Мембранные покрытия

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Харьковский национальный университет строительства и архитектуры

Кафедра: Архитектурных конструкций

Реферат по дисциплине конструкция покрытия большепролетных зданий тему: Мембранные покрытия

Выполнил: студент гр.

А-53 Алтаев Бегли

Проверил: Михеев Ю. М

Харьков 2014

МЕМБРАННЫЕ ПОКРЫТИЯ

Особенности мембранных покрытий

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 благодаря двухосной 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/м². 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.

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 покрытия и, следовательно, его несущая способность.

И, наконец, большое достоинство мембран при перекрытии ими больших пролетов -- возможность переноса основных трудоемких процессов по возведению покрытия в заводские условия, где могут изготовляться большеразмерные стальные полотнища (500 м² и более), которые в компактных рулонах доставляются на строительство.

Вообще говоря, отечественной практике 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 нагрузкой. 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.

Эффективность мембранных покрытий, как уже отмечалось, в использовании железобетона для опорного контура. Рационально запроектированный опорный контур работает как внецентренно-сжатый элемент с малым эксцентриситетом нормальной силы, т. е. как элемент, все сечение которого сжато. Естественно, что для таких элементов применение железобетона весьма экономично.

В связи с тем что сечение опорного контура в мембранных системах почти всегда определяется из условия прочности, а не устойчивости, для него выгодно применять самые высокие марки бетона. При этом процент армирования может быть минимальным.

Опорный контур, как правило, является наиболее дорогим элементом конструкции. Стоимость его составляет более 50% общей стоимости несущей конструкции покрытия.

Исследования подтверждают высокую экономичность железобетонного опорного контура по сравнению с остальным.

Железобетонный опорный контур имеет большую степень надежности, чем металлический, в связи с более высокой долговечностью материала, массивностью и большей жесткостью сечения.

До недавних пор считалось, что применение тонколистовых мембранных висячих покрытий рационально лишь при круглой форме плана, так как только в этом случае, при равномерной внешней нагрузке, опорный контур работает на центральное сжатие.

Однако теоретические и экспериментальные исследования последних лет (В. И. Трофимов, И. Г. Людковский и др.) показали, что учет действительной совместной работы мембраны с опорным контуром позволяет получить эффективные решения мембранных покрытий при различных формах покрытия в плане.

Некоторые исследователи пошли дальше и выдвинули идею о безизгибности опорного контура. Основываясь на экспериментальных работах с тонколистовыми и мембранными покрытиями, И. Г. Людковский показал, что гибкая пологая, первоначально плоская мембрана, имея обрамление в виде замкнутого опорного контура, при действии поперечной нагрузки представляет собой следящую систему, которая саморегулирует и оптимизирует напряженное состояние конструкции, вызывая в контуре произвольного очертания только однозначные сжимающие напряжения. Это положение справедливо для конструкций, имеющих деформируемый опорный контур.

Жесткость контура решающим образом влияет на распределение усилий в системе. Ранее при проектировании мембран опорный контур, в котором они закреплялись, как правило, принимался недеформируемым. При этом, естественно, в нем возникали большие изгибающие моменты в горизонтальном направлении в связи с тем, что на жесткий контур мембрана передает распор большой величины (что обусловлено пологостью конструкции). Было замечено, что даже малая податливость контура резко снижает передаваемые на него усилия.

Стабильность очертания опорного контура обусловлена тем, что пологую двухосно напряженную мембрану весьма трудно продеформировать горизонтальными усилиями из-за большой ее жесткости на растяжение и изгиб в своей плоскости. Опорный контур не обладает необходимой для этого энергией из-за своей ограниченной изгибной жесткости.

Криволинейный контур, например эллиптический в плане, будет под нагрузкой стремиться к увеличению своей большой оси. Но изменение его кривизны связано с растяжением мембраны горизонтальными силами, которые должны быть очень большими для того, чтобы продеформировать жесткую мембрану. Такие силы могут возникнуть лишь при очень жестком контуре.

При прямоугольных или многоугольных очертаниях усилия будут перетекать в углы.

В настоящее время еще не создана общая методика расчета мембранных конструкций с разнообразными планами. Она очень сложна из-за физической и геометрической нелинейности конструкции.

Как правило, в различных участках мембраны может одновременно возникнуть двухстадийная работа: при криволинейных очертаниях покрытия -- пластическая работа в средней части и упругая работа по периферии. При прямоугольных очертаниях, наоборот, наиболее напряженными должны быть угловые зоны, в которых по мере роста нагрузки должны вознекать пластические деформации, вследствие чего с изменением нагрузки расчетная схема будет меняться. Поэтому наряду с теоретическими исследованиями, в первую очередь, были проведены экспериментальные.

