Монтаж вантових покрить

У спорудах, де треба перекривати без проміжних опор великі площі, ефективні висячі покриття.

Вперше висячі покриття були запропоновані видатним російським інженером Володимиром Григоровичем Шуховим.

Висячими називаються конструкції, в яких основні несучі елементи, що перекривають проліт будівлі або споруди, випробовують розтягування. Несучі елементи цих конструкцій можуть бути двох видів - висячі і вантові, по назві яких розрізняють типи споруд.

Такі покриття можуть застосовуватися для виробничих і цивільних будівель різноманітного призначення і різного перетину в плані (прямокутне, кругле і овальне). Криті стадіони, цирки, ринки, виставкові зали часто мають таку конструкцію покриття, оскільки висячі покриття вигідні по витраті матеріалів на одиницю площі, що перекривається, і відрізняються невисокою трудомісткістю при зведенні.

Висячі покриття виконують у вигляді попередньонапружених оболонок із збірно-монолітного залізобетону, вант, вантових ферм і сталевих мембран. Ванти - це прямолінійні гнучкі розтягнуті стрижні, які передають зусилля від одного вузла до іншого і не сприймають на своїй довжині поперечного навантаження. Висячою оболонкою називають монолітне або збірне з подальшим замонолічуванням залізобетонне покриття, оперте на систему висячих вант. В період зведення такої оболонки робочими елементами її пролітної конструкції служать сталеві канати. Після замонолічування в експлуатаційній стадії оболонка працює спільно з вантами.

Байтова система і висяча оболонка спираються на опорний контур, що сприймає на себе горизонтальні і вертикальні реакції пролітної конструкції. Опорний контур висячого покриття може бути замкнутим. Висячі розтягнуті елементи в цьому випадку кріплять до жорстких опорних конструкцій, які можуть бути виконані у вигляді опорного замкнутого контуру (кільце, овал, прямокутник), від якого передаються зусилля через колони або через контурні похилі рами або арки на фундаменти. Розпір (горизонтальні реакції) пролітної конструкції погашається усередині опорного контуру і на пролягаючу нижче частину споруди передаються тільки вертикальні навантаження. Якщо опорний контур не замкнутий, то зусилля розпору передаються через підкоси, контрфорси, відтяжки з анкерами і т.д. на фундаменти. Ці елементи випробовують значні зусилля від розпору вант і вимагають відповідно більшої витрати матеріалів. Системи із замкнутим контуром тому є економічнішими.

Одним з прикладів застосування вантового покриття є спортивна споруда «Мінськ-Арена» - спортивно-розважальний комплекс в місті Мінськ, Білорусь. Складається з трьох об'єктів: багатофункціональної спортивно-видовищної арени місткістю 15086 глядачів, ковзанярського стадіону і велодрому. Введений в експлуатацію в 2008 році.

Головною особливістю спортивно-видовищної арени є його вантове покриття: двохпоясне, виконане з високоміцних канатів у вигляді "велосипедного колеса" діаметром 116,0 м в осях колон рис. 4.39, рис. 4.40. Розрахунковий проліт вантового покриття в осях шарнірних опор складає 115 м, висота в центрі - 7,7 м (на опорі - 3,3 м). Точка перетину вант знаходиться на відстані 6,2 м від опори вантового покриття. Стріла провисання несучої ванти прийнята 6м.

Рис. 4.39.Схема вантового покриття

Рис. 4.40. Геометрична схема вантового покриття

В якості нижніх несучих вант застосовуються ванти з подовжньо розташованою арматурою з 27 прядей. Кожна з них має діаметр 15,7 мм і складається з 7 високоміцних арматурних оцинкованих дротів діаметром 5,1 мм, що знаходяться в захисній оболонці з поліетилену високого тиску. Загальний діаметр нижньої ванти - 120 мм; розрахункова несуча здатність однієї пряді - 14 тс; ванти в цілому - 378 тс; розривне зусилля пряді - 28 тс; нижньої ванти - 756 тс. Кожна з верхніх стабілізуючих вант (діаметр - 50 мм) складається з 7 прядей діаметром 15,7 мм (у оболонці - 16,5 мм). Між верхніми і нижніми вантами при допомозі хомутів встановлюються металеві трубчасті стійки різної довжини, які створюють форму покриття, що забезпечує водостік.

На кожній ванті (кожній пряді) встановлені по два анкерні пристрої з механічним кріпленням за допомогою цанг:

- нерегульоване, з опорною "сережкою", яке встановлюється на зовнішньому залізобетонному кільці;

- регульоване, встановлюване на металевому кільці.

