурной ценности строения. Применение данного типа конструкций позволило в наибольшей мере использовать весь потенциал несущих свойств материала, создать благодаря этому легкие, надежные и экономичные перекрытия. Всё это особо важно для современного архитектора, когда на первый план в современном строительстве выдвинулось снижение массы конструкций и сооружений.

Но что же представляют собой большепролетные конструкции? Здесь мнения экспертов расходятся. Единого определения нет. По одной из версий - это любая конструкция с длиной пролета более 36 м. По другой - конструкции с безопорным покрытием длиной более 60 м, хотя они уже относятся к категории уникальных. К последним относятся и строения с длиной пролета больше ста метров.

Но в любом случае, независимо от определения, современная архитектура однозначна в том, что большепролетные строения являются сложными объектами. А это означает и высокий уровень ответственности архитектора, необходимость в принятии дополнительных мер безопасности на каждом из этапов - архитектурное проектирование, строительство, эксплуатация.

Важным моментом является выбор строительного материала - дерева, ЖБК или стали. Помимо этих традиционных материалов используются и специальные ткани, тросы и углепластик. Выбор материала зависит от задач стоящих перед архитектором и специфики строительства. Рассмотрим основные материалы используемые в современном большепролетном строительстве.

Перспективы большепролетного строительства

Учитывая историю мировой архитектуры и неизбежное стремление человека к завоеванию пространства и созданию совершенных архитектурных форм, можно смело прогнозировать устойчивый рост внимания к большепролетным конструкциям. Что касается материалов, то помимо современных высокотехнологичных решений, всё большее внимание будет уделяться КДК, представляющим собой уникальный синтез традиционного материала и современных высоких технологий.

Что же касается России, то, учитывая темпы развития экономики и не удовлетворенную потребность в объектах различного назначения, в т. ч. торговой и спортивной инфраструктуры, объёмы строительства большепролетных здания и сооружений будут постоянно увеличиваться. И здесь всё большую роль будут играть уникальные конструкторские решения, качество материалов и использование инновационных технологий.

Но не забудем и об экономической составляющей. Именно она стоит и будет стоять во главе угла, и именно сквозь неё будет рассматриваться эффективность того или иного материала, технологии и конструкторского решения. И в этой связи опять хочется вспомнить про клееные деревянные конструкции. Им, по мнению многих экспертов, принадлежит будущее большепролетного строительства.

Федеральное агентство по образованию

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Архитектурно-строительный факультет

И.В. Федорцев, Е.А. Султанова

Технология возведения

конструкций покрытия

большепролетных зданий

(учебное пособие)

Утверждено решением Ученого Совета УГНТУ в качестве

учебного пособия (протокол от _________№ _______)

Рецензенты:

____________________________________________________________________________________________________________________

Федорцев И.В., Султанова Е.А.

Технология возведения конструкций покрытия большепролетных зданий: Учебное пособие / И.В.Федорцев, Е.А. Султанова. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – с. ______

ISBN – 5 – 9492 – 055 – 1.

Учебное пособие «Технология возведения конструкций покрытия большепролетных зданий» разработано в качестве основного учебно-методического руководства для студентов специальности – «Промышленное и гражданское строительство» при изучении специальной дисциплины «Технология возведения зданий и сооружений» (ТВЗС).

Содержит систематизированный материал имеющегося опыта строительства таких большепролетных конструкций как: балочные, рамные, арочные, вантовые, мембранные, структурные плиты, купольные, тентовые и др. Организация и технология монтажных процессов при строительстве этих зданий и сооружений изложена в виде четкого технологического регламента работ, выполняемого в определенной технологической последовательности с достаточной «детализацией» монтажных процессов в виде «технологических карт» и схем механизации работ. Последние могут быть использованы как принципиальные рекомендации для разработки организационно-технологической документации при проектировании проекта производства работ для конкретных объектов.

Определенный интерес представляет изложенный в «Пособии» опыт монтажа арочного покрытия ледового дворца в г. Уфе, метод возведения которого был впервые в практике строительства подобных большепролетных зданий реализован строительно-монтажными подразделениями Башкортостана по проекту и силами ОАО «Востокнефтезаводмонтаж». Пособие содержит по каждому типу конструкций выводы и контрольные вопросы, позволяющие пользователю осуществлять самостоятельную оценку усвоения изложенного в нем материала.

Предназначено для студентов строительных специальностей УГНТУ при изучении курсов ТВЗС, ТВБзд и ТСМР, слушателей ИПК УГНТУ и строительных организаций и подразделений, так или иначе, связанных с вопросами возведения большепролетных зданий и сооружений.

И.В. Федорцев, Е.А. Султанова

ISBN – 5 – 9492 – 055 – 1 УДК 697.3

ВВЕДЕНИЕ

Большепролетными считаются здания, у которых расстояние между опорами несущих конструкций покрытия составляет более 40м.

