Тросовые и натяжные конструкции - Строительство и ремонт

За последние двадцать пять лет высокопрочные стальные тросы широко использовались в конструкциях космических крыш. Существует две различные возможности использования стальных тросов в конструкциях крыш. Первая возможность заключается в использовании тросов только для подвеса основной конструкции крыши, которая может быть либо обычной, например, балки, консолей и т.д., либо космической рамой. В этом случае основная конструкция крыши, вместо того чтобы поддерживаться, фактически подвешивается к стальным тросам над крышей, которые передают растягивающие усилия на соответствующие крепления (рис. 1). Это вантовые крыши.

1. Канатные крыши

Существует множество примеров такого типа конструкций, используемых в промышленных зданиях, где конструкция крыши, как односкатная, так и двухскатная, подвешена на тросах, которые, в свою очередь, закреплены на прочных пилонах над уровнем крыши.

В этом типе конструкции тросы ведут себя как простые подвесные элементы, в то время как сама конструкция крыши ведет себя как обычный узел сопротивления нагрузке, подверженный моментам, сдвигам и другим видам воздействия. Предполагается, что подвесные элементы остаются в напряженном состоянии даже при ветровой нагрузке за счет собственного веса крыши.

Вторая возможность представлена теми кровельными конструкциями, в которых стальные тросы являются эффективными элементами самой конструкции крыши, а не просто передатчиками усилий от конструкции к креплениям. В этом типе конструкции (натяжные конструкции) тросы сами противостоят различным внешним нагрузкам. Их особое поведение оказало глубокое влияние на используемые структурные формы и навязало новые методы исполнения.

Натяжные конструкции можно разделить на следующие категории:

(a) однослойные тросовые системы (рис. 2a)

2. Одно- и двухслойные тросовые системы

(b) Двухслойные предварительно напряженные тросовые ферменные системы (Рисунок 2b)

(c) Предварительно напряженные растягивающиеся мембранные системы (Рисунок 3)

3. Предварительно напряженная растягивающаяся мембранная система

Натяжные конструкции используются для покрытия стадионов, арен, бассейнов, залов отдыха и других зданий, где одновременно требуется большая площадь для публичных собраний и исключительный эстетический эффект.

Существуют некоторые особые проблемы, связанные с этими вантовыми и натяжными кровельными конструкциями.

Первая проблема связана с тем, что кабель является гибким. Он принимает форму, совместимую с прилагаемыми нагрузками, в то время как архитектурные и строительные требования требуют, чтобы конструкция имела определенную форму. Любые отклонения от этой формы под действием приложенных нагрузок должны быть сведены к минимуму. Для выполнения этого требования в конструкцию необходимо ввести предварительное напряжение, которое должно соответствовать желаемой форме и в сочетании с приложенными нагрузками поддерживать деформацию в заданных пределах. Поэтому проектирование может включать использование математических процедур “поиска формы”, реализуемых соответствующим программным обеспечением.

Еще одной особенностью этих конструкций является их геометрически нелинейное поведение. Деформации играют существенную роль в анализе, и принцип наложения эффектов не действует.

Наконец, важной проблемой, связанной с этими конструкциями, является их чувствительность к аэродинамической неустойчивости, например, к флаттеру. Эта чувствительность накладывает особые требования на дизайн и конструктивные детали этих систем, особенно тех, в которых в качестве обшивки используются мембраны из легкой ткани.

Требования к жесткости при поперечной нагрузке и анкерному креплению являются основными факторами, определяющими форму вантовых конструкций, и они рассматриваются в следующих разделах.

Одиночные тросовые конструкции характеризуются гибкостью, рис. 3. Они требуют усиления жесткости для предотвращения изменения формы при каждом изменении нагрузки и для того, чтобы они могли противостоять подъему, вызванному ветром, рис. 5. Порывистый ветер может вызвать колебания, если в конструкции не предусмотрено демпфирование.

4. Одиночный трос: Зависимость между нагрузкой и формой

5. Устойчивость троса: Плоские системы

Основными методами обеспечения устойчивости являются следующие:

i. Дополнительная постоянная нагрузка, поддерживаемая на крыше или подвешенная к ней, достаточная для нейтрализации влияния асимметричных переменных воздействий или подъема Рис. 5a).