Экспериментальные данные и указанные выше факторы дали И. Г. Людковскому основание для утверждения, что пологие, первоначально плоские тонколистовые висячие мембранные конструкции, жестко связанные по периметру с деформируемым опорным контуром любого очертания в плане, обладают свойством под действием поперечной нагрузки существенно изменять форму своей поверхности, не вызывая при этом значительных деформаций опорного контура и искажений первоначального геометрического очертания в плане.

Иными словами, было высказано утверждение, что опорный контур мембраны, очертание которого может состоять из любого числа прямолинейных либо криволинейных отрезков, сопряженных между собой плавно, либо с углом перелома, мало чувствителен к изменению нагрузки на мембране, причем любая несимметричная нагрузка на мембране не вызывает в нем растягивающих напряжений. Такое напряженное состояние опорного контура справедливо и в случае его опирания на редко расставленные колонны, например, при опирании прямоугольного в плане контура по углам при условии прикрепления мембраны к контуру ниже центра тяжести его сечения. В таких случаях растягивающие напряжения в контуре от его изгиба под действием собственной массы погашаются благодаря эксцентричному приложению нормальной силы.

Таким образом, 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 колеблются в пределах 1/50 - 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. мембранный покрытие железобетон висячий

Стабилизирующее влияние мембраны на контур весьма велико. Стабильность очертания опорного контура, как уже отмечалось, обусловлена тем, что пологая, двухосно напряженная мембрана весьма слабо деформируется под действием горизонтальных усилий из-за большой жесткости на растяжение и изгиб (в своей плоскости). Вследствие этого даже гибкий опорный контур может иметь весьма ограниченные горизонтальные смещения.

Большое достоинство мембранных покрытий -- 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 отопление, вентиляцию, кондиционирование.

Мембраны не требуют специальной противопожарной защиты, что предопределено их свойствами, заключающимися в невозможности мгновенного обрушения при нагреве.

Монтажные соединения элементов мембран осуществляют на сварке, высокопрочных болтах и заклепках,

В качестве основного материала для мембран обычно используют малоуглеродистую и низколегированную сталь, однако при соответствующих обоснованиях применяют нержавеющую сталь и алюминий.

Серьезная проблема в обеспечении необходимой статической работы мембран -- их стабилизация. Как известно, висячие покрытия весьма деформативны и использование их в качестве кровельного покрытия требует специальной стабилизации поверхности.

Стабилизация может осуществляться рядом конструктивных приемов: введением в конструкцию мембраны вантовой предварительно напряженной системы, включением в работу мембраны специальных ребер, обладающих изгибной жесткостью, созданием необходимого пригруза мембранного покрытия.

Исследования показывают, что в мембранах на круглом и овальном планах, когда собственная масса в 1,5--2 раза превышает снеговую нагрузку и мембрана жестко соединена с контуром, положение поверхности оказывается достаточно устойчивым, где бы ни размещалась снеговая нагрузка.

При двойном превышении собственной массы над снеговой нагрузкой, если кромка мембраны соединена с опорным контуром по всему периметру, цилиндрические поверхности кровли также достаточно устойчивы.

Следует отметить, что приоритет в создании мембранных конструкций принадлежит нашему соотечественнику, выдающемуся русскому инженеру В. Г. Шухову, который в 1896 г. на Всемирной выставке в Нижнем Новгороде перекрыл стальной мембраной центральную часть инженерно-строительного павильона диаметром 25 м.

Широкое внедрение в строительную практику легких утеплителей, наличие мощных производственных баз, позволяющих основные трудоемкие процессы изготовления конструкции перенести в заводские условия, создали предпосылки для резкого повышения эффективности мембранных систем и возведения за последние годы ряда большепролетных мембранных покрытий. Таких, например, как Дворец спорта имени В. И. Ленина в г. Фрунзе и плавательный бассейн в Харькове пролетами по 63 м, концертный зал в г. Сочи.

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 ЛенЗНИИЭП.

Объем крытого стадиона диаметром 160 м и высотой 39 м перекрыт предварительно-напряженной стальной висячей оболочкой--мембраной толщиной 6 мм. По наружному контуру мембрана шарнирно крепится в 112 точках к сборно-монолитному железобетонному опорному контуру.

Рис. 1. Конструктивное решение стадиона на 25 тыс. зрителей в Ленинграде

Особенности расчета мембранных покрытий

Мембранные покрытия рассчитывают численными и аналитическими методами. В первом случае континуальные поверхности и их контуры аппроксимируются дискретной стержневой моделью, при этом, расчет реализуется на ЭВМ. Во втором случае используется аппарат прикладной теории упругости чаще всего с применением для решения контактной задачи сопряжения мембраны с контуром энергетических методов в перемещениях.

Задачи обычно решаются в предположении упругой работы материала без учета или с учетом геометрической нелинейности, при этом в обоих случаях учитывают все возможные деформации контурных элементов (сжатие, изгиб, кручение).