Нижні несучі ванти мають траєкторію кубічної параболи і закріплюються на металеві упори, розташовані на верхньому зовнішньому монолітному залізобетонному кільці діаметром 116 м і нижньому внутрішньому металевому кільці діаметром 12 м в осях без натягнення. Верхні стабілізуючі ванти мають траєкторію квадратної параболи і закріплюються на металеві упори, розташовані на нижньому зовнішньому монолітному залізобетонному і внутрішньому металевому кільцях. Відмітною особливістю вантових ферм є наявність розтягуючих зусиль не тільки в нижньому поясі, але і верхньому.

Для забезпечення стійкості вантового покриття в цілому в стабілізуючих вантах створюється попередня напруга шляхом натягнення на упори, розташовані на верхньому внутрішньому металевому кільці за допомогою монодомкратів «Фрейссине» в певному порядку і на певні зусилля, забезпечуючи рівномірність переднапруги в кожній ванті. Максимальне зусилля натягнення в стабілізуючих вантах створюється на монтажі і досягає 50 тс. Цього зусилля достатньо для забезпечення розтягування в стабілізуючих вантах при загруженні покриття розрахунковими навантаженнями в різних поєднаннях. При найсприятливіших поєднаннях зусилля в стабілізуючих вантах не опускається нижче 20 т, що забезпечує стійкість вантового покриття.

По верху стійок, вище рівні верхніх вант, встановлюються металеві плити покриття, що мають форму трапецій (їх розміри зменшуються у міру наближення до внутрішнього металевого кільця).

Для стійкості вантового покриття на несиметричні навантаження передбачається установка трьох зв’язкових кільцевих ферм в межах довжини вант на рівній відстані. Покриття є легким (малі витрати металу), але в той же час має великий запас міцності завдяки застосуванню високоміцних канатів (вант), що складаються з когерентних прядей, що виготовляються за новою сучасною технологією французької фірми «Фрейссине». Всі вироби, що поставляються «Фрейссине», мають європейські сертифікати і протоколи міцнісних випробувань.

При розрахунку вантового покриття враховане не тільки снігове навантаження, але і навантаження від підвісного устаткування, ходових містків, світильників, повітряводів, труб автоматичного пожежогасіння і ін. Враховане навантаження від інформаційного відеотабло і восьми динаміків загальною вагою 20 т, які підвішені в центрі вантового покриття до нижнього металевого кільця. Максимальні розтягувальні зусилля в несучих вантах за наслідками трьох незалежних розрахунків, виконаних з урахуванням нелінійності, досягають 270 тс. Виконані також розрахунки з урахуванням аварійної ситуації - виходу з ладу однієї з вант, а також найбільш напруженого елементу металевого кільця. Розрахунки показали працездатність покриття і в цій ситуації. При виключенні з роботи однієї їх вант зусилля в суміжних вантах досягають 350 т. Максимальні напруги в нижньому металевому кільці при виключенні з роботи однієї з 4-х, найбільш напружених пластин, не перевищують 380 МПа. Металеві кільця, що мають складну конструкцію, виготовлені з високоміцної сталі класу С390 (10ХСНД) на РУП «ЗМК» м. Молодечно. Контроль всіх зварних стикових швів здійснювався двома незалежними лабораторіями ультразвуковим методом, окрім цього були проведені механічні випробування зразків стикових швів, які підтвердили їх достатню несучу здатність і необхідний запас міцності.

Металеве просторове кільце діаметром 12 м в осях, заввишки 7,7 м в осях і загальною вагою 120 т було зібране і змонтоване на тимчасову монтажну металеву опору (башту) заввишки 29 м, розташовану в центрі арени на монолітному кільцевому фундаменті рис. 4.41 та рис. 4.42 в грудні 2008 р.

Рис. 4.41. Внутрішнє металеве просторове кільце на тимчасовій опорі

Зважаючи на обмежені умови усередині арени фахівцями ВАТ "Оргтехбуд" була розроблена технологічна карта з точною прив'язкою розташування металевих кілець, підготовлених до монтажу, і крана по відношенню до тимчасової опори рис. 4.43. На перекритті на позначці +26.250 були вибрані монтажні площадки, на яких виготовлялися згідно проекту 48 несучих (з 27 прядей) і 48 стабілізуючих (з 7 ппрядей) вант рис. 4.44.