Эта схема имеет тот недостаток, что она исключает легкий вес конструкции, что значительно увеличивает стоимость всей конструкции.

ii. Жесткие элементы, действующие как балки, где постоянная нагрузка может быть недостаточной для полного противодействия подъемным силам, но где имеется достаточная изгибная жесткость для противодействия чистым подъемным силам, в то время как тросы помогают противостоять воздействию гравитационной нагрузки (рис. 5b).

5. Устойчивость тросов: Плоские системы

iii. Жесткие поверхности, ведущие себя как перевернутые оболочки или своды, где подъемные силы противодействуют сжимающей жесткости конструкции в плоскости (Рисунок 5c).

iv. Вторичные тросы предварительно напрягают основные тросы таким образом, что они остаются в натянутом состоянии при любых условиях нагрузки. Такое предварительное напряжение может принимать различные формы:

– подвесная конструкция, при которой основной трос крепится к другим элементам или к земле, как в случае подвесных ферм (рис. 5d).

– Плоское расположение подвесных и стабилизирующих тросов, с тросами противоположной кривизны, рисунок 4e. Такая структура упруго реагирует на все изменения формы, вызванные внешними нагрузками. Этот принцип может быть распространен на создание пространственных ферм, или структур революции.

– Ортогональное или диагональное расположение подвесных и стабилизирующих тросов с противоположной кривизной, образующих антиупругую (седлообразную) поверхность, рис. 5f и 6.

6. Стабильность троса: антикластический трос

0px; display: block; float: none; border-top-width: 0px; border-bottom-width: 0px; margin-left: auto; border-left-width: 0px; margin-right: auto” title=”cable stability: cable trusses” border=”0″ alt=”cable stability: cable trusses” src=”https://i0.wp.com/lh5.ggpht.com/_PR8ZKUe4Yc0/StVc03r07YI/AAAAAAAAKiQ/W6ISNqnxBZU/clip_image011%5B4%5D%5B2%5D.jpg” width=”370″ height=”442″>.

7. Устойчивость кабеля: кабельные фермы

Ортогональное или диагональное расположение противоударных тросов, показанное на рисунке 6, также может быть расширено до конической формы, показанной на рисунке 7. Все большее использование горизонтальных кольцевых тросов, начиная с рисунка 8 и заканчивая рисунком 8c, повышает жесткость против асимметричной нагрузки. Из-за сложности крепления большого количества тросов в одной точке, верхняя часть обычно уплощается, как показано на рисунке 8d.

8. коническая мембрана

9. Сложная система палатки с несколькими внутренними опорами и внутренними креплениями

Анкерное крепление

В конструкциях с тросовым креплением возникает потребность в креплении сил натяжения. Некоторые из наиболее распространенных решений следующие:

i. Вертикальные и горизонтальные реакции, обеспечиваемые аксиально нагруженными элементами – стойки, используемые с грунтовыми анкерами (рис. 10a).

10. Кабельные анкерные системы

ii. Вертикальные и горизонтальные реакции, обеспечиваемые изгибающимися элементами, т.е. консольными колоннами (рис. 10b) или колоннами на ножках (рис. 10c).

iii. Вертикальные колонны, действующие с горизонтально нагруженными краевыми балками, которые передают горизонтальные реакции на жесткие диафрагмы (рис. 10d).

iv. Наклонные стены или вертикальные цилиндрически изогнутые стены (Рисунок 11a).

11. Тросовая анкерная система-2

v. Граничные формы, связанные с формой, создающие в некоторых случаях замкнутую самобалансирующуюся систему растягивающих и сжимающих усилий и не требующие натяжных грунтовых анкеров (рис. 11b).

Величина усилий в колоннах и в диагональных тросах, удерживающих колонны, уменьшается за счет наклона колонн. В некоторых симметричных конструкциях боковое усилие уравновешивается с помощью раскосов на уровне фундамента.

Читайте далее: