КОНСТРУИРОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МЕМБРАН к. т. н. Мухамедшакирова Ш. А
Содержание. 1. Характеристика. 2. Виды мембранных покрытий. 3. Конструктивное решение. 4. Примеры 5. Литература.
Введение. Современным тенденциям в области строительства — увеличению перекрываемого пролета и снижению собственной мaссы конструкций — в наибольшей мере удовлетворяют комбинированные (сталежелезобетонные) висячие покрытия, состоящие из тонколистовой двухосно растянутой металлической пролетной конструкции и сжатого железобетонного опорного контура. В этом конструктивном решении наилучшим образом используются механические качества каждого материала. Действительно, сталь, хорошо работающая на растяжение, идет на изготовление собственно мембраны, отчего вес пролетной части конструкции оказывается минимальным. Другая, сжатая часть конструкции — опорный контур — выполняется в железобетоне, хорошо работающем на сжатие (внецентренное сжатие).
Если традиционные покрытия состоят из несущих и ограждающих конструкций, то в мембранах эти функции совмещены. Работа стального листа мембраны в двух направлениях обеспечивает возможность перекрывать большие пространства, и собственная масса такой конструкции всегда будет меньше массы конструкции плоскостной стержневой системы. Проектные проработки и исследования показывают, что бла годарядвухосной работы материала тонким стальным листом можно перекрывать пролет 200 м при толщине мембраны всего 2 мм, т. е. с расходом стали на пролетное строение 16 кг/м 2. Восприятие мембранами касательных усилий способствует резкому снижению изгибающих моментов в опорном контуре, что выгодно отличает эти конструкции от дискретных. Наряду с малым расходом стали, мембранные покрытия обладают повышенным запасом прочности — локальные несовершенства конструкции и металла в мембранах не столь опасны, как в дискретных системах.
Общая характеристика мембран. Мембранные системы представляют собой пространственную конструкцию из тонкого металлического листа, закрепленного на контуре. Пролетная конструкция (мембрана) может быть подкреплена системой элементов, используемых для монтажа оболочки и ее стабилизации. Мембрана работает в основном на растяжение в двух направлениях без опасности потери устойчивости. Цепные усилия с пролетной конструкции воспринимаются опорным контуром, работающим совместно с мембраной, которая в большинстве случаев обеспечивает его устойчивость. Мембрана совмещает одновременно несущие и ограждающие функции. Тонколистовыми конструкциями можно перекрывать без промежуточных опор практически любые требуемые пролеты.
Достоинства. Мембрана, изготовленная из обычных сталей, имеющих относительное удлинение более 18%, представляет собой практически неразрушимую конструкцию. Это обусловлено тем, что с увеличением нагрузки резко возрастает стрела провеса по крытия и, следовательно, его несущая способность. И, наконец, большое достоинство мембран при перекрытии ими больших пролетов — возможность переноса основных тру доемких процессов по возведению покрытия в заводские усло вия, где могут изготовляться большеразмерные стальные полот нища(500 м 2 и более), которые в компактных рулонах достав ляются на строительство.
Достоинства. Выгодная геометрическая форма, благодаря которой покрытие в объемной компоновке сооружения описывает функционально необходимое пространство, что дает возможность получать наименьший по сравнению с другими системами покрытий объем сооружения, сокращая таким образом эксплуатационные расходы на отопле ние, вентиляцию, кондиционирование. Мембраны не требуют специальной противопожарной защиты, что предопределено их свойствами, заключающимися в не возможности мгновенного обрушения при нагреве. Монтажные соединения элементов мембран осуществляют на сварке, высокопрочных болтах и заклепках. В качестве основного материала для мембран обычно ис пользуют малоуглеродистую и низколегированную сталь, одна копри соответствующих обоснованиях применяют нержавеющую сталь и алюминий.