Системы, перекрывающие большие пролеты, проектируются чаще всего однопролетными, что вытекает из основного фундаментального требования – отсутствие промежуточных опор.

В промышленном строительстве это, как правило, сборочные цеха судостроительных, авиационных, машиностроительных заводов. В гражданском – выставочные залы, павильоны, концертные залы и спортивные сооружения. Опыт проектирования и строительства большепролетных покрытий показывает, что наиболее сложной задачей их возведения является монтаж конструкций покрытия.

Несущие конструкции покрытий больших пролетов по статической схеме подразделяются на балочные, рамные, арочные, структурные, купольные, складчатые, висячие, комбинированные и сетчатые. Все они выполняются, главным образом, из стали и алюминия, железобетона, дерева, пластмасс и воздухонепроницаемых тканей. Возможности и область применения пространственных конструкций обусловлены их конструктивной схемой и величиной пролета.

При выборе типа здания и сооружения важным, зачастую решающим фактором, является метод их возведения. Это обусловлено тем, что существующие средства механизации и традиционные методы монтажа не всегда пригодны для большепролетных конструкций. Поэтому затраты на строительство таких зданий в значительной мере превышают затраты на возведение типовых традиционных конструкций. Теория и практика строительства большепролетных сооружений у нас в стране и за рубежом показали, что наибольший резерв повышения эффективности такого строительства в современных условиях заключен в совершенствовании организационно-технологических аспектов строительства, монтажной технологичности и архитектурно-конструктивных решений. Под монтажной технологичностью понимается свойство конструкции, определяющее соответствие ее требованиям технологии монтажных работ и позволяющее наиболее просто, с наименьшими затратами труда, времени и средств производства, осуществить их изготовление, транспортировку и монтаж при соблюдении требований безопасности и качества продукции. Примером такого комплексного инженерно-обоснованного организационно-технологического решения монтажа большепролетного здания в «Пособии» является приведенный опыт возведения юбилейного объекта в Башкортостане – ледового дворца «Уфа-арена». Уникальность монтажа арочного покрытия сооружения заключается в предложенной ОАО «Востокнефтезаводмонтаж» оригинальной организации сборочно-монтажных процессов, выполняемых не на земле, как обычно, а на проектных отметках (20м) с последующим «надвигом» полностью укрупненного блока весом более 500т с помощью системы гидродомкратов. Такой метод монтажа, впервые разработанный ОАО ВНЗМ, обеспечил «оптимальные» сроки возведения юбилейного объекта и, главное, позволил имеющимся у подрядчика комплекта тяжелой строительной техники осуществить сборку и монтаж массивных конструкций непосредственно в проектном положении. Использование альтернативного, в этом случае, как вариант, традиционного метода «надвига» потребовал бы привлечения более мощных монтажных кранов (СКГ-160), что в условиях сложившейся инфраструктуры микрорайона города, где строился ледовый дворец, было практически неосуществимо.

Характеристика большепролетных конструкций как совокупность их конструктивных параметров, материала изготовления и габаритных размеров рассматривается ниже согласно следующего типажа этих конструкций, а именно:

Балочные;

Арочные;

Структурные плиты;

Вантовые системы;

Мембранные покрытия;

Тентовые сооружения;

Шатровые покрытия.

1 Классификация большепролетных конструкций

Классификация большепролетных конструкций по типам конструктивных схем покрытия зданий и сооружений приведена в табл. 1, содержащей основные сведения, характеризующие область их применения и диапазон пролетов, перекрываемых этими системами. Краткая аннотация по каждому из типов большепролетных конструкций, дифференцированных по величине пролетов, позволяет систематизировать присущие им преимущества и недостатки и, в конечном итоге, определить возможный «рейтинг» того или иного решения «кровельного» покрытия проектируемого здания.

Балочные покрытия - состоят из главных поперечных пространственных и плоских промежуточных балок конструкций – прогонов. Характеризуются отсутствием распора от конструкции покрытия, что существенно «упрощает» характер работы несущих элементов каркаса и фундаментов. Главный недостаток – большой расход стали и значительная строительная высота самих пролетных конструкций. Поэтому они могут применяться в пролетах до 100 м и, главным образом, в производствах, характеризующихся необходимостью применения тяжелых мостовых кранов.

Рамные покрытия характеризуются по сравнению с балочными меньшей массой, большей жесткостью и меньшей строительной высотой. Могут применяться в зданиях пролетом до 120 м.

Арочные покрытия по статической схеме подразделяются на 2 х, 3 х и бесшарнирные. Они имеют меньшую массу чем балочные и рамные, но более

Возможности применения пространственных конструкций

Таблица 1

сложны в изготовлении и монтаже. Качественная характеристика арок в основном зависит от их высоты и очертания. Оптимальная высота арки – 1/4 …1/6 пролета. Наилучшее очертание, если геометрическая ось совпадает с кривой давления.