По сравнению с расчетом в геометрически нелинейной постановке расчеты по линейной теории висячих мембранных систем на равномерно распределенную нагрузку идут в запас по усилиям и по перемещениям.

При неравномерных нагрузках линейный расчет висячих систем с определенными соотношениями временной неравномерной и постоянной равномерно распределенной нагрузки может привести к занижению усилий и прогибов вследствие кинематических перемещений системы и изменения первоначальной геометрии покрытия.

В мембранных покрытиях вследствие их работы на сдвиг неравномерные нагрузки не приводят к существенному изменению исходной формы оболочки. Так, экспериментальные исследования покрытия универсального стадиона на просп. Мира, где собственная масса в полтора раза превышала временную нагрузку, показали, что суммарный прогиб от собственной массы и одностороннего загружения снегом оказался практически таким же, как и при равномерном распределении нагрузки по всей поверхности, и располагается близко к центру покрытия. Это позволило сделать вывод, о том, что в случаях, когда собственная масса в полтора раза и более превышает снеговую нагрузку, расчеты, проведенные в линейной постановке, дают некоторый запас не только на действие равномерно распределенной, но и неравномерной нагрузки при одностороннем действии снега.

Вместе с тем в ряде случаев необходимо учитывать так называемую конструктивную нелинейность, т. е. изменение в процессе работы сооружения механических свойств некоторых материалов или расчетных схем конструкции, например, при железобетонных контурах учитывать снижение модуля упругости бетона во времени. При расчете контурных арок велотрека в Крылатском было необходимо учесть две стадии работы конструкции: первая -- при неподвижных пятах арок и вторая -- когда произойдет их подвижка и включатся в работу затяжки, соединяющие пяты арок.,

Как уже отмечалось, мембранные покрытия рассчитывают при упругом состоянии материала, однако в. мембранах, форма образования которых создается в процессе нагружения (т. е. первоначально плоские мембранные конструкции), учитывается пластическое состояние материала на определенной части поверхности.

В статической работе мембранной оболочки важен правильный учет влияния соединения растянутой мембраны со сжатым опорным контуром. Существует точка зрения о том, что присоединенная к сжатому контуру по всему его периметру мембрана будет испытывать в кольцевом направлении сжимающие усилия.

Поэтому чтобы исключить потерю устойчивости приопорной зоны мембраны, подобное присоединение в ряде случаев осуществлялось не по всему периметру, а в отдельных точках.

Однако эксперименты не подтверждают сколько-нибудь существенного искривления мембраны при ее прикреплении по всему периметру. Исследования показали, что наличие растягивающих напряжений в одном направлении создает условия восприятия тонким листом сжимающих напряжений в ортогональном направлении.

Следует также учитывать, что при таком прикреплении мембрана в большой мере воспринимает сдвиговые усилия, которые, как уже отмечалось, способствуют снижению изгибающих моментов в опорном контуре от действия неравномерных нагрузок.

Работа мембран на сдвиг, а также восприятие приконтурной зоной сжимающих напряжений способствуют снижению не только изгибающих моментов, но и сжимающих сил в контуре по сравнению с системой, поверхность которой образована вантовой сеткой. Сопоставление внутренних усилий в опорном контуре покрытия велотрека Крылатском при наличии мембраны и в предположении, что покрытие образовано вантовой сеткой, показало значительное снижение усилий от действия равномерно распределительной нагрузки в первом случае.

Последние исследования поведения мембраны в месте примыкания к наружному опорному контуру показали, что кольцевые сжимающие усилия в оболочке, обусловленные совместной работой со сжатым опорным контуром, довольно быстро переходят в растягивающие по мере удаления от контура. Сплошное соединение мембраны с опорным контуром при максимальных напряжениях, не превышающих 60 МПа, предотвращает потерю устойчивости сжатого тонкого листа. Одновременно с расчетами на нагрузки в стадии эксплуатации обязательна проверка прочности, жесткости и устойчивости мембраны на стадии монтажа. Монтаж крупными блоками вызывает необходимость производить дополнительный расчет на этой стадии: когда часть мембраны смонтирована и оказывает несимметричные воздействия на опорный контур (см. п. 1 особенности монтажа мембранного покрытия крытого стадиона на просп. Мира).

При монтаже мембран способом подъема сваренного на земле покрытии расчет производится на стадии подъема и отдельно в стадии эксплуатации --при других условиях закрепления в опорном контуре.

Таким образом, на восприятие собственной массы -- одна расчетная схема, а на последующее восприятие снеговой нагрузки-- другая.

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 30x61 м с искусственным льдом, спортивный зал хореографии размером 36X18, два спортивных зала размерами 42X24 м предназначены для тренировочных занятий по волейболу, баскетболу, ручному мячу, теннису.