Известны два способа устройства мембранных покрытий. По первому способу стальные полотнища, образующие мембрану, раскладываются и соединяются друг с другом внизу на горизонтальном основании, после чего мембрана целиком поднимается в проектное положение. В этом случае предусмотренную проектом форму мембрана получает в процессе подъема и загружения ее постоянной на грузкой. Такой прием был применен при устройстве мембранных покрытий универсального спортивного зала в Измайлове. По второму способу полотнище, образующее мембрану, раскладывают в проектное положение на элементы постели. Иногда постель выполняет функцию конструкции, стабилизирующей форму мембранного покрытия. При этом постель должна обладать изгибной жесткостью в вертикальной плоскости. Жесткая постель в виде радиальных вантовых ферм выполнена под мембранным покрытием универсального спортивного зала в Ленинграде. Постель в виде радиальных ферм с жесткими элементами сделана под мембранным покрытием стадиона на просп. Мира. Постель в виде ортогонально расположенных металлических полос, образующих жесткую форму гиперболического параболоида, выполнена в покрытии велотрека в Крылатском.
Схема прямоугольного в плане покрытия с замкнутым опорным контуром: 1 — распорки; 2 — регулирующая монтажная затяжка; 3 — элементы постели; 4 — мембрана; 5 — опорный контур.
Для пролетной конструкции мембранных систем используют полотнища, доставляемые на строительную площадку в рулонах. Длина полотнища принимается равной всему пролету или (для оболочек с круглым и овальным планом, имеющим центральное кольцо) половине пролета. Ширина полотнища принимается 6. . . 12 м и ограничивается габаритами и массой рулона, производственными возможностями завода изготовителя. Рулонные полотнища толщиной от 3 мм и более изготавливаются из отдельных листов размером 1, 5 X 6 м, свариваемых встык на специальных высокомеханизированных установках. Изготовление полотнищ толщиной менее 3 мм следует предусматривать из рулонных лент, соединяемых друг с другом внахлест на сварке.
Эффективность мембранных покрытий, как уже отмечалось, в использовании железобетона для опорного контура. Рационально запроектированный опорный контур работает как внецентренно сжатый элемент с малым эксцентриситетом нормаль ной силы, т. е. как элемент, все сечение которого сжато. Естественно, что для таких элементов применение железобетона весьма экономично.
Опорный контур бывает. МЕТАЛЛИЧЕСКИ Й ЖЕЛЕЗОБЕТОНН ЫЙ
Железобетонный опорный контур имеет большую степень надежности, чем металлический, в связи с более высокой долговечностью материала, массивностью и большей жесткостью сечения.
Ж/б опорный контур Сборный Монолитный Сборно монолитный
Ленточная седловидная оболочка 1 — опорный контур; 2 —стабилизирующие ленты; 3 — пилон; 4 — утеплитель; 5 — несущие ленты
В связи с незначительной изгибной жесткостью мембранных оболочек необходима их стабилизация, предотвращающая потерю общей устойчивости покрытия (его выхлоп в сторону, противоположную провису), уменьшающая повышенную деформативность мембранных систем от неравномерных нагрузок, которая может привести к расстройству кровли и невозможности нормальной эксплуатации здания, обеспечивающая работу покрытия на динамические воздействия, в частности ветровые. В некоторых случаях стабилизация необходима для предотвращения местной потери устойчивости тонкого листа. Стабилизация тонколистовых покрытий осуществляется увеличением массы покрытия, введением в конструкцию элементов, обладающих изгибной жесткостью, предварительным напряжением.
Стабилизация покрытия за счет увеличения массы достигается применением утеплителей с повышенной плотностью, укладкой цементной или бетонной стяжки, использованием балластных пригрузов, подвеской постоянного технологического оборудования. Такой прием обеспечивает растягивающие напряжения в мембране даже при ветровом отсосе и уменьшает долю неравномерных временных нагрузок. В большинстве случаев оказывается, что применяемая в настоящее время традиционная кровля совместно с мембраной обеспечивает требуемую для стабилизации массу покрытия. Стабилизирующие изгибно жесткие элементы обычно располагают вдоль линий главных кривизн поверхности оболочки и выполняют металлическими из сплошных прокатных или сварных элементов или в виде висячих ферм. Стабилизирующие элементы обычно используют в качестве монтажной постели.