Сечения арок делают решетчатыми или сплошными высотой соответственно 1/30 … 1/60 и 1/50 … 1/80 пролета. Арочные покрытия используются при величине пролета до 200 м.

Пространственные покрытия характерны тем, что оси всех несущих элементов не лежат в одной плоскости. Они подразделяются на: купола и оболочки, характеризующиеся как трехмерные несущие конструкции, отличающиеся пространственной работой и состоящие из поверхностей одинарной или двойной кривизны. Под оболочкой понимается структура, форма которой представляет криволинейную поверхность с достаточно малой ее толщиной по сравнению с самой поверхностью. Основное отличие оболочек от сводов состоит в том, что в них возникают и растягивающие и сжимающие усилия.

Ребристые купола состоят из системы плоских ферм, связанных понизу и поверху опорными кольцами. Верхние пояса ферм образуют поверхность вращения (сферическую, параболическую). Такой купол является распорной системой, в которой нижнее кольцо подвергается растяжению, а верхнее – сжатию.

Ребристо-кольцевые купола образуются ребристыми полуарками, опирающимися на нижнее кольцо. Ребра по высоте связывают горизонтальными кольцевыми балками. По несущим ребрам могут быть уложены криволинейные плиты из легкого бетона или стальной настил. Опорное кольцо, как правило, железобетонное и преднапряженное.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями проектируются, главным образом, из металлоконструкций. Введение в систему ребристо-кольцевых элементов диагональных связей позволяет более рационально распределить сжато-растянутые и изгибающие усилия, что обеспечивает малый расход металла и стоимость самого купольного покрытия.

Структурные покрытия применяются для перекрытия больших пролетов промышленного и гражданского назначения. Это пространственно - стержневые системы, отличающиеся тем, что при их формировании появляется возможность применения многократно повторяющихся элементов. Наибольшее распространение получили структуры типа: ЦНИИСК, «Кисловодск», «Берлин», «МАРХИ» и др.

Висячие покрытия (ванты и мембраны ) – основными несущими элементами являются гибкие стальные канаты или тонкостенные листовые металлические конструкции ортогонально растянутые на опорные контуры.

Ванты и мембраны существенно отличаются от традиционных конструкций. К их достоинствам относится: растянутые элементы эффективно используются по всей площади сечения; обеспечивается малая масса несущей конструкции, возведение этих конструкций не требует устройства лесов и подмостей висячих покрытий. Чем больше пролет здания, тем более экономична конструкция покрытия. Однако им присуще и свои недостатки:

Повышенная деформативность покрытия. Для обеспечения жесткости покрытия приходится принимать дополнительные конструктивные решения за счет введения стабилизирующих элементов;

Необходимость устраивать специальную опорную конструкцию в виде опорного контура для восприятия «распора» от вант или мембраны, что увеличивает стоимость покрытия.

К большепролетным зданиям относятся здания театров, концертных и спортивных залов, выставочных павильонов, гаражей, ангаров, самолетостроительных и судостроительных заводов и другие здания с пролетами основньщ несущих конструкций 50 м и более. Как правило, такие здания проектируют однопролетными. Перекрывают их балочными системами (в основном фермами), рамами, арками, вантов"ыми (висячими), комбинированными и другими конструкциями.

В стержнях ферм больших пролетов возникают значительные усилия, поэтому вместо традиционных сечений из двух уголков применяют двухстенчатые составные сечения. Высоту ферм назначают в пределах l/s-Vis пролета, при этом она получается более 3,8 м. Перевозить фермы такой высоты по железной дороге нельзя, их собирают на строительной площадке.-

Рамы применяют в покрытиях зданий пролетами 60-120 м. Благодаря жесткому сопряжению ригеля со стойками изгибающие моменты в пролете будут меньше, чем в балочной конструкции:, Это позволяет не только уменьшить площадь сечения поясов, но и высоту ригеля, а следовательно, и высоту здания. Применяют как бесшарнирные, так и двухшариирные рамы. Бесшарнирные легче двухшарнирных, однако для них требуются фундаменты больших размеров и они более чувствительны к изменениям температуры и осадкам опор. Применять их при просадочных грунтах не рекомендуется. Двухстенчатые сечения поясов ферм

Арки применяют в покрытиях ч большепролетных Зданий с пролетами до:200 м. Они выгоднее балочных и рамных систем. Арки бывают: сплошные и сквозные; бесшарнирные, двухшариирные и трех-шарнирные. Бесшарнирные арки при одной и той же нагрузке легче двухшарнирных, но для них, как и для бесшарнирных рам, требуются массивные фундаменты и они так. же более чувствительны к изменениям"температуры и осадке опор.