Рис 2. 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 виде эллиптического параболоида положительной гауссовой кривизны (со стрелой провисания, достигающей 12 м), работающая 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 снегом и различного рода технологическими нагрузками. Верхние пояса этих ферм имеют сечение в виде лежачего швеллера № 40 и являются одновременно радиальными ребрами, по которым укладывали поставляемые в виде рулонов листы стальной оболочки.

Раскатанные листы в виде сегментов соединяли между собой по поясам стабилизирующих ферм высокопрочными болтами 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 30x24 м. Это кольцо со структурной системой стальных балок, покрытых листом толщиной 8 мм, представляющих собой ортотропную плиту, является органической составной 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.

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.

Монтаж покрытия сопряжен с необходимостью установки по всей площади сооружения мощных подмостей и, следовательно, со значительным расходом стали на монтажные приспособления.

Вес металла, приходящийся на 1 м² покрытии стрктурном 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 направлении, 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.

Рис 3Вариант комбинированного висячего покрытия в виде вант и ферм жесткости

Общий вес металла (исключая арматуру внешнего опорного контура), отнесенный к 1 м² покрытия, около 70 кгС точки зрения изготовления эта конструкция сомнений не вызывает и в монтаже более проста, чем, например, структурная конструкция. Кроме того, вертикальная нагрузка, передаваемая с кровли на рамы при опирании внутреннего кольца на ригеля рам, будет несоизмеримо меньшей, чем при первом конструктивном варианте. Однако вантовое решение не лишено и серьезных недостатков. Кроме того, висячее покрытие значительно более деформировано, чем структурное, особенно при несимметричных снеговых и ветровых воздействиях. Чередование ферм и вант, имеющих разную деформативность при неразрезном профилированном настиле, может привести к его работе с двойным пролетом, что сопряжено с опасностью потери устойчивости профиля.

Сборно-монолитная железобетонная предварительно-напряженная висячая оболочка монтируется без лесов по радиальной вантовой сетке, ванты --из высокопрочных оцинкованных канатов, а плиты, образующие поле оболочки, -- из керамзитожелезобетона.

В основу разработки конструкции оболочки легли проведенные в НИИЖБе теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых была разработана методика расчета, позволяющая определять оптимальные геометрические параметры вантовой системы для покрытий эллиптического очертания в плане, т.е. такие, при которых опорный контур работает на внецеитренпое сжатие с небольшими эксцентрицитетами и не нуждается в усилении, исходя из условий монтажа конструкции '.

Вариант покрытия в виде сборно-монолитной железобетонной висячей

оболочки .

Наружный контур принят в виде сборно-монолитного кольца сечением 1,75x2,1 м из бетона марки М400. Внутреннее кольцо --из горизонтальных стальных листов толщиной 40 мм.

Ванты запроектированы в виде пучков из семипроволочных цинкованных прядей условным диаметром 15 мм. В пучке 12_19 прядей. Общее число вант 180.

Керамзитобетонные ребристые плиты приняты с высотой ребра 500 мм; средняя приведенная толщина плит 8 см.

Перед предварительным напряжением замоноличиваются кольцевые швы. После того как бетон в кольцевых швах наберет необходимую прочность, осуществляется предварительное напряжение вант с передачей усилий на бетон. Затем бетоном на напрягающем цементе замоноличиваются радиальные швы .Расход стали на покрытие 25,2 кг/м², бетона 15,65 см/м²

Достоинством этого варианта покрытия являются его эко-_t комичность -- малый расход стали и бетона, а также возможность возведения без подмостей (кроме центральной временной опоры -- туры под внутреннее опорное кольцо), низкие эксплуатационные расходы и повышенная огнестойкость. Его недостатки -- высокая трудоемкость и соответственно более длительные сроки возведения, значительные сложности при производстве работ в зимних условиях.

Основное преимущество мембранного покрытия по сравнению с вантовым вытекает из принципиального различия вантовых и мембранных решений: если при вантах ограждение, например, в виде профилированного настила передает на несущие конструкции поперечную нагрузку, не воспринимая цепные силы, то в мембране сочетаются в одном элементе несущие и ограждающие функции.

По сравнению с предыдущим вариантом -- железобетонной оболочкой -- преимущество мембранного стального покрытия -- в меньшей собственной массе пролетной части, в индустриальное и простоте возведения, возможности бессезонного выполнения этой конструкции специализированной монтажной организацией .

Следует заметить, что расчетная толщина мембраны могла быть снижена до 2,5 мм. Однако, исходя из условий долговечности и сварки, толщина мембраны принята равной 4 мм. В результате мембранное покрытие имеет повышенный почти в 2 раза запас прочности, что при сравнительной легкости конструкции (70 кг/м²), ее новизне и уникальности весьма желательно и полезно.

