Для перекрытия зданий (особенно больших пролётов) могут применяться висячие (вантовые) конструктивные системы, перекрывающие пролёты от 50 до 400 м. Несущими элементами в висячих конструкциях, как правило, являются стальные тросы, канаты, полосы и листы, закреплённые в опорных конструкциях. Так как стальные тросы в висячих конструкциях работают на растяжение, то материал несущих элементов этих конструкций используется наиболее эффективно. Так, например, расход стали на 1 м2 висячего покрытия пролётом 70–80 м составляет не более 15 кг, а применение металлических ферм или рам для перекрытия такого же пролёта потребовало бы расхода металла от 80 до 120 кг/м2.
В зависимости от конструктивного исполнения и условий работы несущих элементов различают плоские и пространственные висячие системы. К плоским относят системы, состоящие из основного несущего элемента (троса, каната), перекинутого через жёсткие стойки-пилоны и закреплённого концами к заглублённым в грунт анкерам или к бортовым элементам, например, балкам, которые опираются на заанкеренные стойки-пилоны. При этом тросы и стойки-пилоны с анкерами находятся в одной или параллельных плоскостях. Ограждающая конструкция покрытия укладывается на тросы или подвешивается к ним (рис. 5.19).
Рис. 5.19. Вариант решения плоской висячей конструктивной системы: 1 – опорный бортовой элемент; 2 – трос (канат); 3 – опорная стойка; 4 – фундамент; 5 – оттяжка; 6 – анкер. Стрелкой показан уклон покрытия для водостока
Пространственная висячая система состоит: 1) из опорного контура, имеющего, как правило, криволинейное замкнутое очертание, и опирающегося на колонны или несущие стены; 2) из системы тросов, образующих криволинейную поверхность. На тросы укладывают или подвешивают к ним ограждающую конструкцию покрытия (рис. 5.20).
Для обеспечения устойчивости висячих систем, т. е. их стабилизации, используют следующие приёмы (рис. 5.21): 1) пригрузка элементами пок-рытия, например, железобетонными плитами или утепляющим материалом с массой до 1 кН/м2 (100 кг/м2) – схемы 1 и 2 на рис. 5.21; 2) устройство жёсткой по форме конструкции висячего покрытия (например, в виде предварительно напряжённой оболочки или провисающей металлической фермы) – схемы 3 и 4 (рис. 5.21); 3) предварительное напряжение несущих канатов стабилизирующими канатами или другими элементами – схемы 5, 6, 7 и 8 (рис. 5.21).
Рис. 5.20. Пространственные висячие системы: а – пространственная висячая система с центральным кольцом (спортивная арена, г. Монтевидео); б – то же с центральной опорой (автогараж в Киеве); 1 – опорный контур; 2 – несущие тросы (канаты); 3 – плиты покрытия, подвешенные к канатам на крюках; 4 – центральное кольцо с фонарём; 5 – стена под опорным контуром; 6 – водоотвод; 7 – продольный шов между плитами; 8, 9, 10 – соответственно паро-, тепло-и гидроизоляция; 11 – крюки для подвешивания плит к канатам; 12 – центральный контур для крепления канатов; 13 – опоры в виде колонн под наружным опорным контуром; 14 – центральная опора; 15 – поперечные швы между плитами, заполняемые бетоном при временной пригрузке покрытия
Рис .5.21. Приёмы стабилизации висячих конструктивных систем: 1 – несущие тросы; 2 – предвари-тельно напряжённые стабилизиру-ющие тросы; 3 – балки; 4 – плиты покрытия; 5 – мембрана; 6 – утяже-ляющий утеплитель; 7 – железобе-тонные плиты, подвешиваемые к тросам на крюках; 8 – крюки; 9 – швы между плитами, заполняемые бето-ном (раствором) под временной пригрузкой покрытия; 10 – провиса-ющая ферма; 11 – трос-струна; 12 – промежуточные опоры для свободного опирания струн; 13 – распорки; 14 – центральный барабан; 15 – растяжки; 16 – диа-гональные растяжки; 17 – узел соединения несущей и стабилизирующей вант. В верхнем левом углу указаны номера схем стабилизации висячих систем
Разновидностью висячей конструктивной системы является мембранная конструкция покрытия, состоящая из закреплённых в опорном контуре стальных или алюминиевых полос-листов, возможно взаимно пересекающихся и взаимно переплетающихся. При устройстве мембранных покрытий полосы-листы укладывают на специальные подстилающие элементы (на «постель») в виде направляющих, фиксирующих проектную геометрическую форму покрытия и обеспечивающих его стабилизацию. В качестве подстилающих элементов могут служить стальные балки, полосы или лёгкие висячие фермы, располагаемые по направлениям главной кривизны покрытия. Снаружи подстилающие элементы, как и элементы мембраны, крепят к внешнему опорному контуру, а внутри – к центральному растянутому контуру (рис. 5.22.1 и 5.22.2).
Рис. 5.22.1. Мембранное покрытие Ø 160 м спортивно-концертного комплекса в Санкт-Петербурге: а – план покрытия; б – разрез здания
Рис. 5.22.2. Узлы мембранного покрытия Ø 160 м (к рис. 5.22.1)
Преимущество мембранной системы перед висячей состоит в том, что мембрана является одновременно несущей и ограждающей конструкцией, на которую укладывается паро-, тепло- и гидроизоляция.
Выбор конструктивной системы здания зависит от его функционального назначения, которое определяет пролёты между вертикальными опорами, высоту и капитальность здания. При малых пролётах (до 12 м), как правило, применяют коробчатые или стоечно-балочные системы; при значительных пролётах (от 18 до 60 м и более) применяют стоечно-балочные системы, плоские или пространственные криволинейные системы, висячие и складчатые системы из железобетона и металла.
Применение пространственных конструктивных систем в виде сводов, оболочек, куполов, складок, а также сетчатых и висячих конструкций обеспечивает снижение приведённой толщины несущей конструкции и существенную экономию материалов.