Чаще всего применяют сквозные двухшарнирные арки со стрелой подъема, равной Vs-Ve. пролета. При увеличении стрелы подъема уменьшается продольная сила в арке и увеличивается изгибающий момент;

Сечения стержней арки могут быть одностенчатыми или двухстенчатыми

Устойчивость основных несущих конструкций (ферм, рам, арок) обеспечивается горизонтальными и вертикальными связями. В первую очередь должны, быть поставлены связи, закрепляющие сжатые пояса сквозных конструкций

Рамы и арки являются статически неопределимыми системами. Бесшарнирные рамы и арки-трижды статически неопределимы, двухшарнирные-однажды статиг чески неопределимы. Обычно за лишнее неизвестное принимают распор - усилие, приближенное значение которого для сквозных рам и арок можно найти по формулам, приведенным в справочнике проектировщика.

Зная распор, определяют изгибающие моменты М, продольные N и поперечные Q силы в раме или арке как в статически определимой конструкции, а по ним - и усилия в стержнях.

Усилия в стержнях сквозных рам и арок можно также определять построением диаграмм усилий. По полученным усилиям подбирают сечения стержней, рассчитывают узлы и сопряжения аналогично тому, как это делают для ферм.

Собственный вес несущих конструкций и вес кровли в< большепролетных сооружениях является основной нагрузкой, существенно влияющей на расход металла на покрытие, поэтому при выборе их конструктивной фор-» мы следует отдавать предпочтение более легким конструкциям. Особенно следует стремиться к снижению соб-» ственного веса кровли, применяя алюминиевые и другие панели покрытий с легким эффективным утеплителем.

Висячими и вантовыми называют покрытия, в которых в качестве несущей конструкции применяют гибкие нити, в основном тросы.

Основные несущие конструкции висячей системы - ванты - работают только на растяжение, поэтому в них полностью используется несущая способность материала

и представляется возможность применять сталь самой высокой прочности.

Транспортирование и монтаж их значительно, упрощаются, что удешевляет сооружение. Отмеченное выше является весьма важным преимуществом висячих систем по сравнению с фермами, рамами и арками. Однако у висячих конструкций есть и серьезные недостатки: они обладают повышенной деформативностью и нуждаются в устройстве специальных опор, для погашения распора.

Для уменьшения деформативности вант применяют различные способы их стабилизации. Например, в двух- поясных вантовых системах жесткость вант увеличивают благодаря устройству так называемых стабилизирующих вант, соединяемых с несущими вантами подвесками и распорками или решеткой из гибких предварительно-напряженных элементов.

Распор зависит от отношения ///. При ///>Ую приращение стрелы провисания нити с увеличением нагрузки незначительно и им можно пренебречь. В этом случае распор можно определять по формуле. По усилию Т подбирают сечение ванты.

Для вант применяют стальные канаты, пучки и пряди из высокопрочной проволоки, круглую горячекатаную сталь повышенной прочности И тонкие листы.

В комбинированных системах сосредоточенные силы передаются на гибкую нить через жесткий элемент, что позволяет значительнр уменьшить их деформативность.

Для большепролетных зданий, в частности для ангаров, применяют консольную комбинированную систему,состоящую из жесткого элемента и подвесок. В качестве Жесткого элемента служит ферма] которая перераспределяет сосредоточенные силы между подвесками. Последние служат ферме промежуточными опорами, и она работает как неразрезная балка на упруго-оседающих опорах. .

Достоинством консольной комбинированной системы является то, что для жесткого элемента (фермы) не требуется устраивать жесткую опору на втором конце. Благодаря этому для ангаров можно легко создать конструкцию ворот больших размеров.

Большепролетные здания могут быть перекрыты также пространственными системами в виде сводов, складок и куполов.

Общие положения

Большепролетными считаются здания, у которых расстояние между опорами (несущих конструкций) покрытий составляет более 40 м.

К таким зданиям относятся:

− цехи заводов тяжелого машиностроения;

− сборочные цехи судостроительных, машиностроительных заводов, ангары и т.п.;

− театры, выставочные залы, крытые стадионы, вокзалы, крытые стоянки автотранспорта и гаражи.

1. Особенности большепролетных зданий:

а) большие размеры зданий в плане, превосходящие радиус действия монтажных кранов;

б) специальные способы монтажа элементов покрытия;

в) наличие в отдельных случаях под покрытием больших частей и конструкций здания, этажерок, трибун крытых стадионов, фундаментов под оборудование, громоздкого оборудования и т.п.

2. Методы возведения большепролетных зданий

Применяются следующие методы:

а) открытый;

б) закрытый;

в) комбинированный.

2.1. Открытый метод заключается в том, что сначала возводят все конструкции здания, находящиеся под покрытием, т.е.:

− этажерки (одно – или многоярусное сооружение под покрытием промзданий для технологического оборудования, контор и т.п.);

− конструкции для размещения зрителей (в театрах, цирках, крытых стадионах и т.п.);

− фундаменты под оборудование;

− иногда громоздкое технологическое оборудование.

Затем устраивают покрытие.

2.2. Закрытый метод состоит в том, что сначала устраняют покрытие, а потом возводят все конструкции, находящиеся под ним (рис. 18).

Рис. 18. Схема возведения спортзала (поперечный разрез):

1 – вертикальные несущие элементы; 2 – мембранное покрытие; 3 – встроенные помещения с трибунами; 4 – передвижной стреловой кран

2.3. Комбинированный метод состоит в том, что на отдельных участках (захватках) на каждом выполняют сначала все конструкции, находящиеся ниже покрытия, а потом устраивают покрытие (рис. 19).

Рис. 19. Фрагмент стройгенплана:

1 – смонтированное покрытие здания; 2 – этажерка; 3 – фундаменты под оборудование; 4 – подкрановые пути; 5 – башенный кран

Применение методов возведения большепролетных зданий зависит от следующих основных факторов:

− от возможности расположения грузоподъемных кранов в плане по отношению к возводимому зданию (вне здания или в плане);

− от наличия и возможности применения кранбалок (мостовых кранов) для возведения внутренних частей конструкций здания;

− от возможности устройства покрытий при наличии выполненных частей здания и конструкций, находящихся под покрытием.

При возведении большепролетных зданий особую трудность составляет устройство покрытий (оболочек, арочных, купольных, вантовых, мембранных).

Технология устройства остальных конструктивных элементов обычно не составляет трудностей. Производство работ по их устройству расмотрено в курсе "Технология строительных процессов".

Рассмотрена в курсе ТСП и не будет рассматриваться в курсе ТВЗ и С и технология устройства балочных покрытий.

3.1.3.1. ТВЗ в виде оболочек

За последние годы разработано и внедрено большое количество тонкостенных пространственных железобетонных конструкций покрытий в виде оболочек, складок, шатров и т.п. Эффективность таких конструкций обусловлена более экономным расходом материалов, меньшим весом и новыми архитектурными качествами. Уже первый опыт эксплуатации таких сооружений позволил обнаружить два основных достоинства пространственных тонкостенных железобетонных покрытий:

− экономичность, являющуюся следствием более полного, по сравнению с плоскостными системами, использования свойств бетона и стали;

− возможность рационального применения железобетона для покрытия больших площадей без промежуточных опор.

Железобетонные оболочки по методу возведения разделяют на монолитные, сборочно-монолитные и сборные. Монолитные оболочки целиком бетонируются на месте строительства на стационарной или передвижной опалубке. Сборно-монолитные оболочки могут состоять из сборных контурных элементов и монолитной скорлупы, бетонируемой на передвижной опалубке, чаще всего подвешиваемой к смонтированным диафрагмам или бортовым элементам. Сборные оболочки собирают из отдельных, заранее изготовленных элементов, которые после установки их на место стыкуются между собой; причем соединения должны обеспечить надежную передачу усилий от одного элемента к другому и работу сборной конструкции как единой пространственной системы.

Сборные оболочки могут быть разделены на следующие элементы: плоские и криволинейные плиты (гладкие или ребристые); диафрагмы и бортовые элементы.

Диафрагмы и бортовые элементы могут быть как железобетонными, так и стальными. Следует отметить, что выбор конструктивных решений оболочек находится в тесной взаимосвязи со способами строительства.

Оболочки двоякой (положительной гауссовой) кривизны , квадратные в плане, образуются из сборных железобетонных ребристых скорлуп и контурных ферм . Геометрическое очертание оболочек двоякой кривизны создает выгодные условия статической работы, так как 80 % площади скорлупы оболочки работает только на сжатие и лишь в угловых зонах имеются растягивающие усилия. Скорлупа оболочки имеет форму многогранника с ромбовидными гранями. Поскольку плиты плоские, квадратные, ромбовидная форма граней достигается замоноличиванием швов между ними. Средние типовые плиты формуют размером 2970×2970 мм, толщиной 25, 30 и 40 мм, с диагональными ребрами высотой 200 мм, а с бортовыми – 80 мм. Контурные и угловые плиты имеют диагональные и бортовые ребра той же высоты, что и средние, а у бортовых ребер, примыкающих к краю оболочки, сделаны утолщения и пазы для выпусков арматуры контурных ферм. Соединение плит между собой осуществляется сваркой выпусков каркасов диагональных ребер и замоноличиванием швов между плитами. В угловых плитах оставлен треугольный вырез, который замоноличивается бетоном.

Контурные элементы оболочки изготавливают в виде цельных ферм или предварительно напряженных раскосных полуферм, стык которых в верхнем поясе выполняется сваркой накладок, а в нижнем – сваркой выпусков стержневой арматуры с последующим их обетонированием. Оболочки целесообразно использовать для покрытия больших площадей без промежуточных опор. Железобетонные оболочки, которым практически можно придать любую форму, способны обогатить архитектурные решения как общественных, так и производственных зданий.

Рис. 20. Геометрические схемы оболочек:

а – разрезка плоскостями, параллельными контуру; б – радиально-кольцевая разрезка; в – разрезка на ромбовидные плоские плиты

На рис. 21 представлены геометрические схемы покрытия зданий с прямоугольной сеткой колонн оболочками из цилиндрических панелей.

В зависимости от типа оболочки, размера ее элементов, а также размеров оболочки в плане монтаж осуществляют различными методами, отличающимися в основном наличием или отсутствием монтажных лесов.

Рис. 21. Варианты образования сборных цилиндрических оболочек:

а – из криволинейных ребристых панелей с бортовыми элементами; б – то же с одним бортовым элементом; в – из плоских ребристых или гладких плит, бортовых балок и диафрагм; г – из криволинейных панелей больших размеров, бортовых балок и диафрагм; д – из арок или ферм и сводчатых или плоских ребристых панелей (короткая оболочка)

Рассмотрим пример возведения двухпролетного здания с покрытием из восьми квадратных в плане оболочек двоякой положительной гауссовой кривизны. Габариты элементов конструкций покрытия представлены на рис. 22, а . Здание имеет два пролета, каждый из которых содержит по четыре ячейки размером 36 × 36 м (рис. 22, б ).

Значительный расход металла на опорные леса при монтаже оболочек двоякой кривизны снижает эффективность применения этих прогрессивных конструкций. Поэтому для возведения таких оболочек размером до 36 × 36 м применяют катучие телескопические кондукторы с сетчатыми кружалами (рис. 22, в ).

Рассматриваемое здание является однородным объектом. Монтаж оболочек покрытия включает следующие процессы: 1) установку (перестановку) кондуктора; 2) монтаж контурных ферм и панелей (установку, укладку, выверку, сварку закладных деталей); 3) замоноличивание оболочки (заливку швов).

Рис. 22. Возведение здания с покрытием из сборных оболочек:

а – конструкция оболочки покрытия; б – схема расчленения здания на участки; в – схема работы кондуктора; г – последовательность монтажа элементов покрытия одного участка; д – последовательность возведения покрытия по участкам здания; I–II – номера пролетов; 1 – контурные фермы оболочки, состоящие из двух полуферм; 2 – плита покрытия размером 3×3 м; 3 – колонны здания; 4 – телескопические башни кондуктора; 5 – сетчатые кружала кондуктора; 6 – шарнирные опоры кондуктора для временного крепления элементов контурных ферм; 7 – 17 – последовательность монтажа контурных ферм и плит покрытия.

Поскольку при монтаже покрытия используют катучий кондуктор, перемещаемый лишь после выдерживания раствора и бетона, то за монтажный участок принимается одна ячейка пролета (рис. 22, б ).

Монтаж панелей оболочки начинают с наружных, опирающихся на кондуктор и контурную ферму, затем монтируют остальные панели оболочки (рис. 22, г , д ).

3.1.3.2. Технология возведения зданий с купольными покрытиями

В зависимости от конструктивного решения монтаж куполов выполняют с использованием временной опоры, навесным способом или в целом виде.

Сферические купола возводят кольцевыми ярусами из сборных железобетонных панелей навесным способом. Каждый из кольцевых ярусов после полной сборки обладает статической устойчивостью и несущей способностью и служит основанием для вышележащего яруса. Таким способом монтируют сборные железобетонные купола крытых рынков.

Панели поднимают башенным краном, установленным в центре здания. Временное крепление панелей каждого яруса осуществляют при помощи инвентарного приспособления (рис. 23, б ) в виде стойки с оттяжками и стяжной муфтой. Число таких приспособлений зависит от числа панелей в кольце каждого яруса.

Работы производят с инвентарных подмостей (рис. 23, в ), устраиваемых снаружи купола и перемещаемых по ходу монтажа. Смежные панели соединяют между собой болтами. Швы между панелями заделывают цементным раствором, который сначала укладывают по краям шва, а затем растворонасосом нагнетают в его внутреннюю полость. По верхней кромке панелей собираемого кольца устраивают железобетонный пояс. После того как раствор швов и бетон пояса приобретут требуемую прочность, стойки с оттяжками снимают, а цикл монтажа повторяют на следующем ярусе.

Сборные купола навесным способом монтируют также последовательной сборкой кольцевых поясов при помощи передвижной металлической фермы-шаблона и стоек с подвесками для удерживания сборных плит (рис. 23, г ). Этот способ применяют при монтаже сборных железобетонных куполов цирков.

Для монтажа купола в центре здания устанавливают башенный кран. На башню крана и кольцевой рельсовый путь, расположенный по железобетонному карнизу здания, устанавливают передвижную ферму-шаблон. Башню крана для обеспечения большей жесткости расчаливают четырьмя расчалками. При недостаточном вылете стрелы и грузоподъемности одного крана на кольцевом пути возле здания устанавливают второй кран.

Сборные панели купола монтируют в следующем порядке. Каждую панель в наклонном положении, соответствующем ее проектному положению в покрытии, поднимают башенным краном и устанавливают нижними углами на наклонно приваренные накладки узла, а верхними - на установочные винты фермы-шаблона.

