Висячие конструкции являются несущими системами, работающими по принципу активной формы, которая адаптируется своим абрисом внешней нагрузке. Основным преимуществом висячих конструкций является то, что в них предусмотрено действие только растягивающих усилий. Это обуславливает наиболее эффективную работу стали, позволяет перекрывать значительные пролеты и создавать сложные поверхности.
При этом основным недостатком висячих конструкций является то, что они, как правило, занимают большой строительный объем, который не всегда удается полностью использовать для основной функции здания. Кроме того, гибкие системы обладают повышенной деформативностью и при заземлении силового потока вызывают появление распорных горизонтальных усилий.
Классификация висячих конструкций
Основу висячих конструкций составляет нить – гибкий провисающий стержень (или полоса), который работает на растяжение и несет поперечную нагрузку в пролете. Ванты – это тип нитей, имеющие криволинейную форму, обусловленную свободной длиной и гравитационным действием внешних усилий.
В отличие от вант, струны – это нити, в которых действует предварительное напряжение растяжения, которое позволяет сохранять прямолинейность.
Различают конструкции с гибкими и жесткими нитями. Гибкие нитевые конструкции организуются из круглой стали или канатов.
Канаты – тип сечения, который выполняется в виде сплетенных прядей стальных волокон. По расположению в канатах прядей различают в основном спиральные и семипрядные канаты. Кроме того, канат может быть закрыт опоясывающими пучками прямых элементов для предупреждения проникновения коррозии. С этой же целью канаты могут быть пропитаны и покрыты нейлоном или поливинилхлоридом, а также смазаны и оцинкованы.
Кроме объединения в пряди, канаты свивают одинарной, двойной или тросовой свивкой. Благодаря формировке из отдельных волокон, канаты имеют большую прочность, чем элементы из круглой стали или другого фасонного проката. Отечественной промышленностью выпускаются оцинкованные и обычные канаты диаметром 0,8- 39,5 мм с усилиями разрыва от 1,2 до 114,4 кН.
Канаты большего диаметра изготавливаются за рубежом и могут быть импортированы при необходимости. Жесткие нити выполняются из прокатных и сварных профилей – полос, листов, труб, двутавров и т. д. Применение жестких вантовых элементов оправдано в конструкциях со значительными пролетами, где критическим фактором является деформативность несущей системы.
По конструктивной схеме различают однопоясные, двухпоясные, перекрестные и комбинированные системы покрытий быстровозводимых зданий. Однопоясные покрытия наиболее просты в исполнении, однако являются свободно провисающими и деформативными.
Из-за малого веса они подвержены риску изменения кривизны – выхлопыванию вследствие действия отрицательного давления, которое может возникать на кровлях. Из-за этого однопоясные системы могут требовать балластного пригруза в виде железобетонных плит и т. д.
Перекрестные системы избавлены от этого недостатка, так как имеют в одном направлении основные ванты, а в другом – стабилизирующие, не дающие покрытию выхлопывать вверх. Двухпоясные системы фактически являют собой вантовые фермы, однако с обоими растянутыми поясами. Геометрически неизменямые висячие системы, имеющие стабилизирующие и иные элементы, также называют вантовыми. Геометрия покрытий, образованных системами из нитей, может быть самой разнообразной – от плоскостных поверхностей, формирующихся из струн, до гиперболических параболоидов и поверхностей переменной кривизны.
Эффективность канатов обуславливает их широкое применение в различных комбинированных системах, где оправдано использование растянутых элементов – навесах, мостах и т. п.
Особенности проектирования висячих конструкций
Поскольку в гибких элементах действуют только растягивающие усилия, их рассчитывают на растяжение. Кроме того, следует обязательно учитывать, что любая гибкая нить обладает начальным провисанием и не сразу воспримет растягивающее усилие. Поэтому для включения в работу ванты подвергают обязательному предварительному напряжению.
Элементы из канатов при предварительном напряжении вытягиваются, поскольку имеют свивку, что должно быть учтено при конструировании. Также при расчете гибких элементов обращают особое внимание на динамические эффекты, так как нити подвержены резонансным явлениям при ветровых пульсациях.
При небольших пролетах или расстояниях между узлами креплений к жестким элементам до 9 м растянутые нити могут быть выполнены из круглой стали.
Таким образом, в частности, организуют затяжки в шпренгельных балках либо арках, а также растянутые связи между основными несущими конструкциями.
При больших пролетах применяются гибкие элементы из канатов. В свою очередь, при пролетах более 300-400 м может возникнуть необходимость применения жестких вант. Рациональная высота сечения нитей при этом ориентировочно составляет 1/80-1/150 перекрываемого пролета. В двухпоясных радиальных системах эффективным является применение жесткого либо гибкого внутреннего растянутого кольца, на которое сходятся вантовые элементы, визуально и конструктивно разгружая систему.
Одним из серьезных вопросов проектирования висячих систем является заземление силового потока. Как правило, несущие конструкции быстровозводимых зданий, активные по форме, имеют отрицательную кривизну очертаний, а значит, нуждаются в опорном контуре, который должен находиться выше поверхности земли и воспринимать усилия от вант. Из-за этого в контуре появляются значительные сжимающие и моментные усилия, и поэтому его конструкция должна быть достаточно жесткой. По этой причине опорные контуры в основном выполняют в виде железобетонных опор или тяжелых стальных ферм.
Висячие системы как конструктивный инструмент архитектурной формы
Висячие, вантовые конструкции являются одними из наиболее архитектурно привлекательных конструктивных систем. Они обладают максимальной визуальной легкостью и дают возможность реализации множества выразительных форм.
С использованием вант возможны различные варианты конструкции кровли, для обеспечения как наиболее простых типов функционального пространства, например, прямоугольного, так и сложного, такого как Millennium Dome.
1. Конструкция не требует добавочной опоры, но конструктивно невыгодна из-за повышенных изгибающих моментов в ригеле
2. Наиболее выгодная с конструктивной точки зрения система. Кроме основной, требует добавочной опоры, во внешнем пространстве между которыми может быть обустроен проезд
3. Конструктивно приемлема, но требует добавочной опоры, занимая внешнее пространство с дополнительным землеотводом
Элементы висячих вантовых конструкций, как правило, оставляют визуально открытыми во внутреннем пространстве. Кроме того, они могут обеспечивать добавочные функции, такие как подвешивание систем освещения или организацию зенитных фонарей.
Вантовые конструкции могут быть незаменимыми в тех случаях, когда внутреннее функциональное пространство здания должно быть целостным, и постановка колонн и промежуточных опор не представляется возможной. В то же время висячие системы имеют ограниченное применение из-за своей специфики – большого строительного объема и невозможности воспринимать сжимающие и моментные усилия. Иногда в таких случаях более рациональными оказываются системы из жестких вант, приближающие конструкцию к типу активности по вектору.