Снижение почти в 2 раза напряжений в мембранном покрытии и восприятие системой касательных усилий способствуют повышению ее жесткости: так, прогиб мембраны по сравнению с прогибом вантовой конструкции оказался примерно в 2,5 раза меньшим.

Как уже отмечалось, при жестком соединении мембраны с опорным контуром изгибающие моменты в нем резко снижаются, что позволяет запроектировать контур с гораздо меньшей затратой материалов.

Приведенные выше соображения дали основание в качестве окончательного решения выбрать мембранную конструкцию, как более экономичную, научно обоснованную, оригинальную и отличающуюся высоким техническим уровнем, надежную в эксплуатации, простую и индустриальную в изготовлении и монтаже, позволяющую перенести основные работы по созданию покрытия в заводские условия.

Особенности расчета мембранного покрытия

Мембранное покрытие стадиона в отличие от ранее применявшихся тонколистовых покрытий подкреплено радиальнокольцевой системой из изгибно-жестких элементов, обеспечивающих требуемую геометрию покрытия на стадии монтажа. Кроме того, впервые применена мембранная оболочка для перекрытия эллиптического в плане здания, уникального по своим пролетам. Расчет такой конструкции потребовал проведения специальных теоретических разработок и экспериментальных проверок на крупномасштабных моделях. Проблемными вопросами расчета и конструирования покрытия явились также сопряжения мембраны с элементами подкрепляющей системы, учет температурных воздействий, напряженное состояние системы на различных стадиях монтажа. Эти проблемы потребовали решения соответствующих теоретических задач. Новыми явились вопросы по определению расчетных -- снеговой и ветровой -- нагрузок на покрытие на стадиях монтажа и эксплуатации. Расчет покрытия универсального стадиона включал решение комплекса вопросов, важнейшими из которых были:

выбор методики расчета и расчетной модели, обеспечивающих требуемую для инженерных задач точность расчета и ориентированных на имеющиеся в наличии программы для ЭВМ; определение нагрузок и воздействий на покрытие, в том числе атмосферных (снег, ветер);

исследование различных расчетных моделей, анализ результатов расчета и сравнение их между собой и с результатами экспериментальных исследований, с целью проверки принятых теоретических предпосылок и допущений.

Покрытие рассчитывали на эксплуатационные нагрузки различными методами с постепенным усложнением расчетной

Первоначально покрытие рассчитывалось как изотропная безмоментная оболочка в форме эллиптического параболоида с абсолютно жестким опорным контуром.

По результатам этого приближенного расчета были назначены сечения основных несущих конструкций покрытия, которые легли в основу проекта на стадии технико-экономических обоснований (ТЭО). Затем конструкция покрытия была рассчитана на ЭВМ при ряде упрощающих предпосылок: не учитывались радиальные ребра и центральная плита, податливость контура, рассматривалось лишь одно загружение равномерно распределенной нагрузкой. И на последнем этапе покрытие рассчитывалось как единая пространственная система, включающая в себя мембранную оболочку, подкрепленную радиальными ребрами, наружный опорный контур эллиптического очертания в плане, центральную ортотропную плиту и расположенные по периметру сооружения колонны. Ввиду малой толщины мембраны, при расчете которой изгибными напряжениями можно пренебречь, пролетная часть покрытия рассматривалась как безмоментная оболочка, работающая совместно с изгибно-жесткими радиальными ребрами. В расчете учитывались продольные, изгибные и крутильные жесткости наружного опорного контура, элементов центральной плиты и колонн, ломаное очертание в плане наружного контура и его наклон внутрь покрытия, ступенчатое изменение жесткостей колонн, особенности сопряжения отдельных элементов покрытия между собой.

Расчет такой сложной системы, с большим числом конструктивных особенностей, проведен с применением численных методов и использованием ЭВМ для получения решений, достаточно точных для инженерных целей. Численное решение проводилось методом стержневой аппроксимации. Такой выбор определился наличием хорошо разработанного аппарата и мощных программ машинного расчета стержневых систем, материалами исследований и накопленным опытом по использованию стержневой модели для аппроксимации и решения континуальных задач.

Мембранная оболочка заменялась шарнирной стержневой моделью, что соответствует ее безмоментному состоянию, со структурой в виде трапециевидной ячейки, с двумя диагоналями. При принятой радиально-кольцевой разбивке линии, образующие стороны ячеек, совпадали с меридианами и широтами поверхности оболочки. Разбивка проводилась таким образом, чтобы меридиональные пояса стержневой сетки совпадали с радиальными подкрепляющими ребрами, а стороны каждой ячейки были примерно равны.