Пряді завдовжки по 2 км поступали намотаними на котушки. Котушки для розмотування подавалися баштовим краном на перекриття і встановлювалися на підставки. Розмотування проводилося по розмітці заданої довжини. Кінці прядей зачищалися від захисної оболонки з поліетилену високої щільності до чистого металу. Пасма розкладалися на спеціальні підставки в потрібній кількості рис. 6. Згідно розмітці, на пряді в потрібних місцях одягалися хомути, що складаються з 2 половинок, і обжималися за допомогою 4 болтів із заданим зусиллям, до яких закріплювалися стійки рис. 4.45. На несучу ванту встановлювався девіатор (розгалуджувач), розсовуючи пасма на частини 13 і 14 штук. По кінцях прядей встановлювалися анкерні пристрої: нерегульоване з сережкою (вилкою) і регульоване з шайбою для регулювання. У міру виготовлення ванти поступали в зону їх монтажу.

Рис. 4.42. Внутрішнє металеве просторове кільце на тимчасовій опорі та змонтовані на нього перші вантові ферми

Рис. 4.43. Внутрішнє металеве просторове кільце на тимчасовій опорі та баштовий кран для монтажу вантових ферм

Рис. 4.44. Підготовка прядей.

Рис. 4.45. Схема кріплення стійок СВ2 і СВ3 до вант

Монтаж вантових ферм виконаний монтажниками ЗАТ "СМУ-77" по спеціально розробленій новій методиці, запропонованою французькою фірмою "Фрейссине", навісним способом з використанням тимчасової канатної дороги, що складається з двох 7-дротяних сталевих прядей за стандартом рг EN 10138-3 класу 1860. Канатна дорога завдовжки 125 м закріплювалася на двох металевих упорах, розташованих на верхньому залізобетонному кільці. За допомогою лебідки в ній створювалося натягнення зусиллям 16 тс для зменшення провисання вантової ферми. Над верхнім металевим кільцем канатна дорога спиралася на два спеціальні сталеві сідла. Це дозволяло монтувати одночасно дві діаметрально розташовані вантові ферми назустріч одна одній. Монтаж з одночасною збіркою вантових ферм вівся з переставних робочих платформ на різних рівнях біля залізобетонного кільця для одночасної роботи з несучими і стабілізуючими вантами рис. 4.46. Стійки вантових ферм подавалися баштовим краном в зону робочих платформ і приєднувалися до хомутів вант у міру їх переміщення у бік центральних металевих кілець за допомогою лебідок, встановлених на верхньому металевому кільці.

Рис. 4.46. Монтаж вантових ферм

Формування несучих і стабілізуючих вант з прядей здійснювалося на залізобетонному перекритті на відмітці +26.250. Для цього на перекритті була виконана їх розмітка в початковому стані і на болтах закріплені металеві підставки, на які укладалися пасма. У місцях приєднання стійок на вантах закріплювалися чавунні хомути, а по краях - анкерні кріплення. З одного боку кріпився нерегульований анкер у вигляді сталевої сережки, з іншою - регульований анкер з гайкою, що упирається в опорну плиту центрального металевого кільця і дозволяє регулювати величину натягнення вант при установці вантових ферм і створенні попередньої напруги системи. Зформовані ферми переміщалися по канатній дорозі на спеціальних каретках за допомогою лебідок і закріплювалися в нерухомих анкерах на залізобетонних перекриттях шляхом установки цапф в проушини.

У металевих кільцях центрального барабана вантові ферми закріплювалися за допомогою регульованих анкерів. Несучі ванти заводилися із зусиллям 14 тс, а стабілізуючі - із зусиллям 2 тс, що забезпечувало стійкість поясів ферм під час монтажу. Попереднє дослідження на фізичній моделі вантової ферми в масштабі 1:25, проведене в лабораторії випробування конструкцій БНТУ, показало, що за цих умов стійкість поясів забезпечується. У місці перетину вант було встановлено розроблене спільно конструкторами РУП "Інститут Білдержпроект" і фірми "Фрейссине" пристрій - девіатор (розгалуджувач). Він дозволив розсунути несучу ванту на дві гілки і пропустити всередині них стабілізуючу ванту чітко по осі вантової ферми. При зведенні вантового покриття здійснювалася геодезична зйомка. До монтажу вантових ферм були встановлені відмітки центральних металевих кілець, розташованих на тимчасовій опорній башті, і закладних деталей А1 і А2 нерегульованих анкерів в залізобетонних кільцях. Верхні закладні деталі А1 мають відхилення по висоті до 10 мм, а нижні А2 - до 8 мм. Відстані між центром отвору проушини закладної деталі А1 і упорною пластиною для регульованого анкера у верхньому металевому кільці знаходяться в межах від 51,421 до 51,516 м. В період монтажу вантового покриття контролювалися відмітки в середній частині ферм в місці кріплення стійки Св-10.

Після монтажу всіх 48 вантових ферм було виконано попереднє напруження вантового покриття шляхом натягнення стабілізуючих вант поетапно і в певному порядку зусиллями N = 14, 35 і 51 тс за допомогою монодомкратів. Комп'ютерний аналіз показав, що для забезпечення стійкого положення центральних кілець на монтажній башті необхідно на кожному етапі створювати попереднє натягнення одночасно двох діаметрально протилежних вантових ферм. Потім здійснювати таке ж натягнення ортогонально розташованих ферм і лише після цього натягувати решту ферм. Загальне переміщення кінців стабілізуючих вант за розрахунком повинне було складати 150 мм. На першому етапі натягнення зусиллям 14 тс регульовані анкери одержували значні переміщення (до 60 мм). Це пов'язано з тим, що не всі 7 прядей одночасно включалися в роботу. На наступних етапах натягнення в роботу включилися всі пряді і переміщення кінців стабілізуючих вант зменшилися, проте довжини різьби ходу гайки було недостатньо для створення зусилля 51 тс. У зв'язку з цим потрібно було встановити додаткові шайби фірми "Фрейссине" завтовшки 25 мм.

В результаті попереднього напруження в несучих вантах зусилля, зафіксоване у момент втягування і закріплення нижньої ванти в металевому кільці, виросло з 14 до 37 тс, що зареєстрував спеціальний ручний прилад фірми "Фрейссине" за допомогою встановлених датчиків.

Після попереднього напруження вантового покриття тимчасова опора (башта), на якій були встановлені центральні металеві кільця, демонтувалася за допомогою 8 гідравлічних домкратів шляхом послідовного опускання нижніх телескопічних ділянок стійок башти. У зв'язку з невеликим ходом поршня домкратів опускання здійснювалося за рахунок перестановки болтів в отвори, які знаходилися нижче стійок. Домкрати спиралися на підставки із залізобетонних плит завтовшки 60 мм. У міру опускання башти плити поступово виймалися. Розрахункова величина опускання тимчасової опори складає 1,24 м. Під час її опускання, у момент відриву від нижнього металевого кільця (кільце зависло на вантах), переміщення склало величину 1,24 м, що ідеально підтвердило правильність розрахунку.

Металеві плити ребристі, в плані мають форму трапецій, розмір яких міняється у міру просування до центру вантового покриття. Ребра розташовані по контуру кожної плити. По верху ребер саморізами закріплений профнастил. Плити спираються кутами на спеціальні столики, закріплені по верху стійок-розпірок між вантами рис. 4.47. Опори всіх плит шарнірні. Кожна плита має упори, що дозволяють обмежити її переміщення в двох напрямах до 8 мм. Максимальні розрахункові переміщення плит покриття знаходяться в межах 3 мм.

Рис. 4.47. Стійка розпірка

Для точної установки плит на опори здійснена поярусна геодезична зйомка координат опорних столиків геодезистами. У стислі терміни були виготовлені і змонтовані всі трапецієвидні в плані металеві плити покриття. Треба віддати належне оперативній роботі геодезистів, конструкторів Белдержпроекту, фахівців Молодечненського заводу металевих конструкцій і монтажників СМУ-77, що дозволила протягом 3 місяців виготовити і виконати монтаж всіх плит в кількості 720 штук. Конструкція покрівлі складається з рулонної бітумно-полімерної пароізоляції, укладеної по плитах покриття, негорючого утеплювача з жорстких мінераловатних плит "Белтеп" загальною товщиною 180 мм, 1-шарового рулонного водоізоляційного килима з матеріалу "Siplast GFM" і забезпечує підвищений опір теплопередачі R = 4,2 м^{2 0}С/Вт. Покрівля має внутрішній водостік. У єндові покрівлі діаметром 100 м встановлені водостічні воронки фірми "Sita" з електропідігрівом. У зоні перетину вант на відстані 3 м від ендови в кожну сторону, де можливі найбільші переміщення плит, виконано два кільцевих

деформаційно-компенсаційних шва з використанням наделастичного покрівельного матеріалу "Neodyl".

Для улаштування вантового покриття на РУП "МЗМК" (Молодечно) виготовлені наступні металоконструкції:

- нижнє металеве кільце;

- верхнє металеве кільце;

- стійки-распорки між несучими і стабілізуючими вантами;

- стійки між нижнім і верхнім металевим кільцем;

- зв’язки між стійками центрального кільця;

- зв’язкові кільцеві ферми між вантовими фермами;

- закладні металеві вироби А1 і А2 для кріплення відповідно несучих і стабілізуючих вант.