Предварительное напряжение мембран осуществляется различными способами в зависимости от формы поверхности покрытия: притягиванием мембраны к контуру с помощью натяжных устройств (оболочки отрицательной гауссовой кривизны); натяжением нижнего пояса, элементов решетки или оттяжек Байтовых ферм, включенных в пролетную конструкцию (оболочки нулевой и положительной гауссовой кривизны); притягиванием концов поперечных элементов постели к основанию (цилиндрические оболочки). В пролетной конструкции мембранных систем можно устраивать проемы для установки зенитных фонарей, пропуска коммуникаций и т. п. Проемы обрамляют листом, расположенным в плоскости мембраны и имеющим площадь поперечного сечения не менее половины площади ослабления мембраны. При наличии элементов постели подвески крепят к этим элементам. Возможно крепление подвесок выполнять непосредственно к мембране с использованием распределительных шайб.
Стабилизация покрытий предварительным натяжением: а — притягиванием мембраны к контуру, б — изменением геометрии покрытия; в, г, д — с помощью натяжения вгнтовых ферм; е—притягиванием поперечных балок к основанию; 1 мембрана; 2 стабилизирующие ванты; 3 центральный пригруз; 4 оттяжки
Основные особенности работы висячих мембранных систем по сравнению, например, с выпуклыми (положительной гауссовой кривизны) железобетонными оболочками состоят в следующем: выпуклые оболочки имеют постоянное и заранее заданное очертание поверхности; тонколистовые висячие покрытия не имеют постоянного очертания — их геометрия является функцией нагрузки, т. е. они имеют меняющуюся форму, следящую за нагрузкой; деформации выпуклых оболочек весьма малы по сравнению с основными размерами, поэтому они не учитываются; висячие мембранные покрытия весьма деформативны (вследствие упругих, пластических и кинематических перемещений); стрела подъема выпуклых оболочек, как правило, принимается не менее 1/5 их пролета; провесы висячих мембран колеб лются пределах 1/50 – в 1/25 их пролета; выпуклые оболочки не могут быть столь пологими из за потери устойчивости; деформации опорного контура выпуклых пологих оболочек неблагоприятно сказываются на их надежности и могут привести к обрушению; в висячих покрытиях деформации контура увеличивают несущую способность конструкции в целом.
Конструктивное решение стадиона на 25 тыс. зрителей в Ленинграде Наиболее крупным сооружением с мембранным покрытием, опыт возведения которого использован в последующем проектировании и строительстве олимпийских сооружений в Москве, явился крытый стадион на 25 тыс. зрителей, законченный строительством в 1979 г. в Ленинграде (рис. 1. 1). Крытый стадион осуществлен по проекту Лен. ЗНИИЭП. Объем крытого стадиона диаметром 160 м и высотой 39 м перекрыт предварительно напряженной стальной висячей обо лочкой—мембраной толщиной 6 мм. По наружному контуру мембрана шарнирно крепится в 112 точках к сборномонолитному железобетонному опорному контуру.
Особенности расчета мембранных покрытий. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ
Особенности расчета мембранных покрытий В первом случае континуальные поверх ности и их контуры аппроксимируются дискретной стержневой моделью, при этом, расчет реализуется на ЭВМ. Во втором слу чае используется аппарат прикладной теории упругости чаще всего с применением для решения контактной задачи сопряже ния мембраны с контуром энергетических методов в перемещениях.
При монтаже мембран способом подъема сваренного на земле покрытии расчет производится на стадии подъема и от дельно в стадии эксплуатации —при других условиях закрепления в опорном контуре. Таким образом, на восприятие собственной массы — одна расчетная схема, а на последующее восприятие снеговой на грузки — другая.
