Слайд 1Конструирование цилиндрических мембран
к. т. н. Мухамедшакирова Ш. А
Слайд 21. Характеристика.
2. Виды мембранных покрытий.
3. Конструктивное решение.
4. Примеры
5. Литература.
Содержание.
Слайд 3Введение.
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).
Слайд 4Если 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.
Слайд 5Общая 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.
Слайд 6Достоинства.
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.
Слайд 7Достоинства.
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.
Слайд 8Известны 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.
Слайд 9Схема прямоугольного в плане покрытия с замкнутым опорным контуром:
1 —
распорки; 2 — регулирующая монтажная
затяжка; 3 — элементы постели;
4
— мембрана; 5 — опорный контур.
Слайд 10Для 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 1,5X6 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.
Слайд 11Эффективность 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.
Слайд 13Железобетонный опорный контур имеет большую степень надежности, чем металлический, в
связи с более высокой долговечностью материала, массивностью и большей жесткостью
сечения.
Слайд 15Ленточная седловидная оболочка
1 — опорный контур;
2 —стабилизирующие ленты;
3 — пилон;
4 — утеплитель;
5 — несущие
ленты
Слайд 16В 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.
Слайд 17Стабилизация 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.
Слайд 18Предварительное 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.
Слайд 19Стабилизация 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
Слайд 20Основные 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.
Слайд 21Конструктивное 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 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 сборномонолитному железобетонному опорному контуру.
Слайд 22Особенности расчета мембранных покрытий.
Слайд 23Особенности расчета мембранных покрытий
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.
Слайд 24При 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.
Слайд 25В 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
Слайд 26ВИДЫ МЕМБРАННЫХ ПОКРЫТИЙ
Мембранные покрытия разделяются по конструктивным особенностям
Слайд 27Очертания в плане
Мембранные сплошные оболочки выполняются из отдельных тонколистовых полотнищ,
объединяемых на монтаже в сплошную пространственную систему.
Слайд 28Мембранные 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.
Слайд 29Форма поверхности составных покрытий:
а, г, е, ж, з — отрицательной
гауссовой кривизны;
б, в, д — нулевой гауссовой кривизны
Слайд 30МАТЕРИАЛЫ 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
Слайд 31ОСОБЕННОСТИ 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
Слайд 32КРЫТЫЙ 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 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.
Слайд 33Конструктивное 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.
Слайд 34Оболочка 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.
Слайд 35Висячая 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.
Слайд 36Монтаж 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.
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.
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.