Площади сечений элементов стержневой системы, моделирующих пространственную мембрану, определялись из эквивалентности деформаций и усилий стержневой ячейки и элемента оболочки. Причем, трапециевидная ячейка в этом случае заменялась осоедненной прямоугольной. Стержневая модель с двумя диагональным связями наиболее удобна и проста при решении подобных задач.

Ввиду того что в расчете учитывались продольная и изгибная жесткости только верхнего пояса радиальных ферм (швеллер № 40, расположенный горизонтально) с малым эксцентрицитетом оси ребра относительно срединной поверхности оболочки, стержни, аппроксимирующие радиальные ребра, совмещались с меридиональными поясами стержневой системы, моделирующей мембранную оболочку.

Ребра центральной плиты, наружный опорный контур и стойки сооружения представлялись пространственной стержневой системой с проектными продольными, изгибными и крутильными жесткостями. Контакт между опорным контуром и пролетной конструкцией в расчетной схеме осуществлялся в узлах с помощью бесконечно жестких стерженьков, длина и направление которых определялись расстоянием от продольной оси наружного кольца до точек примыкания мембраны. Такая аппроксимация позволила учесть кручение кольца в случае эксцентричного крепления мембраны относительно центра тяжести поперечного сечения опорного контура, а также его закручивание под действием поперечной силы в изгибно-жестких радиальных ребрах.

Программа основана на применении метода перемещений с тремя угловыми и тремя линейными смещениями узлов в качестве неизвестных.

В связи с наличием оси симметрии для действующих на расчетную модель сооружения нагрузок рассчитывалась половина конструкции, ограниченная большой осью эллипса. Симметрия учитывалась введением закреплений по направлению кососимметричных смещений в узлах, лежащих на оси симметрии. Число узлов рассчитываемой схемы составило 884 при числе стержней 1524.

Для упрощения определения координат узлов, сечений аппроксимирующих мембрану стержней и нагрузок составлялись программы-приставки на языке АЛГОЛ-60.

По усилиям в элементах ячеек, заменяющих мембрану, вычислялись нормальные и касательные напряжения в оболочке. Эта операция также выполнялась с помощью специальной программы-приставки, написанной на языке АЛГОЛ-60, по результатам работы основной программы.

Система рассчитывалась в линейной постановке, что в данном случае привело к незначительному превышению размеров перемещений и усилий по сравнению с расчетом по деформированной схеме. Это объясняется тем, что действие нагрузок, в том числе и неравномерных, существенно не изменило начальную форму покрытия в виде провисающей оболочки.

Расчет покрытия на стадии эксплуатации проводился на четыре вида загружения, включающих равномерно распределенную нагрузку от собственной массы покрытия и технологического оборудования (2100 Н/м²), а также различные варианты снеговой нагрузки, в том числе и односторонние.

Учитывались четыре схемы распределения коэффициента с снеговой нагрузки по поверхности покрытия. Расчетная снеговая нагрузка принималась равной 1400 Н/м².

Для выявления характера распределения ветровой нагрузки по покрытию, а также ее размера в Институте строительной механики и сейсмостойкости АН ГрузССР были проведены продувки модели сооружения в аэродинамической трубе. Эксперименты показали, что независимо от направления ветра на большую часть площади покрытия (свыше 80%) действуют силы отсоса, которые составляют 0,4 нормативного скоростного напора ветра, а максимальное значение отсоса не превышает 0,73 этой величины. В связи с этим вертикальная составляющая ветрового воздействия в расчетах не учитывалась. Горизонтальная нагрузка от ветра с учетом статической и динамической составляющих от давления ветра на контур, трения, ветра по поверхности покрытия и горизонтальной составляющей ветрового отсоса при направлении ветра параллельно короткой оси сооружения составила 2400 кН и при направлении ветра параллельно длинной оси--2200 кН.

При расчетах покрытия учитывались также и температурные воздействия на наружный опорный контур, располагающийся ; вне отапливаемого объема здания. При этом учитывалось воздействие отрицательного перепада температур Д/=40°С, которое приводит к уменьшению длины контура и дополнительным перегибам мембранного покрытия.

По каждому из четырех видов загружения проводился расчет как с учетом температурных воздействий на наружный опорный контур, так и без него. Наиболее невыгодными схемами загружения оказалась вторая с максимальной интенсивностью снеговой нагрузки в центре покрытия и третья с максимальной интенсивностью снеговой нагрузки в трети длинной оси сооружения, результаты расчета по которым приведены ниже.

Эпюры вертикальных перемещений мембраны приведены на. Максимальный прогиб в центре покрытия при второй схеме нагружения с учетом температурных деформаций кольца составил 171 см, примерно 1/100 меньше эллиптического плана. Тот же прогиб без учета температуры равен 154 см. При одностороннем загружении и учете температурных деформаций максимальный прогиб--174 см -- оказался на расстоянии 1/7льшой полуоси от центра покрытия. Прогиб от односторонней нагрузки без учета температуры 156 см.