В то же время при проектировании мембранных покрытий необходимо решение ряда сложных проблем, к числу которых следует отнести: правильный выбор формы поверхности мембраны с учетом очертания конструкции в плане, а также способа ее стабилизации; рациональное конструирование опорного контура, воспринимающего значительные цепные усилия; вопросы гидро и теплоизоляции и водоотвода с покрытия; антикоррозийной защиты мембраны и т. п. Форма поверхности отдельно стоящих покрытий: а, г — нулевой гауссовой кривизны; б, в — положительной гауссовой кривизны; д, и — отрицательной гауссовой кривизны
ВИДЫ МЕМБРАННЫХ ПОКРЫТИЙ Мембранные покрытия разделяются по конструктивным особенностям МЕМБРАННЫЕ СПЛОШНЫЕ ЛЕНТОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Очертания в плане Мембранные сплошные оболочки выполняются из отдельных тонколистовых полотнищ, объединяемых на монтаже в сплошную пространственную систему. МНОГОУГОЛЬНИК ТРЕУГОЛЬНИК ПРЯМОУГОЛЬНИК круг овал эллипс
Мембранные оболочки могут иметь различную форму поверхности: нулевой гауссовой кривизны — цилиндрические и конические оболочки; положительной гауссовой кривизны — сферические, в виде эллиптического параболоида, очерченные по поверхностям вращения с вертикальной осью; отрицательной гауссовой кривизны — седловидные, в том числе в виде гиперболического параболоида, шатровые; в виде комбинации оболочек с одинаковой или различной геометрией поверхности — составная поверхность.
Форма поверхности составных покрытий: а, г, е, ж, з — отрицательной гауссовой кривизны; б, в, д — нулевой гауссовой кривизны
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕМБРАННЫХ СИСТЕМ. Для изготовления пролетной конструкции мембранных систем применяются стали углеродистые, низколегированные, в особых случаях нержавеющие стали и алюминиевые сплавы, выпускаемые в виде листов или рулонов. При этом необходимо обращать особое внимание на антикоррозийную защиту поверхности мембран со стороны кровли
ОСОБЕННОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МЕМБРАН. 1) максимальный прогиб мембраны оказывается в зонах, примыкающих к серединам прямолинейных бортовых элементов. Прогиб центра покрытия составляет около 50 % от максимального; 2) мембрана включается в работу и в прямолинейном направлении. В зависимости от соотношения размеров покрытия в плане напряжения в мембране в этом направлении составляют 50. . . 90 % от величины напряжений в провисающем направлении мембраны; 3) главные напряжения в оболочке возрастают от центра к углам покрытия. Нормальные и касательные усилия, действующие по линии сопряжения мембраны с контуром, также возрастают от середины его сторон к углам покрытия; 4) распределение сжимающих усилий и изгибающих моментов в прямолинейном и криволинейном бортовых элементах контура имеют одинаковый характер. Максимальное сжатие оказывается в середине бортового элемента, уменьшаясь до 2 раз в местах перемены сечения или окончания распорок
КРЫТЫЙ СТАДИОН НА 45 ТЫС. ЗРИТЕЛЕЙ НА ПРОСПЕКТЕ МИРА Комплекс крытого стадиона по своему функциональному содержанию разделен на пять зон. Центральная — с ареной, трибунами и вспомогательными помещениями для зрителей, гостей, комментаторов. Во второй зоне размещены вестибюль, гардероб и фоне для зрителей, пресс центр, предприятия общественного питания (ресторан, кафе, столовая, пресс бар). В двух других зонах находятся залы: хоккейный зал размером 30 x 61 м с искусственным льдом, спортивный зал хореографии размером 36 X 18, два спортивных зала размерами 42 X 24 м предназначены для тренировочных занятий по волейболу, бас кетболу, ручному мячу, теннису.
Конструктивное решение сооружения Колонны высотой 33 м шарнирно оперты на железобетонные опоры и жестко связаны с контурным кольцом. Цилиндрические шарниры обеспечивают возможность поворота колонн в опорной части при температурных деформациях покрытия. Контурное железобетонное кольцо выполнено в стальном корытообразном коробе шириной 5 и высотой 1, 75 м (рис. 1. 5, а). Такое решение позволило выполнить опорное кольцо без традиционных в таких случаях опалубки и подмостей. К наружному кольцу подвешена висячая растянутая оболочка из стального листа толщиной 5 мм с поверхностью в ви де эллиптического параболоида положительной гауссовой кривизны (со стрелой провисания, достигающей 12 м), рабо тающая совместно с наружным контурным кольцом.