Рис. 23. Возведение зданий с купольными покрытиями:

а – конструкция купола; б – схема временного крепления панелей купола; в – схема крепления подмостей для возведения купола; г – схема монтажа купола при помощи передвижной фермы-шаблона; 1 – нижнее опорное кольцо; 2 – панели; 3 – верхнее опорное кольцо; 4 – стойка инвентарного приспособления; 5 – оттяжка; 6 – стяжная муфта; 7 – монтируемая панель; 8 – смонтированные панели; 9 – подкос с отверстиями для изменения уклона кронштейна подмостей; 10 – стойка для перил; 11 – ригель кронштейна; 12 – проушина для крепления кронштейна к панели; 13 – монтажные стойки; 14 – расчалки стоек; 15 – подвески для удержания плит; 16 – ферма-шаблон; 17 – расчалки крана; 18 – панелевоз

Далее производят выверку верхних кромок закладных деталей верхних углов панели, после чего стропы снимают, панель крепят подвесками к монтажным стойкам и подвески натягивают при помощи стяжных муфт. Затем установочные винты фермы-шаблона опускают на 100 – 150 мм и передвигают ферму-шаблон в новое положение для монтажа смежной панели. После монтажа всех панелей пояса и сварки узлов стыки замоноличивают бетоном.

Следующий пояс купола монтируют после приобретения бетоном стыков нижележащего пояса требуемой прочности. По окончании монтажа верхнего пояса снимают подвески с панелей нижележащего пояса.

В строительстве применяют также метод подъема в целом виде забетонированных на земле покрытий диаметром 62 м при помощи системы домкратов, установленных на колоннах.

3.1.3.3. Технология возведения зданий с вантовыми покрытиями

Наиболее ответственным процессом при возведении таких зданий является устройство покрытия. Состав и последовательность выполнения монтажа вантовых покрытий зависит от их конструктивной схемы. Ведущим и наиболее сложным процессом при этом является монтаж вантовой сети.

Конструкция висячего покрытия с системой вантов состоит из монолитного железобетонного опорного контура; закрепленной на опорном контуре вантовой сети; сборных железобетонных плит, уложенных на вантовой сети.

После проектного натяжения вантовой сети и замоноличивания швов между плитами и вантами оболочка работает как единая монолитная конструкция.

Вантовая сеть состоит из системы продольных и поперечных вант, расположенных по главным направлениям поверхности оболочки под прямым углом друг к другу. В опорном контуре ванты закрепляют при помощи анкеров, состоящих из гильз и клиньев, с помощью которых обжимают концы каждого ванта.

Вантовую сеть оболочки монтируют в следующей последовательности. Каждую ванту с помощью крана устанавливают на место в два приема. Сначала с помощью крана один ее конец, снятый с барабана траверсой, подают к месту установки. Анкер ванты протягивают сквозь закладную деталь в опорном контуре, потом закрепляют и раскатывают оставшуюся на барабане часть ванты. После этого двумя кранами поднимают ванту до отметки опорного контура, одновременно подтягивая лебедкой второй анкер к опорному контуру (рис. 24, а ). Анкер протягивают через закладную деталь в опорном контуре и закрепляют гайкой с шайбой. Ванты поднимают вместе со специальными подвесками и контрольными грузами для последующей геодезической выверки.

Рис. 24. Возведение здания с вантовым покрытием:

а – схема подъема рабочей ванты; б – схема взаимоперпендикулярного симметричного натяжения вант; в – схема выверки продольных вант; г – детали окончательного крепления вант; 1 – электролебедка; 2 – оттяжка; 3 – монолитный железобетонный опорный контур; 4 – поднимаемая ванта; 5 – траверса; 6 – нивелир

По окончании монтажа продольных вант и предварительного натяжения их на усилие 29,420 – 49,033 кН (3 – 5 тс) выполняют геодезическую поверку их положения путем определения координат точек вантовой сети. Заранее составляют таблицы, в которых для каждой ванты указывают расстояние точек крепления контрольных грузов на гильзе анкера от начала отсчета. В этих точках на проволоке подвешивают контрольные грузы массой 500 кг. Длины подвесок различны и подсчитаны заранее.

При правильном провисании рабочих вант контрольные грузы (риски на них) должны находиться на одной отметке.

После выверки положения продольных вант устанавливают поперечные. Места их пересечения с рабочими вантами закрепляют постоянными сжимами. Одновременно с этим устанавливают временные оттяжки, закрепляющие положение мест пересечения вант. Затем повторно проверяют соответствие проекту поверхности вантовой сети. После этого вантовую сеть натягивают в три этапа при помощи 100-тонных гидравлических домкратов и траверс, присоединенных к гильзоклиновым анкерам.

Последовательность натяжения определяют из условий натяжения вант группами, одновременного натяжения групп в перпендикулярном направлении, симметричности натяжения групп относительно оси здания.