Определяющим загружением по максимальным усилиям в оболочке оказалась вторая схема без учета температурных воздействий на наружный контур. На рис. 1.12 представлены эпюры радиальных и кольцевых усилии в мембранной оболочке для этой схемы нагружения. Характер распределения цепных усилий при всех видах загружения был примерно одинаков. Траектории главных усилий в мембранном покрытии близки к кольцевым и радиальным линиям главных кривизны оболочки. Радиальные усилия почти равномерно возрастают от наружного кольца к внутреннему кольцу. Сжимающие усилия в мембране в кольцевом направлении, обусловленные совместной работой с наружным опорным контуром, довольно быстро переходят в растягивающие. Разница между цепными усилиями у короткой и длинной осей сооружения невелика. Влияние температурных деформаций контура на цепные усилия в мембранной оболочке незначительно.

Для рассматриваемого покрытия сжимающие усилия в наружном опорном контуре, вычисленные по этим формулам, всего на 5--10% отличаются от усилий, полученных расчетом на ЭВМ. Изгибающие моменты в вертикальной плоскости наружного опорного контура приближенно определяют по формулам для бесконечной неразрезной балки под действием распределенной нагрузки от собственной массы контура и вертикальной составляющей цепных усилий мембраны. Закручивание контура также приводит к возникновению в нем изгибающих моментов в вертикальной плоскости.

При второй схеме загружения перемещения наружного контура в горизонтальной плоскости в радиальном направлении у длинной оси сооружения составили 3,5 см, у короткой -- 4,8 см. Те же перемещения с учетом отрицательного температурного перепада оказались соответственно равными 4,8 и 10,8 см. При третьей схеме загружения максимальное радиальное перемещение контура с учетом температурных воздействий (9,7 см) было со стороны более загруженной части покрытия примерно по середине между большой и малой осью.

Внутреннее кольцо покрытия находится под воздействием растягивающих усилий и изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Максимальные усилия в нем для второй схемы загружения оказались равными: растяжение 13 100 кН, изгибающие моменты в вертикальной плоскости 880 кН-м, в горизонтальной плоскости 570 кН-м.

При расчете железобетонных диафрагм жесткости и колонн каркаса на воздействие горизонтальных ветровых нагрузок и устойчивость мембранное покрытие рассматривалось как абсолютно жесткий диск в своей плоскости.

Радиальные ребра в виде висячих ферм рассчитаны исходя из условия их работы на монтажные нагрузки, а на стадии эксплуатации--на нагрузки от подвесного потолка и технологического оборудования, расположенного в межферменном пространстве. Монтаж несущих конструкций ¹

Монтаж большепролетных конструкций всегда представляет собой сложную проблему.

Предложенная система покрытия, перекрывающего рекордный для нашей строительной практики пролет, в виде висячей оболочки на жестком контуре с радиально-кольцевой стабилизирующей конструкцией, полностью исключила устройство лесов для монтажа мембраны, позволила применить индустриальный крупноблочный метод монтажа.

Покрытие представляет собой мембрану, выполняемую из рулонированной листовой стали толщиной 4 мм. В поперечном сечении стадиона мембрана очерчена по квадратной параболе со стрелой 9 м при пролете 240 м. Это же очертание сохраняется во всех вертикальных сечениях, перпендикулярных длинной оси стадиона. Наружный контур очерчен по форме внешнего периметра стадиона, внутренний -- по эллиптической кривой. При полной постоянной и временной нагрузках образующие мембраны, параллельные длинной оси, прямолинейны и горизонтальны. При монтаже им задается строительный подъем со стрелкой 1,5 м в середине длинной оси. Под мембраной параллельно короткой оси стадиона расположены направляющие (из стальных полос сечением 300x6 мм с шагом 3 м; под направляющими -- система стабилизирующих ферм высотой 1,5 м, расположенных в продольном и поперечном направлениях с шагом 12 м. Направляющие и стабилизирующие фермы участвуют в работе на растяжение совместно с мембраной.

Внецентренносжатый наружный контур корытообразного поперечного сечения из листовой стали толщиной 6 мм с ребрами жесткости. После установки в проектное положение корыто заполняется бетоном марки М400. Внутренний контур имеет коробчатое поперечное сечение, развитое в горизонтальном и вертикальном направлениях. Он выполняется сварным из листовой стали. В соответствии с усилиями наружный и внутренний контуры имеют переменное поперечное сечение. Оно максимально у концов длинной оси стадиона и минимально у концов короткой оси.

Опирание наружного контура запроектировано в двух вариантах: с опорами, расположенными за пределами контура стадиона, и с опорами, сооружаемыми в створе крайней внешней оси стадиона. Опоры из монолитного железобетона на монолитных фундаментах и буронабивных сваях. Шаг опор 24 м.