Оболочка покрытия (мембрана) кроме основного стального листа толщиной 5 мм состоит из радиально расположенных стабилизирующих ребер ферм высотой 2, 5 м с шагом по наружному контуру 10 м и кольцевых элементов — прогонов, уложенных по верхним и нижним поясам этих ферм. Назначение стабилизирующих ферм—в распределении влияния одностороннего загружения растянутой стальной оболочки сне гом и различного рода технологическими нагрузками. Верхние пояса этих ферм имеют сечение в виде лежачего швеллера № 40 и являются одновременно радиальными ребрами, по ко торым укладывали поставляемые в виде рулонов листы сталь ной оболочки. Раскатанные листы в виде сегментов соединяли между собой по поясам стабилизирующих ферм высокопрочными бол тами диаметром 24 мм.
Висячая растянутая тонкая стальная оболочка, ужесточенная стабилизирующими фермами и связанная с наружным контурным кольцом, замкнута в центральной части покрытия внутренним эллиптической формы плоским кольцом размером 30 x 24 м. Это кольцо со структурной системой стальных балок, покрытых листом толщиной 8 мм, представляю щих собой ортотропную плиту, является органической состав ной частью висячей оболочки. Примыкающая к внутреннему кольцу оболочка прикреплена к нему на высокопрочных болтах. Кроме того, в узле примыкания мембраны и стабилизирующей фермы к внутреннему кольцу предусмотрено специальное устройство из парных регулируемых болтов, которые позволили регулировать положение верхних поясов ферм, обеспечивающих проектное геометрическое положение всей оболочки. Мембрану собирали по выверенной поверхности стабилизирующих ферм секторами длиной примерно 90 м. Высота структурного покрытия 5 м. Это требовало увеличения общего объема сооружения.
Монтаж покрытия сопряжен с необходимостью установки по всей площади сооружения мощных подмостей и, следователь но, со значительным расходом стали на монтажные приспособления. Вес металла, приходящийся на 1 м 2 покрытии стрктур ном варианте, составил около 125 кг Комбинированное висячее покрытие. Несущая конструкция предложена в виде вант и ферм жесткости, которые чередуются друг с другом, располагаясь в радиальном на правлении, и закреплены через 4, 5 м к внешнему контуру. Цепные усилия с внешней стороны воспринимаются опорным контуром, выполненным в сборно монолитном железобетоне, а с внутренней стороны — стальным эллиптическим кольцом. Кроме того, при столь больших пролетах структуру пришлось опереть па мощные рамы и ввести еще дополнительные фермы по наибольшей оси эллипса, что значительно усложнило конструкцию всего сооружения.
На русском/казахском/ английском Пояснение мембрана жарғақша membrane Упругая перепонка, тонкая пластинка, способная совершать колебания. монолит жиынтық monolith Цельная каменная глыба, а также предмет, высеченный из неё. многоугольник көпбұрыш polygon Многоугольная геометрическая фигура. Оболочка Қабықша Shell называются геометрические тела, ограниченные криволинейными поверхностями, расстояния между которыми малы по сравнению с другими их размерами.
ЛИТЕРАТУРА. Дыховичний Ю. А. Большепролётные конструкции сооружений Олимпиады 80 в Москве М; Стройиздат 1982. ; 30 139 стр. Кирсанов Н. М. Висячие и вантовые конструкции М; : Стройздат 1981. ; 80 95 стр. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов / Е. И. Беленя; В. А. Балдин; Г. С. Веденников и др. ; Под общ. ред. Е. И. Беленя –М. ; Стройиздат , 1986. ; 445 448 стр.
Скачать презентацию КОНСТРУИРОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МЕМБРАН к т н Мухамедшакирова Ш
П 8 Конструирование цилиндрических мембран.ppt