По окончании второго этапа натяжения, т.е. при достижении усилий, определенных проектом, на вантовую сеть укладывают сборные железобетонные плиты в направлении от нижней отметки к верхней. При этом на плитах до их подъема устанавливают опалубку для замоноличивания швов.

3.1.3.4. Технология возведения зданий с мембранными покрытиями

К металлическим висячим покрытиям относят тонколистовые мембранные, совмещающие несущие и ограждающие функции.

Достоинствами мембранных покрытий являются их высокая технологичность изготовления и монтажа, а также характер работы покрытия на двухосное растяжение, что позволяет перекрывать 200-метровые пролеты стальной мембраной толщиной всего 2 мм.

Висячие растянутые элементы обычно закрепляют за жесткие опорные конструкции, которые могут быть в виде замкнутого контура (кольца, овала, прямоугольника), опирающегося на колонны.

Рассмотрим технологию монтажа мембранного покрытия на примере покрытия спорткомплекса “Олимпийский” в Москве.

Спортивный комплекс "Олимпийский" решен в виде пространственной конструкции эллиптической формы 183×224 м. По наружному контуру эллипса с шагом 20 м расположены 32 стальные решетчатые колонны, жестко связанные с наружным опорным кольцом (сечением 5×1,75 м). К наружному кольцу подвешено мембранное покрытие – оболочка со стрелой провисания 12 м. Покрытие имеет 64 радиально расположенные с шагом по наружному контуру 10 м стабилизирующие фермы высотой 2,5 м, соединенные кольцевыми элементами – прогонами. Лепестки мембраны крепили между собой и к радиальным элементам "постели" высокопрочными болтами. В центре мембрана замыкается внутренним металлическим кольцом эллиптической формы размером 24×30 м. Мембранное покрытие крепилось к наружному и внутреннему кольцам высокопрочными болтами и сваркой.

Монтаж элементов мембранного покрытия производили крупными пространственными блоками башенным краном БК – 1000 и двумя шеврами-установщиками (грузоподъемностью 50 т), перемещавшимися по наружному опорному кольцу. По длинной оси на двух стендах производилась сборка одновременно двух блоков.

Все 64 стабилизирующие фермы покрытия были объёдинены попарно в 32 блока девяти типоразмеров. Один такой блок состоял из двух радиальных стабилизирующих ферм, прогонов по верхним и нижним поясам, вертикальных и горизонтальных связей. В блок были вмонтированы трубопроводы систем вентиляции и кондиционирования. Масса блоков стабилизирующих ферм в сборе достигала 43 т.

Поднимали блоки покрытия с помощью траверсы-распорки, которая воспринимала усилие распора от стабилизирующих ферм (рис. 25).

Перед подъемом блоков ферм выполняли предварительное напряжение верхнего пояса каждой фермы на усилие около 1300 кН (210 МПа) и закрепляли их при этом усилии к опорным кольцам покрытия.

Установка преднапряженных блоков производилась поэтапно путем симметричной установки нескольких блоков по радиусам одного диаметра. После монтажа восьми симметрично установленных блоков вместе с траверсами-распорками производилось одновременное их раскружаливание с передачей усилий распора равномерно наружному и внутреннему кольцам.

Блок стабилизирующих ферм поднимали краном БК – 1000 и шевром-установщиком примерно на 1 м выше наружного кольца. Затем шевр перемещали к месту установки данного блока. Расстроповку блока производили только после его полного проектного закрепления на внутреннем и наружном кольцах.

Мембранная оболочка массой 1569 т состояла из 64 секторных лепестков. Лепестки мембраны монтировали после окончания монтажа системы стабилизации и закрепляли высокопрочными болтами диаметром 24 мм.

Полотнища мембраны поступали на монтажную площадку в виде рулонов. Стеллажи для раскатывания располагались на месте сборки стабилизирующих ферм.

Рис. 25. Схема монтажа покрытия укрупненными блоками:

а – план; б – разрез; 1 – шевр-установщик; 2 – стенд для укрупнительной сборки блоков; 3 – траверса-распорка для подъема блока и предварительного напряжения верхних поясов ферм с помощью рычажного устройства (5); 4 – укрупненный блок; 6 – монтажный кран БК – 1000; 7 – центральное опорное кольцо; 8 – центральная временная опора; I – V – последовательность монтажа блоков и демонтажа траверс-распорок

Монтаж лепестков выполняли в последовательности установки стабилизирующих ферм. Натяжение лепестков мембраны осуществляли двумя гидравлическими домкратами усилием по 250 кН каждый.

Параллельно с укладкой и натяжением лепестков мембраны вели сверление отверстий и установку высокопрочных болтов (97 тыс. отверстий диаметром 27 мм). После сборки и проектного закрепления всех элементов покрытия производилось его раскружаливание, т.е. освобождение центральной опоры и плавное включение в работу всей пространственной конструкции.