Статической особенностью этой конструкции является то, что наружный и внутренний контуры соединены непрерывными прямолинейными затяжками, образуемыми мембраной и продольными стабилизирующими фермами. Этим обеспечивается малая изгибность контуров, так как их искривление лимитируется удлинением затяжек.

Форма покрытия обеспечивает естественный сток воды с поверхности к концам длинной оси стадиона. Здесь вода перехватывается водоприемниками со спуском в подтрибунное пространство.

Подвесной потолок создает комфортные акустические условия, защищает зрителей от перегрева в солнечные дни.

Монтаж покрытия намечено было осуществлять следующим образом. Вначале монтируются наружный контур на постоянных опорах и внутренний контур на временных опорах. Затем поднимаются полосовые направляющие и крепятся к обоим контурам. Затем поднимаются и крепятся к направляющим и к контурам стабилизирующие фермы, которые совместно с направляющими образуют достаточно жесткую постель для раскатывания рулонов, образующих мембрану. Рулоны поступают с завода-изготовителя максимально возможной ширины и раскатываются по готовой постели. После сварки рулонов монтажные опоры убираются. Наружный контур запроектирован таким образом, что он способен воспринять собственную массу мембранного покрытия до его обетонирования. Этим обеспечивалась определенная свобода сроков выполнения работ по бетонированию контура.

Покрытие сферической мембраной

Основное отличие этого варианта от предыдущего -- в форме поверхности мембраны. Контуры -- наружный и внутренний-- расположены на постоянных отметках, и поверхность мембраны по всей площади имеет уклон от наружного контура к внутреннему. Конструктивно этот вариант покрытия решен так же, как и предыдущий. Отличие состоит в том, что контуры имеют постоянное поперечное сечение по длине. Вариант опирания наружного контура дополнен еще одним -- с использованием для этой цели всех существующих опор, расположенных на внешней оси стадиона. При этом используемые для опирания покрытия колонны и фундаменты под ними подвергаются усилению.

Вода с поверхности покрытий поступает в лоток, расположенный в специально предназначенном для этого отсеке внутреннего контура. Лоток имеет уклоны, благодаря чему вода стекает к серединам северной и южной трибун и отсюда отводится в подтрибунное пространство. В зимнее время отсек с лотком обогревается электричеством.

Монтаж покрытия осуществляется в том же порядке, что и при цилиндрической мембране. Несколько усложняется раскрой рулонов, так как заготовки должны иметь трапециевидную форму.

Сталебетонная мембрана

Мембранное покрытие предложено шириной 60 м, при этом открытой остается средняя часть арены размером 120X177 м и площадь открытой части составляет 30% общей площади покрытия (поэтому покрытие в статическом отношении рассматривается как мембрана с отверстием в средней части). Мембранное покрытие закрепляется в наружном контуре, опертом на трубобетонные стойки высотой 10 м, расположенные над существующими колоннами наружной оси трибун с шагом 6 м.

Наружный опорный контур запроектирован в двух вариантах: с применением трубобетона и в виде стальной коробки, заполненной бетоном.

Внутреннее стальное кольцо, обрамляющее отверстие в мембране, совмещено с кольцевой галереей в виде жесткой коробки сечением 2X3 м, в которой размещены осветительная аппаратура, телевизионные установки, громкоговорители и др. Несущая нижняя его часть запроектирована из листа толщиной 40 мм и шириной 3000 мм. Внутреннее кольцо монтируется на отметке, превышающей пролетную на 3 м.

Верхняя часть кольца в период возведения разрезана на отдельные элементы, которые соединяются между собой в последнюю очередь (после опускания покрытия).

Кольцевая галерея соединена с существующими вертикальными шахтами-лестницами четырьмя радиальными галереями, в которых предусмотрены электроосвещение, радиофикация, водоудаление с кровли и другие коммуникации. По радиальным галереям обслуживающий персонал попадает в кольцевую галерею. Кольцевая галерея и радиальные галереи представляют собой жесткую пространственную систему, стабилизирующую покрытие.

Для резкого уменьшения изгибающих моментов в процессе монтажа элементы мембраны раскатываются по радиально-кольцевой вантовой ; сетке (жестким вантам),, соединяющей кольца между собой.

Ванты запроектированы из швеллеров № 18, расположенных горизонтально ребрами вниз и связанных уголками, шаг между которыми 3 м.

Список литературы

1. Дыховичний Ю. А. Большепролётные конструкции сооружений Олимпиады -80 в Москве М; Стройиздат 1982.; 30-139 стр.

2. Кирсанов Н. М. Висячие и вантовые конструкции- М; : Стройздат 1981.; 80-95 стр.

3. 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.

Размещено на Allbest.ru

...