Окрім цього, на заводі зроблені ходові містки, хомути і балки для підвіски сценічного освітлення і інші елементи для кріплення інженерних комунікацій. Металеві кільця - як нижнє, так і верхнє - запроектовані діаметром в осях 12 м і служать для закріплення до ним регульованих анкерів вантових ферм. Габарити кільця призначені з умови розміщення 48 анкерів вантових ферм і установки стійок 159 х 6 між кільцями, діаметри отворів в упорних пластинах - виходячи з діаметру анкерних пристроїв фірми "Фрейссине".

Металеві кільця мають складну конструкцію і складаються з 4 кільцевих пластин, об'єднаних вертикальними ребрами. Кільця, зважаючи на великі розтягуючі зусилля, що виникають в них при роботі вантового покриття, виготовлені з високоміцної сталі класу С390 (10ХСНД). Маса нижнього кільця 62 т, верхнього - 32 т. Із-за великих габаритів і ваги верхнє і нижнє металеві кільця виготовлялися і доставлялися на будмайданчик чотирма рівними частинами. Враховуючи велику відповідальність зварних стикових швів, використовувалися рекомендації за технологією зварки фахівців інституту зварки ім. Патона (Київ) і кафедри зварки Російсько-білоруського університету (Могилів). Стиковка несучих пластин частин кільця виконувалася за допомогою стикових швів з 2-стороннім скосом кромок напівавтоматичною зваркою в середовищі з вуглекислим газом кращими зварниками РУП "МЗМК" як на заводі, так і на будмайданчику. Особливу увагу було приділено зварці на будмайданчику, яка проводився в грудні 2008 р. в спеціально обладнаному тенті-"тепляку" з підтримкою температури не менше +10 ⁰С.

Після виконання зварки з однієї верхньої сторони кільця необхідно було перевернути його на 180⁰. Для цього були запроектовані і виготовлені два спеціальні пристрої, які встановлювалися в кільце з протилежних сторін, що дозволяло його обертати.

За допомогою двох автокранів кільце підняли на потрібну для повороту висоту, перевернули на 180⁰ навколо осі і плавно опустили для подальшого виконання зварки з протилежної сторони.

Контроль всіх зварних стикових швів (заводських і монтажних) здійснювався двома незалежними лабораторіями ультразвуковим методом. Окрім цього проведені механічні випробування зразків стикових швів, які підтвердили їх достатню несучу здатність і необхідний запас міцності.

Для кріплення вантового покриття до залізобетонних дисків перекриття і покриття на заводі проведено 48 великих закладних анкерних пристроїв А1 для кріплення до них несучих вант і 48 малих закладних анкерних пристроїв А2 для кріплення до ним стабілізуючих вант.

Виготовлення проушин анкерних пристроїв і їх співісність виконувалися строго за шаблоном, який імітував вилку (сережку) анкерного пристрою і цапфу фірми "Фрейссине". Після ретельної перевірки комісією якості виготовлення анкерні пристрої доставлялися на будмайданчик.

Треба відзначити, що довжина анкерних стрижнів анкерного пристрою А1 досягає 6 м (на всю ширину залізобетонного кільця покриття), маса складає 1,82 т. Стійки-розпірки розраховані і виготовлені з урахуванням їх граничної гнучкості. Всі вони (720 шт.) виготовлені з круглої труби 159 х 5 і мають різну довжину (від 400 до 7700 мм) для забезпечення заданої траєкторії вант. По кінцях всіх стійок знаходяться по 2 вертикальних пластини, до якої кріпляться хомути несучої і стабілізуючої вант. По верху кожної із стійок шарнірно встановлена опорна пластина для спирання металевих плит покриття, по низу - між двома вертикальними пластинами - втулка з болтом для підвішування різного інженерного і сценічного устаткування.

Особлива увага приділялася виготовленню стійки Св-4, що встановлюється усередині девіатора фірми "Фрейссине". Хрестові гнучкі зв'язки між стійками центрального кільця і кільцеві звязкові ферми між вантовими фермами виготовлені в основному з арматури діаметром 25 мм класу S500 і забезпечені стяжними муфтами, що дозволяють проводити регулювання їх установки. Зв'язки призначені для роботи тільки на розтягування. При виникненні в них стиснення стрижень виходить з площини і вимикається з роботи, що передбачено проектом.